混凝土智能蒸汽养护系统在桥梁预制构件中的应用研究.pdf

第 4 O卷 ， 第 4期 2 0 l 5年 8月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i n g Vo 1 4 0，No 4 Au g， 20 1 5 混凝土智能蒸汽养护系统在桥梁预制构件 中 的应用研 究 罗卫华 。 ， 邹 团结 ，陈康 军 ，徐有 为 ( 1 湖南省永龙高速公路 建设 开发有 限公 司，湖南 湘西4 1 6 7 0 0 ； 2 湖南聚创建筑科技有限公司，湖南 长沙 4 1 0 0 1 9) 摘 要 】针对当前冬 季低温环境混凝土蒸汽养护存在的诸多 问题 ， 引人 了智 能蒸汽养护 系统用于 预制混凝 土梁 的养护 。介绍了智能蒸汽养护系统 的技术原理和智能蒸汽养护系统 的现 场应 用过程 及效果 ， 着重 阐述了智能 蒸汽养护 系统相 比于传统燃煤蒸汽养护在节能减排方面的优势。 【 关键词桥梁；混凝土 ； 智能 ， 蒸 汽养护 ；节能减排 中图分类号 u 4 4 3 3 文献标识码 A 【 文章编号 】1 6 7 4 0 6 1 0 ( 2 0 1 5 ) 0 4 0 1 5 8 0 5 Th e Ap p l i c a t i o n Re s e a r c h o f Co n c r e t e I n t e l l i g e n t S t e a m Cur i n g S y s t e m o n Pr e f a br i c a t e d Br i d g e L U O W e i h u a ， Z OU T u a n j i e ，C HEN Ka n g j u n 。 ，X U Y o u we i ( 1 Hu n a n P r o v i n c a i l Yo n g L o n g E x p r e s s w a y C o n s t r u c t i o n a n d De v e l o p me n t L i mi t e d C o mp a n y ，Xi a n g x i ， Hu n a n 4 1 6 7 0 0，C h i n a ； 2 Hu n a n J o c h o n A r c h i t e c t u r e T e c h n o l o g y C o ，L t d ， C h a n g s h a ，Hu n a n 4 1 0 0 1 9，Ch i n a ) A b s t r a c t I n t h i s p a p e r ， f o c u s i n g o n t h e c u r r e n t s t e a m c u r i n g p r o b l e m s o f c o n c r e t e i n w i n t e r l o w t e mp e r a t u r e e n v i r o n me n t ， t h e i n t e l l i g e n t s t e a m c u r i n g s y s t e m i s i n t r o d u c e d t O c u r i n g p r e c a s t c o n c r e t e be a ms Me a n whi l e ，t h e t e c h n i c a l pr i n c i p l e， t he fie l d a p p l i c a t i o n p r o c e s s a n d t h e e f f e c t o f i n t e l l i g e n t s t e a m c u r i n g s y s t e m a r e i n t r o d u c e d Co mpa r i n g wi t h t h e c o n v e n t i o n a l c o a l fi r e d s t e a m c u r i n g ， t h e a d v a n- t a g e s o f i n t e l l i g e n t s t e a m c u r i n g s y s t e m o n e n e r g y s a v i n g a n d e mi s s i o n r e d u c t i o n a r e r e s e a r c h e d i n d e t a i l Ke y wo r d s b r i d g e ； c o n c r e t e ； i n t e l l i g e n t ； s t e a m c u r i n g ； e n e r g y c o n s e r v a t i o n e mi s s i o n s r e d u c t i o n 1 概 述 桥梁 预 制构 件 因其 施工 流 程 化 、 安 装 便 捷性 而 得到 广泛采 用 ， 高速 公路 中小 型 桥梁 甚 至 大 型桥 梁 上部结构均采用预制板梁式结构。预制构件的使用 越来越广泛 ， 其施工质量也相应的被工程技术人员 密 切关 注 ， 预应 力 智能 技 术 的 发展 与 推 广基 本 解 决 了张拉 准确 、 同步 ， 压 浆 密实 、 饱 满 的问题 ， 但混凝 土 的养护仍未得到相应的重视 ， 尤其在南方地 区冬季 低温环境下的养护施工基本沿用传统蓄热养护的方 法 ， 不规范、 不环保。一些采用了蒸汽养护的建设项 目， 最终 的使用 效果 严 重 依 赖其 实 施 人 的 责任 性 与 专业 水平 ， 因操 作不规 范 、 使用 者责任 性不 强导致 养 护不 当而致使混 凝 土开 裂 、 强 度 不 足 的情 况 屡 有 发 生 ， 本文 基于 蒸汽养 护 的基础 上 ， 提 出智能蒸 汽 养护 技术的理念开发了一套智能蒸汽养护设备 ， 用于冬 季 低温情 况下 的预 制 梁 场混 凝 土 养护 ， 由智 能 设 备 取 代人工 规 范 、 科学 、 精 细的按 照施工 规范 与方 案要 求进 行养 护 ， 可有效 防止 低 温环 境 养 护不 当导 致 的 混凝土质量问题 ， 提高混凝土强度与耐久性。 2 当前蒸汽养护存在 的问题 预制 梁 场梁 板 因施 工 进度 要 求 ， 需要 在 冬 季施 工 ， 为保证 冬季 施工 质 量 ， 一 般 采取 蒸 汽 暖 棚养 护 。 而现有的蒸汽养护方式大多采用燃煤供给蒸 汽， 存 在 以下 几个 方 面的 问题 ： 需要设置占地较大的蒸汽锅炉房 ， 蒸汽产生 量一般 在 1 0 0 0 k g h以上 ， 锅 炉 房 的建 设 需 要 投入 收稿 日期2 0 1 5 0 3 一l 9 作者简介】罗卫华 ( 1 9 7 0 一) ， 男 ， 湖南邵东人， 教授级高级T程师、 研究员 ， 主要从事高速公路 建设管理 、 新 艺 、 新技术研究 _T 作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 6 0 公路工程 4 0卷 、 赠 图 2养 护 状 态 时 闻 及 温 度 Fi g u r e 2 T he t i me a n d t e mp e r a t u r e o f t h e c ur i n g s t a t e 升温 ： 待混凝土终凝时就可通人蒸汽升温 进行 养生 ， 升温 速 度 7 h ，以防混 凝 土受 热 急 剧 膨胀 变形 开 裂 。采 用 低 压 ( 小 于 0 7 MP a ， 饱 湿 度 9 0 一 9 5 ) 蒸汽以防混凝土产生裂纹。升温过程 温度数 据 系统 自动记 录 ， 同 时 系统 自动 通过 控 制蒸 汽输入电磁阀的开关调整升温速率 ， 升 温结束 自动 进 人恒 温养 生状态 。 恒温 ： 升温到棚 内温度 6 0时 ， 进入恒 温 状态 ， 当暖棚内温度偏离 6 0时， 由系统根据监测 数据调整蒸汽输入频率与数量进行 温度状态 的保 持， 当偏离较大无法在 3 0 ra i n完成调整时， 系统报 警系统启动， 提醒技术人员检查设备故障或覆盖措 施等 。 降温：降温的速率控制在 3 5 h以内， 即 在降温过程中不能停止蒸汽 的输送 ， 通过系统根据 降 温时 自动控 制输送 频率实 现 。 自然养护 ： 蒸汽养护结束 ， 立即进人 自然养 护状 态 。 4 5养护 过程 数据及 结果 本 项 目按 照前 述 养护 设 备 配 置 及 养 护 工 艺 要 求 ， 现 场冬 季混凝 土梁施 工每天 1 片 ， 采用 智能蒸 汽 养 护施 工 ， 养 护 全 程 时 间 约 为 5 0 h ， 养 护 过 程 中记 录了起 、 止时间( 见表 1 ) ， 蒸汽养护过程结束后随即 转入了自然养护 ， 累计养护 7 ， 2 8 d后对同条件养护 表 1 蒸 汽 养 护 起止 时 间与 强 度 列表 Ta b l e l Th e l i s t o f t h e S t e a m c u r i n g s t a r t s t o p t i me a nd s t r e ng t h 试块进行了抗压强度检测 ， 结果表明， 采用智能蒸汽 养护施工 ， C 5 0混凝土的 7 d抗压 、 2 8 d抗压强度均 符合规范要求 ， 且因为蒸汽养护施工条件的稳定性 ， 其混凝土强度基本均匀 ， 且无明显外观裂纹产生。 5 应用智能蒸汽养护 系统节能减排分析 5 1智能蒸汽养护耗 能计算 5 1 1 智能蒸汽养护条件 以湖南龙永高速第 2合同段预制梁场3 0 m T梁 养护为列 ， 养护环境温度平均为 5 ， 升温速率为 7 h ， 恒温温度为 6 0， 恒 温养护时间为 3 0 h ， 降 温速率为 3 5 h ， 采用 P C防水保温布覆盖 ， 厚度 5 mm， 导热系数 0 2 2 W ( m K) ， 覆盖棚架尺寸为 2 8 m 宽 ，2 8 11 1高 ，3 0 m T 梁 混 凝 土 体 积 2 7 8 2 m ， 养护棚架 内自由空间为：2 8 X 2 83 0 2 7 8 2=2 07 3 8 m 。 5 1 2 智能蒸汽养护条件下一片 3 0 m T梁蒸 汽养 护 热量 计算 加热混凝土的热量。 QI = p c V ( T h一 )= 2 4 0 0 X 1 0 X 2 7 8 2 ( 6 02 0 )= 2 6 7 0 7 2 0 k J ( 1 ) 式 中 ： P为 混凝 土表 面密 度 ， 2 4 0 0 k g m ； c为混 凝 土比热， k J ( k gK) ； V为混凝土体积 ， H 1 ； 为混 凝土恒温温度 ， ； 为混凝土 浇筑温度 ， ， 实测 平均值。 加热保温层的热量 。 Q 2 =G l c I ( 一 。 )= 2 1 4 1 4 4 X 1 2 6 X ( 6 0 5 )= 7 2 7 0 7 6 k J ( 2 ) 式 中 ： G 。 为 保 温层 质 量 ， k g ； C 为 保 温 层 比热 ，k J ( k g K) ； T 为环境 温度 ， c I = 。 在环境中散失的热量。 传热系数 ： K ： 1 ( 0 0 4 + 0 0 0 5 0 2 0 + 0 1 1 4 ) = 5 5 8 6 W ( n l K) 混凝 土平均 温度 ：r ( 6 0+ 5 ) 2= 3 1 5 Q 3 = A K T I ( 一T a )X 3 6+ A K T 2 ( T h ) 3 6=2 3 1 4 X 5 5 8 6 5 5 X 1 3 X( 3 2 5 5 )X 3 6+2 3 1 4 5 5 8 6 X 3 0 X 1 3 X( 6 05 )X 3 6：1 3 4 5 0 4 5 k J ( 3 ) 式 中 ： A为 混 凝 土 表 面积 ， m ； K传 热 系 数 ， w ( 1 1 1 K) ； 透 风 系 数 ， 取 1 。 3 ； T 。 为 升 温 经 历 的时 间 ， h ； 恒温经 历 的时 间 ， h ； 。 为混 凝土平 均温 度 ， 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 罗卫华 ， 等 ： 混凝土智能蒸汽养护系统在桥梁预制构件 中的应用研究 1 6 1 蒸汽充满 自由空间的热量。 Q 4 =1 2 5 6 =1 2 5 6 2 0 7 3 8= 2 6 0 3 6 9 k J ( 4 ) 式 中 ：V s 为 自由 空 间 ， m ； 1 2 5 6为 每 m 蒸 汽 热 熔 量 。 养护一片 3 0 m梁板需要的蒸汽总热量。 Q=Q I +Q 2 +Q 3 +Q 4 = 4 3 4 8 9 4 2 k J ( 5 ) 5 1 3 以智能蒸汽养护 1片梁耗能分析 理论总能耗： 4 3 4 8 9 4 2 k J ， 智能化蒸 汽产生器 热效 率 为 0 9 5 ， 实 际 能 耗 为：4 3 4 8 9 4 2 0 9 5= 4 5 7 7 8 3 4 k J 。 耗 电量为 ： A=Q1 0 3 ( 3 61 0 6仅 )= 4 3 4 8 9 4 2 1 0 0 0 3 6 0 0 0 0 0=1 2 0 8 k W h ( 6 ) 式 中： 为蒸汽产生器效率系数， 0 9 5 。 S 2 以燃 煤蒸 汽 养护 1片梁耗 能分 析 5 2 1 燃煤蒸汽施工流程 在梁场某一角落设置蒸汽锅炉房 ， 采用立式蒸 汽锅炉 ， 产气量 1 t h ， 蒸汽压力 0 7 MP a ， 饱和蒸汽 温度 1 7 0。并沿梁场每个台座处布置输送管道 ， 锅炉燃煤产生蒸 汽， 热效率为 0 6 0 ， 沿途蒸 汽热损 失 为 0 2 0 。某 片 梁 板 需 要 养 护 时 连 接 该 处 预埋 的 蒸汽出 口， 打开蒸汽锅炉的蒸汽出口， 蒸汽进入养护 棚罩内养护 ， 养护过程 中由人工监测棚罩 内温湿度 并人 工控 制养 护 阶段 ， 必 须 2 4 h有 人值 守 。 5 2 2 燃煤 蒸 汽耗 能分 析 由前述计算已得到养护 1片3 0 m T梁理论总能 耗 ： 4 3 4 8 9 4 2 k J ， 以燃 煤方式 产生蒸汽 ， 锅炉效 率 系数 0 6 ， 管路效率系统 0 8 ， 总能耗为 ： 4 3 4 8 9 4 2 0 6 0 8=9 0 6 0 2 9 6 k J 。 耗煤 量 为 ： B=Q1 0 ( 2 51 0 卢7 )=4 3 4 8 9 4 2 1 0 ( 2 5 0 0 0 0 8 0 6 )=3 1 0 6 k g ( 7 ) 式 中 ： 为锅炉效 率 系数 ， 0 6 0 ； 7为管 路 效 率 系数 ， 0 8 0。 5 3污染 气体排 放 分析 采用智能蒸汽养护使用电热产生蒸汽 ， 养护每 片 3 0 T梁产生 的污染气 体为零。采用 燃煤蒸汽锅 炉产生 蒸 汽 ， 工 业锅 炉 燃 烧 一 吨标 准 煤 产 生 二 氧化 碳 2 6 2 0 k g ， 二氧 化硫 8 5 k g ， 氮氧化物 7 4 k g ， 此 类 有 害气 体 均 是 产 生 P M2 5的 元 凶 。 养 护 1片 梁 板产 生 的有害 气 体 计 算 ： 二 氧 化 碳 8 1 3 7 7 k g ； 二 氧 化硫 ： 2 6 4 k g ； 氮 氧化 物 2 3 0 k g 。 5 4 智能蒸汽养护与传 统燃煤养护节能减排 比较 ( 见 表 2 ) 以湖南龙永高速第 2合同段为列， 整个冬季养 护持续 3个月 ， 每个月生产 3 0片梁 ， 则总共产生有 害气 体 量 为 ：二 氧 化 碳7 3 2 4 t ；二 氧 化 硫 ： 2 3 7 6 0 k g ； 氮氧化 物 ： 2 0 7 0 0 k g 。 表 2智能蒸汽 养护与传统燃煤 养护节 能减排 比较表 Ta b l e 2 Th e En e r g y c o n s e r v a t i o n Emi s s i o ns r e d u ct i o n l i s t o f t he I n t e l l i g e nt s t e a m c ur i n g a n d c o a l s t e a m cu rin g 比较项 目 燃煤蒸汽养护 电热蒸汽养护 比较 注 ： 传统蒸汽养护需要每 天 2人工轮 班 ， 智能蒸 汽养护 可由技 术员兼职。 每天按 0 5 d计。 6 结语 本文针对混凝土传统冬季低温养护不规范 、 不 精细 的现 状 ， 提 出智 能蒸 汽 养 护 技术 用 于预 制 梁 场 混凝土养护的新方法 ， 阐述 了智能蒸 汽养护的技术 原理和该技术在施工现场应用过程及效果 ， 重点对 智能蒸汽养护相比于传统燃煤蒸汽养护节能减排优 势进 行 了深入 分析 ， 得 到了 以下结论 ： 智能蒸汽养护技术的应用通过设备智能 自 控的方式实现了冬季低温蒸汽养护过程智能化 、 精 细化 、 科学化 ， 避免 了人为 因素的不利干扰 ， 减少了 人工 的投 人 7 5 和降低 了劳动强 度 。 智能蒸汽养护相 比于传统燃煤蒸汽养护 ， 其 养护热量利用率更高 ， 热能节能 4 9 5 ， 并实现了 燃煤 蒸 汽养护 二 氧化碳 、 二 氧化硫 、 氮 氧化 物的有 害 气 体 的零排 放 。 智能技术的应用， 系统 自动监控与智能调节 养护棚罩内混凝土的温湿度 ， 保证 了混凝土水化热 的平稳释放 ， 防止了冬季温度骤降等冷冲击的影响 ， 最大 可能 的减少 了温 差裂 缝 、 收缩裂 缝 的出现 ， 且混 凝土强度得以保证 ， 是保证桥梁结构安全性与耐久 性 的有力 手段 。 参考文献 1 王志武 水泥混凝土蒸汽养护 自动控制技术在 长沙湾特大桥 箱梁加丁中的应用 J 公路丁程， 2 0 l 3 ， 3 8 ( 2 ) ： 1 4 21 4 4 2 闵涛 ， 罗亮 ， 夏晚晖 ， 等 水 泥混凝 土智 能养护 系统的设 计与 关键技术研究 J 公路工程 ， 2 0 1 4， 3 9 ( 0 2) ： 1 5 81 6 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 6 2 公路工程 4 0卷 ( 上接 第 1 5 7页 ) 经济效益。再生利用挖方弃碴作 ， 降低约 1 4左右的工程造价。以长 8 0 0 m宽4 0 n l 高 1 5 m 工程为例 ， 相同条件下 ， 较之完全填方的施工方案 ， 抗 滑桩 与格宾 挡墙联 合生 态护坡 可节 约土地 面积 约 1 5 0 0 0 m ， 节 约 路 堤 填 料 约 1 8 0 0 0 m 。工 程 造 价 总体 降低 约 1 6 5万元 。 社会效益。较之传统加筋挡土墙 ， 该工法构 件可 工厂化 生 产 ， 现 场 快 速 拼 装 ， 机 械 化 施 工 速 度 快 ； 联合护坡工艺简单、 操作简便、 施工快捷 ， 可节约 了人力资源 ， 提高了施工效率 ， 还可有效缩短 1 3以 上施工工期 ， 可节约大量人力资源 ， 取得 良好的社会 效 益 。 环保效益。格宾挡墙可呈陡立台阶式， 可减 少削坡土方量和地表破坏 ， 节约填料 、 土地和植被资 源。再利用挖方弃碴 ， 可节约部分天然建材， 保护不 可再 生资 源 ； 同时 ， 格 宾挡墙 石 料孔 隙可植 入土壤 与 植被 ， 利 于边 坡 绿 化 和生 态 恢 复 ； 产 生 了 景 观 和 生 态 、 环保 效益 。 5 结 语 较之传统加筋格宾挡墙护坡方法 ，在陡坡路基 条 件下 联合 抗滑桩 与格 宾高挡 墙进 行生 态护坡 具有 如下 特点 ： 安 全稳定 。格 宾面 板和 加筋 网面无 缝连 接 ， 有效提高了结构整体性与牢固性 ， 可防止外荷载和 其它复杂因素作用产生的结构破坏。 排水顺畅。石料充填而 成的格宾面板排水 性能良好 ， 克服了排水不畅而发生渗透破坏的缺陷， 有效保障了挡土墙长期稳定 。 经济耐久。对地基和石料要求宽松 ， 无需专 设排水结构 ， 有效降低工程 造价。经高尔凡 ( 锌 一 5 铝 一 混 合 稀 土 合 金 ) 镀 层 防 蚀 处 理 而 具 有 耐 久 性 。 生态护坡。挡土墙周围空隙可铺设植生袋， 面板石料孑 L 隙可植人土壤与植被， 利于边坡绿化和 生 态恢 复而形 成生 态护坡 工程 。 施工快 捷。格宾 成品化高 ， 可现 场拼接 安 装； 施工要求较低( 既可完全机械化， 亦可辅以人工 半 机械化 ) ， 施 工简便 快捷 ， 有效缩 短工 期 。 该项施工技术不仅具有技术与经济优势， 还可 再利 用挖 方弃碴 ， 减 少削坡 土方量 和地 表破坏 ， 节 约 填料 、 土地 和 植 被 资 源 ， 产 生 了 社 会 和 生 态 环 保 效 益 ， 具 有 良好 工程应 用 前景和 示范意 义 。 参考文献 1 黄向京 ， 许桂林 ， 杨果林 R o s e n b l u e t h方法 在加筋格 宾挡墙 外 部稳定可靠度分析中的应 用 J 湖 南科技大学学 报 ( 自然科 学版 ) ， 2 0 0 9 ( 4 ) ： 5 6 6 1 2 董海文 ，付贵海 挡土墙排水技术研究 J 公路 ， 2 0 0 7 ( 1 ) ： 58 3 陈华 ，房锐，赵 有明， 等 公路加筋土挡墙病 害及 整治措施研 究公路 。 2 0 0 9 ( 1 2 ) ： 7 3 7 7 4 陈昌富 ， 杜翠翠 ， 张根宝 基 于双参数法 刚性抗 滑桩嵌 固深度 可靠性设计 J 湖南大学学报 ( 自然科学版 ) ， 2 0 1 4( 2) ： 4 0 4 6 5 金爱兵 ， 高永 涛， 孙金海 抗滑桩抗 滑机理 及锚杆抗 滑桩工 程 应用 J 北京科技大学学报 ， 2 0 0 8 ， 3 0 ( 7 )： 7 l O一7 1 3 6 唐晓松 ， 郑颖人 ， 王永 甫 加筋土挡 墙与抗滑 桩联合 支挡 的分 析计算 J ， 土木建筑与环境工程 ， 2 0 1 1 ， 3 3 ( s 2 ) ： 4 2 4 6 7 刘泽， 等 绿色加筋格宾挡墙现场试验研究 J 中南 大学 学报 ( 自然科学版 ) ， 2 0 1 2 ( 2 ) ： 7 0 9 7 1 6 8 杨乃彬 ， 龙浪波 新型绿 色加筋格宾挡墙的特点及其应 用 J 四川建筑 ， 2 0 1 0 ， 3 0 ( 2 ) ： 9 81 0 0 9 彭官友 ， 曾美容 ， 陈双庆 格 宾挡墙 在长沙湘 江大道 护岸_T程 中的应用 J 湖南交通科技 ， 2 0 1 0 ， 3 6 ( 2 ) ： 6 5 6 8 1 O 郑虎 ， 许 凯凯 ， 杨 胜波 加 筋格宾 挡墙 在边坡 工程 中 的应用 J 低温建筑技术 ， 2 0 1 0 ( 2 ) ： 5 75 9 1 1 王维 ， 彭勇登 ， 杜勇立 ， 等 加 筋格宾组 合结 构新技 术丁程应 用研究 J 中外公路 ， 2 0 0 9 ， 2 9 ( 5 ) ： 1 8 2 2 1 2 林宇亮 ， 杨果林 ， 李昀 ， 等 绿 色加筋格 宾挡墙 T程特 性试验 研究 J 岩 土力学 ， 2 0 1 0 ， 3 l ( 1 0 ) ： 3 1 1 33 l 1 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m