東北高寒地區(qū)低溫期的預(yù)制梁溫控技術(shù)

張曉兵

中鐵十六局集團(tuán)第一工程有限公司 北京 101300

近年來，隨著鐵路、公路、市政等基礎(chǔ)建設(shè)在東北、西北地區(qū)的大規(guī)模開展，時(shí)常會(huì)遇到工期緊、必須在低溫期施工的情形[1-5]。如何在高寒地區(qū)低溫期保質(zhì)保量且經(jīng)濟(jì)高效地生產(chǎn)混凝土預(yù)制件，成為工程施工中必須解決的問題。

作為最重要的混凝土預(yù)制件——預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁數(shù)量大、質(zhì)量要求高，在高寒區(qū)低溫期預(yù)制時(shí)，需要采取一系列升溫、保溫、調(diào)溫等溫控技術(shù)措施才能順利進(jìn)行[6-9]。

本文通過在東北高寒地區(qū)安達(dá)東、安達(dá)西預(yù)制梁場冬季施工的溫控技術(shù)實(shí)踐，較為系統(tǒng)地總結(jié)了高寒地區(qū)冬季預(yù)制梁施工各環(huán)節(jié)、各階段的溫控技術(shù)要點(diǎn)，以為工程界同仁提供參考。

1 預(yù)制梁場和預(yù)制梁概況

中鐵十六局集團(tuán)安達(dá)東、安達(dá)西制梁場位于黑龍江省西南部的安達(dá)市境內(nèi)，龍鳳濕地邊緣。該區(qū)具有高緯度、高寒、多風(fēng)等特點(diǎn)，極端最低溫度為－40 ℃，凍土深度100～270 cm，年氣溫－40～5 ℃的時(shí)間長達(dá)5個(gè)月以上，正常施工期（5～40 ℃）僅6個(gè)月。

安達(dá)東、安達(dá)西制梁場承擔(dān)哈（爾濱）—齊（齊哈爾）鐵路客運(yùn)專線HQTJ-3標(biāo)段1 110孔箱梁預(yù)制任務(wù)。梁場采用縱列式布置（圖1），2個(gè)制梁場各設(shè)置11個(gè)制梁臺(tái)座，制梁臺(tái)座縱向錯(cuò)位布置，每個(gè)制梁臺(tái)座對應(yīng)7個(gè)存梁臺(tái)座，共77個(gè)，設(shè)計(jì)每天最大出梁量為3孔。梁場設(shè)每小時(shí)生產(chǎn)120 m3混凝土拌和站2座，變壓器1 760 kVA，制梁用水蓄水罐88 m3。

圖1 梁場平面布置（含蒸養(yǎng)設(shè)備）

橋梁為預(yù)制后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡支整孔箱梁（雙線單箱單室，圖2），分別為通橋（2009）2229A-Ⅳ（梁長為32.6 m，跨度為31.5 m）、通橋（2009）2229A-Ⅴ（梁長為24.6 m，跨度為23.5 m）。梁體混凝土為C50高性能混凝土。

圖2 混凝土簡支整孔箱梁結(jié)構(gòu)

2 升溫保溫技術(shù)

根據(jù)施組安排，制梁工期僅2年，一部分預(yù)制梁的生產(chǎn)必須在低溫期進(jìn)行。在低溫下預(yù)制梁，需要采取升溫、保溫措施。

本項(xiàng)目采取燃煤鍋爐加熱水產(chǎn)生的蒸汽對混凝土組成材料和新澆筑梁進(jìn)行升溫，并通過溫度傳感檢測反饋，控制蒸汽量，實(shí)現(xiàn)精確升溫控制。

2.1 鍋爐選型及管道配置

按每天生產(chǎn)1榀梁計(jì)算，在－10 ℃的大氣溫度下，蒸汽有效利用率0.45，蒸汽最大用量是3.89 t/h，梁場設(shè)置2臺(tái)4 t臥式內(nèi)燃鏈條爐，最大壓力1.25 MPa，滿足正常施工需要。

2臺(tái)鍋爐蒸汽通過φ140 mm無縫承壓鋼管匯至分汽缸，統(tǒng)一輸出鍋爐房，可通過閥門控制各自的供汽量，提高鍋爐的使用效率。通過管道法蘭盤將供汽范圍分為拌和站供熱區(qū)和制梁供熱區(qū)。管道外露部分采用巖棉包裹，外用鍍鋅鐵皮包裹嚴(yán)密。

制梁區(qū)主管道分南北兩支，貫通所有制梁臺(tái)座，從腹板下穿過，可節(jié)約管道長度、減少蒸養(yǎng)的熱損失、提高蒸汽利用率。每個(gè)制梁臺(tái)座內(nèi)設(shè)置閥門，控制該臺(tái)座總體供汽量。拌和站供熱區(qū)鍋爐管道終點(diǎn)通入蓄水罐，直接對拌和用水加熱。

2.2 混凝土原料升溫保溫

2.2.1 砂石料加熱保溫

梁場設(shè)置25 m×25 m保溫倉3個(gè)，分別存儲(chǔ)細(xì)骨料、粒徑5～10 mm粗骨料、粒徑10～20 mm粗骨料，存料滿足每天2榀梁生產(chǎn)所需數(shù)量。在每個(gè)保溫倉內(nèi)設(shè)隔墻，分為2個(gè)區(qū)，按先篩洗、先檢測、先使用的原則安排施工。

冬期施工期間環(huán)境溫度較低，根據(jù)熱工計(jì)算，混凝土拌和物出機(jī)溫度大于10 ℃的，需要將砂石料升溫至8～9 ℃。

保溫倉采用鋼架結(jié)構(gòu)，四周及屋頂均采用新型保溫材料厚100 mm彩鋼夾心板，夾心層使用聚氯乙烯泡沫板，用玻璃膠封閉嚴(yán)密，減少透風(fēng)。向陽側(cè)及頂部每個(gè)倉設(shè)置4個(gè)1.5 m×1.5 m雙層玻璃窗戶用于日常采光，保證光線充足的同時(shí)節(jié)約了用電成本。經(jīng)試驗(yàn)，因保溫棚散熱所需蒸汽量僅為7.8 kg/h。

保溫倉砂石料升溫、保溫采用蒸汽地?zé)峒訜岷团瘹馄訜嵯嘟Y(jié)合的方法。暖氣片采用φ120 mm和φ90 mm的廢舊鋼管制作，安裝在保溫倉隔墻上；地?zé)岵捎忙?40 mm管道弓形布置（圖3），地?zé)釡希?50 mm×250 mm）與地面混凝土一次澆筑成型，下襯保溫材料，減少熱量向地下散失，上蓋350 mm×10 mm鋼板。

在每個(gè)加熱區(qū)均設(shè)置控制流量的閥門和電子數(shù)顯溫度計(jì)（DTM-280LCD），可隨時(shí)查看砂石料及棚內(nèi)溫度，根據(jù)各區(qū)倉內(nèi)存料量及溫度調(diào)節(jié)該區(qū)供汽量，升溫時(shí)間在5～6 h。

圖3 保溫倉地?zé)峁艿啦贾?/p>

2.2.2 拌和用水加熱

水井及供水設(shè)施設(shè)置在鍋爐房內(nèi)，給水管道與φ50 mm蒸汽管道并行布置，保證寒冷條件下水管不至于凍結(jié)，影響正常生產(chǎn)。

2個(gè)拌和樓各配置1個(gè)容積為80 m3的既可通蒸汽加熱又可燒煤加熱的水罐，置于彩鋼板房內(nèi)，用水量可滿足日生產(chǎn)2榀梁的需要。水罐上安裝水位指示器和電子數(shù)顯溫度計(jì)（DTM-280LCD），隨時(shí)檢測水量、水溫。加熱采用蒸汽直接送入水罐的方式，必要時(shí)用煤進(jìn)行輔助加熱，在水溫達(dá)到要求后，可適當(dāng)減小送汽量，以保證水溫不低于要求。

在－10 ℃環(huán)境下生產(chǎn)混凝土，拌和用水加熱至50 ℃即可滿足要求，最高不超過60 ℃，加熱時(shí)間為5～6 h。

生產(chǎn)每榀梁骨料、攪拌用水升溫所需蒸汽量在0～5 ℃間為1.4 t/h，在－10 ～0 ℃間為2 t/h。

2.2.3 外加劑保溫

外加劑儲(chǔ)料罐置于彩鋼夾心板制作的室內(nèi)，四周封閉嚴(yán)密，管道用保溫巖棉包裹嚴(yán)密，在室內(nèi)設(shè)置電子數(shù)顯溫度計(jì)（DTM-280LCD），溫度低于3 ℃時(shí)用電暖氣加熱，保證外加劑不受凍害破壞性能，外加劑水泵能夠正常工作。

2.2.4 膠凝材料保溫

水泥、粉煤灰、礦粉罐在冬季大氣溫度持續(xù)零下的情況下，溫度會(huì)持續(xù)降低，應(yīng)通過用棉篷布包裹罐體，以減少熱量的散失。

2.3 混凝土生產(chǎn)設(shè)備保溫

2.3.1 混凝土攪拌設(shè)備的保溫

混凝土攪拌機(jī)、砂石料傳送帶及操作設(shè)備均置于彩鋼板房內(nèi)，嚴(yán)密封閉。

在房內(nèi)安裝蒸汽保溫管道及暖氣片，使攪拌機(jī)械及環(huán)境溫度在5 ℃以上，減少原材料溫度損失，保證拌和機(jī)械設(shè)備電路、油路、傳感器系統(tǒng)正常工作。

2.3.2 混凝土運(yùn)輸設(shè)備的保溫

混凝土運(yùn)輸車常年采用棉篷布包裹罐體，減少混凝土在運(yùn)輸過程中溫度的損失。

冬季施工期間，專門為混凝土地泵制作保溫棚，布料桿管道用建筑用毛氈包裹密實(shí)，厚3 cm。為保證混凝土出機(jī)溫度滿足要求，拌和物入模溫度應(yīng)不小于5 ℃。

2.3.3 制梁臺(tái)座的保溫設(shè)施

制梁臺(tái)座模板腹板由用空心磚砌筑的并符合相關(guān)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的保溫墻全封閉。墻體與模板之間留3～5 cm空隙用毛氈填塞，以減小梁體澆筑過程中模板振動(dòng)對保溫墻的影響。向陽面設(shè)置1.5 m×1.5 m透光窗，增加采光和熱量。墻體外刷厚10 mm水泥砂漿，增加墻體強(qiáng)度和密實(shí)性，從而減小熱量散失。給水管路引至跨中頂板，方便頂板澆水養(yǎng)護(hù)。

制梁臺(tái)座端部掛14.5 m×3.0 m棉篷布保溫，上部固定在端模板頂部，棉篷布與保溫墻預(yù)留鋼筋用繩子固定，封閉嚴(yán)密，減少熱量散失。

每個(gè)梁場共加工制作6套蒸養(yǎng)棚罩（33.2 m×13.3 m×1.0 m），每個(gè)蒸養(yǎng)棚罩設(shè)4個(gè)吊環(huán)，用2臺(tái)50 t龍門吊吊裝就位，蒸養(yǎng)棚罩底部平整，與制梁平臺(tái)模板嚴(yán)密配合，減少蒸汽散失。蒸養(yǎng)棚罩采用∠50 mm角鋼、∠70 mm角鋼焊接骨架，用厚10 cm彩鋼板進(jìn)行錨固，接縫處用玻璃膠密封嚴(yán)密，在臺(tái)座上下爬梯處留2個(gè)0.8 m×1.0 m小門，供人員澆水養(yǎng)護(hù)進(jìn)出。

冬季施工期間，該地區(qū)風(fēng)力較大，為了減少混凝土澆筑期間因空氣流動(dòng)造成的鋼筋、模板、混凝土熱量的損失，對梁頂高1 m范圍用棉篷布進(jìn)行圍擋，降低作業(yè)環(huán)境的風(fēng)速。

每個(gè)制梁臺(tái)座設(shè)置1個(gè)分汽缸，控制各部位供汽量大小。保溫墻內(nèi)兩側(cè)各設(shè)置1根保溫管道和1根加熱管道，各安裝1臺(tái)電子數(shù)顯溫度計(jì)（DTM-280LCD），養(yǎng)護(hù)人員在現(xiàn)場巡視，根據(jù)環(huán)境溫度、棚內(nèi)溫度及養(yǎng)護(hù)所需溫度隨時(shí)調(diào)節(jié)供汽量大小。

內(nèi)腔設(shè)置1根加熱管道，內(nèi)模安裝完畢后，用軟管連接內(nèi)模內(nèi)的加熱管道，對腔內(nèi)模板、混凝土進(jìn)行加熱。底板下部設(shè)置1根加熱管道，對制梁臺(tái)座下部進(jìn)行加熱，保證底板下部的養(yǎng)護(hù)溫度符合要求（圖4）。

圖4 制梁臺(tái)座保溫設(shè)施

3 調(diào)（控）溫技術(shù)

從生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)入手，采用無線測溫檢測儀（HCTW20）、電子數(shù)顯溫度計(jì)（DTM-280LCD）聯(lián)合控制蒸汽使用量，對特定環(huán)境溫度條件下的蒸汽使用量及預(yù)制梁體混凝土芯內(nèi)溫度與混凝土表面的溫差、混凝土表面溫度與保溫棚內(nèi)環(huán)境溫度的溫差（規(guī)范要求為15 K）進(jìn)行控制，給出環(huán)境溫度在0～5 ℃和－10～0 ℃區(qū)間內(nèi)的蒸汽使用量。

3.1 生產(chǎn)階段溫度控制措施

冬期施工期間，在鋼筋安裝施工完畢后，吊裝蒸養(yǎng)棚罩并安裝端部棉篷布，打開加熱管道，對鋼筋、模板進(jìn)行預(yù)熱4～6 h，預(yù)熱的結(jié)果以溫度達(dá)到5 ℃以上、不超過10 ℃為宜。

混凝土澆筑前，撤去蒸養(yǎng)棚罩，頂板鋼筋、模板熱量散失較快，隨時(shí)量測模板溫度、澆筑成型的混凝土溫度，調(diào)整供汽量，保證模板溫度不低于5 ℃，混凝土溫度不低于10 ℃。

3.2 養(yǎng)護(hù)溫度控制措施

1）混凝土澆筑完成且二次收面后立即加蓋蒸養(yǎng)棚罩，開始蒸汽養(yǎng)護(hù)的靜停階段，適當(dāng)減少供汽量，隨時(shí)監(jiān)測混凝土表面、芯部溫度及蒸養(yǎng)棚內(nèi)溫度，使棚內(nèi)溫度保持在5～10 ℃，靜停階段一般為4～6 h。當(dāng)表面溫度與棚內(nèi)溫度溫差大于10 K時(shí)，進(jìn)入蒸汽養(yǎng)護(hù)的升溫階段。

2）蒸汽養(yǎng)護(hù)的升溫階段，打開加熱管道閥門，增加送汽量提高蒸汽產(chǎn)生速度，使棚內(nèi)溫度逐步高于梁體表面溫度。升溫時(shí)間一般控制在4～6 h，升溫速度為5 K/h左右，蒸汽用量約0.4 t/h。一般在棚內(nèi)溫度達(dá)到要求溫度（一般為30 ℃）后，加熱管道停止供汽，進(jìn)入恒溫養(yǎng)護(hù)階段。該階段要進(jìn)行澆水養(yǎng)護(hù)，保證梁體表面潮濕。

3）恒溫階段初期混凝土溫度相對較低，通過保證保溫管道的供汽量，保證棚內(nèi)溫度處于平衡狀態(tài)。

4）恒溫階段中期，梁體芯部溫度在混凝土入模后30～40 h內(nèi)達(dá)到峰值，之后混凝土芯部溫度會(huì)緩慢降低。其間，混凝土熱量散失較慢，芯部溫度在高位持續(xù)6～10 h，適當(dāng)提高棚內(nèi)溫度，使混凝土表面與芯部溫差小于15 K?；炷劣捎谒a(chǎn)生的熱量積累，芯部溫度逐步升高，必要時(shí)應(yīng)對混凝土進(jìn)行適當(dāng)?shù)臐菜禍?，以降低混凝土芯部、表面和環(huán)境之間的溫差。

5）恒溫階段后期隨著芯部溫度降低，應(yīng)減少保溫管道送汽量，降低棚內(nèi)溫度，使表面溫度隨著芯部溫度逐步降低。當(dāng)混凝土表面溫度降低至棚內(nèi)溫度時(shí)，開始進(jìn)入恒溫階段后期，控制要點(diǎn)是緩慢停汽、均勻降溫，通過減少臺(tái)座供汽量，達(dá)到緩慢降溫目的。主要監(jiān)控點(diǎn)是混凝土表面與芯部溫差小于15 K。在梁體表面溫度與大氣溫度溫差小于15 K時(shí)，進(jìn)入蒸汽養(yǎng)護(hù)降溫階段。

6）降溫階段停止對蒸養(yǎng)棚供汽，通過開門、打開端頭篷布的方法，使冷空氣緩慢進(jìn)入制梁臺(tái)座，逐步降低棚內(nèi)溫度，達(dá)到降低混凝土表面、芯部溫度的目的，保證混凝土芯部與表面，表面與環(huán)境溫差均小于15 K。降溫時(shí)間控制在4～6 h，在環(huán)境溫度低于－3 ℃時(shí)，梁體表面溫度降至5 ℃以下方可拆除模板。

3.3 各階段溫度控制參數(shù)

根據(jù)施工實(shí)際，總結(jié)出在不同環(huán)境溫度下各工序的升溫時(shí)間、所需要達(dá)到的溫度，以滿足施工需要的最低標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)施工采用的保溫升溫設(shè)施，根據(jù)理論公式計(jì)算蒸汽用量，0～5 ℃和－10～0 ℃區(qū)間內(nèi)生產(chǎn)1榀梁的蒸汽使用量分別為11.4 t和19.8 t，耗煤量分別為1.4 t和2.5 t。根據(jù)測溫系統(tǒng)的溫度反饋，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)總結(jié)，在每天生產(chǎn)1榀梁的情況下，確定出在0～5 ℃和－10～0 ℃區(qū)間內(nèi)的生產(chǎn)1榀梁的蒸汽實(shí)際使用量分別為9.6 t和16 t，實(shí)際耗煤量分別為1.2 t和2 t。因此，理論計(jì)算對熱損失系數(shù)取值偏大，實(shí)際保溫效果好于預(yù)期估計(jì)。

3.4 預(yù)制梁溫控實(shí)例

安達(dá)東制梁場預(yù)制箱梁ADD-058#梁澆筑日期為2010年11月5日，養(yǎng)護(hù)期間室外溫度最低－6 ℃，最高5 ℃，由各截面在養(yǎng)護(hù)期內(nèi)各部位的溫度平均值變化曲線（圖5）可以發(fā)現(xiàn)，溫度控制完全滿足《高速鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制梁技術(shù)條件》要求。經(jīng)96 h蒸汽養(yǎng)護(hù)后，混凝土強(qiáng)度為45.6 MPa，滿足初張拉要求。

圖5 ADD-058#箱梁預(yù)制養(yǎng)護(hù)期間溫度變化

4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

采用鍋爐蒸汽保溫升溫、蒸汽養(yǎng)護(hù)技術(shù)結(jié)合無線測溫檢測儀（HC-TW20）、電子數(shù)顯溫度計(jì)（DTM-280LCD）聯(lián)合控制蒸汽大小，混凝土芯內(nèi)與表面的溫度差控制較好，早期強(qiáng)度上升較快。除此之外，利用蒸汽養(yǎng)護(hù)后，早期強(qiáng)度上升較快，96 h即可以達(dá)到初張拉要求，增加了制梁臺(tái)座的周轉(zhuǎn)次數(shù)，提高了機(jī)械設(shè)備工裝的有效利用率，降低了施工成本，提高了施工進(jìn)度。

為顯示蒸汽養(yǎng)護(hù)施工方案的成本優(yōu)越性，表1將其與自然養(yǎng)護(hù)施工方案進(jìn)行了對比。蒸汽養(yǎng)護(hù)施工方案主要節(jié)約人工費(fèi)用和提高模板使用率，制梁時(shí)間延長3個(gè)月，即每年的4月份、10月份、11月份可施工。

應(yīng)用蒸汽養(yǎng)護(hù)技術(shù)，將混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間由7 d縮短到4 d，大大縮短了單片梁的預(yù)制循環(huán)時(shí)間，縮短在存梁區(qū)的等強(qiáng)時(shí)間，保證工程按期完成。而自然養(yǎng)護(hù)施工時(shí)，在溫度低于15 ℃時(shí)，混凝土強(qiáng)度上升緩慢，要按工期如期完成，需擴(kuò)建梁場，增設(shè)40%的制、存梁臺(tái)座，提梁機(jī)軌道和龍門吊軌道。

由表1可知，蒸養(yǎng)方案節(jié)約投資783.5萬元，因此采用蒸養(yǎng)方案有巨大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

表1 蒸汽養(yǎng)護(hù)施工方案和自然養(yǎng)護(hù)施工方案的經(jīng)濟(jì)比較

5 結(jié)語

采取鍋爐蒸汽對混凝土原料和生產(chǎn)設(shè)備升溫，使用保溫砌塊和蒸養(yǎng)棚保溫，并結(jié)合無線測溫儀調(diào)溫等一系列溫控措施，實(shí)現(xiàn)了在高寒地區(qū)低溫期高質(zhì)量低成本預(yù)制混凝土梁的目的，成功延長施工期3個(gè)月，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。