東北高寒地區低溫期的預制梁溫控技術

張曉兵

中鐵十六局集團第一工程有限公司 北京 101300

近年來，隨著鐵路、公路、市政等基礎建設在東北、西北地區的大規模開展，時常會遇到工期緊、必須在低溫期施工的情形[1-5]。如何在高寒地區低溫期保質保量且經濟高效地生產混凝土預制件，成為工程施工中必須解決的問題。

作為最重要的混凝土預制件——預應力混凝土箱梁數量大、質量要求高，在高寒區低溫期預制時，需要采取一系列升溫、保溫、調溫等溫控技術措施才能順利進行[6-9]。

本文通過在東北高寒地區安達東、安達西預制梁場冬季施工的溫控技術實踐，較為系統地總結了高寒地區冬季預制梁施工各環節、各階段的溫控技術要點，以為工程界同仁提供參考。

1 預制梁場和預制梁概況

中鐵十六局集團安達東、安達西制梁場位于黑龍江省西南部的安達市境內，龍鳳濕地邊緣。該區具有高緯度、高寒、多風等特點，極端最低溫度為－40 ℃，凍土深度100～270 cm，年氣溫－40～5 ℃的時間長達5個月以上，正常施工期（5～40 ℃）僅6個月。

安達東、安達西制梁場承擔哈（爾濱）—齊（齊哈爾）鐵路客運專線HQTJ-3標段1 110孔箱梁預制任務。梁場采用縱列式布置（圖1），2個制梁場各設置11個制梁臺座，制梁臺座縱向錯位布置，每個制梁臺座對應7個存梁臺座，共77個，設計每天最大出梁量為3孔。梁場設每小時生產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（含蒸養設備）

橋梁為預制后張法預應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構

2 升溫保溫技術

根據施組安排，制梁工期僅2年，一部分預制梁的生產必須在低溫期進行。在低溫下預制梁，需要采取升溫、保溫措施。

本項目采取燃煤鍋爐加熱水產生的蒸汽對混凝土組成材料和新澆筑梁進行升溫，并通過溫度傳感檢測反饋，控制蒸汽量，實現精確升溫控制。

2.1 鍋爐選型及管道配置

按每天生產1榀梁計算，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，梁場設置2臺4 t臥式內燃鏈條爐，最大壓力1.25 MPa，滿足正常施工需要。

2臺鍋爐蒸汽通過φ140 mm無縫承壓鋼管匯至分汽缸，統一輸出鍋爐房，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和制梁供熱區。管道外露部分采用巖棉包裹，外用鍍鋅鐵皮包裹嚴密。

制梁區主管道分南北兩支，貫通所有制梁臺座，從腹板下穿過，可節約管道長度、減少蒸養的熱損失、提高蒸汽利用率。每個制梁臺座內設置閥門，控制該臺座總體供汽量。拌和站供熱區鍋爐管道終點通入蓄水罐，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

梁場設置25 m×25 m保溫倉3個，分別存儲細骨料、粒徑5～10 mm粗骨料、粒徑10～20 mm粗骨料，存料滿足每天2榀梁生產所需數量。在每個保溫倉內設隔墻，分為2個區，按先篩洗、先檢測、先使用的原則安排施工。

冬期施工期間環境溫度較低，根據熱工計算，混凝土拌和物出機溫度大于10 ℃的，需要將砂石料升溫至8～9 ℃。

保溫倉采用鋼架結構，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，用玻璃膠封閉嚴密，減少透風。向陽側及頂部每個倉設置4個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節約了用電成本。經試驗，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、保溫采用蒸汽地熱加熱和暖氣片加熱相結合的方法。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；地熱采用φ140 mm管道弓形布置（圖3），地熱溝（250 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。

在每個加熱區均設置控制流量的閥門和電子數顯溫度計（DTM-280LCD），可隨時查看砂石料及棚內溫度，根據各區倉內存料量及溫度調節該區供汽量，升溫時間在5～6 h。

圖3 保溫倉地熱管道布置

2.2.2 拌和用水加熱

水井及供水設施設置在鍋爐房內，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，影響正常生產。

2個拌和樓各配置1個容積為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，用水量可滿足日生產2榀梁的需要。水罐上安裝水位指示器和電子數顯溫度計（DTM-280LCD），隨時檢測水量、水溫。加熱采用蒸汽直接送入水罐的方式，必要時用煤進行輔助加熱，在水溫達到要求后，可適當減小送汽量，以保證水溫不低于要求。

在－10 ℃環境下生產混凝土，拌和用水加熱至50 ℃即可滿足要求，最高不超過60 ℃，加熱時間為5～6 h。

生產每榀梁骨料、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

外加劑儲料罐置于彩鋼夾心板制作的室內，四周封閉嚴密，管道用保溫巖棉包裹嚴密，在室內設置電子數顯溫度計（DTM-280LCD），溫度低于3 ℃時用電暖氣加熱，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零下的情況下，溫度會持續降低，應通過用棉篷布包裹罐體，以減少熱量的散失。

2.3 混凝土生產設備保溫

2.3.1 混凝土攪拌設備的保溫

混凝土攪拌機、砂石料傳送帶及操作設備均置于彩鋼板房內，嚴密封閉。

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

2.3.2 混凝土運輸設備的保溫

混凝土運輸車常年采用棉篷布包裹罐體，減少混凝土在運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，厚3 cm。為保證混凝土出機溫度滿足要求，拌和物入模溫度應不小于5 ℃。

2.3.3 制梁臺座的保溫設施

制梁臺座模板腹板由用空心磚砌筑的并符合相關質量標準的保溫墻全封閉。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對保溫墻的影響。向陽面設置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，增加墻體強度和密實性，從而減小熱量散失。給水管路引至跨中頂板，方便頂板澆水養護。

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

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

冬季施工期間，該地區風力較大，為了減少混凝土澆筑期間因空氣流動造成的鋼筋、模板、混凝土熱量的損失，對梁頂高1 m范圍用棉篷布進行圍擋，降低作業環境的風速。

每個制梁臺座設置1個分汽缸，控制各部位供汽量大小。保溫墻內兩側各設置1根保溫管道和1根加熱管道，各安裝1臺電子數顯溫度計（DTM-280LCD），養護人員在現場巡視，根據環境溫度、棚內溫度及養護所需溫度隨時調節供汽量大小。

內腔設置1根加熱管道，內模安裝完畢后，用軟管連接內模內的加熱管道，對腔內模板、混凝土進行加熱。底板下部設置1根加熱管道，對制梁臺座下部進行加熱，保證底板下部的養護溫度符合要求（圖4）。

圖4 制梁臺座保溫設施

3 調（控）溫技術

從生產的各個環節入手，采用無線測溫檢測儀（HCTW20）、電子數顯溫度計（DTM-280LCD）聯合控制蒸汽使用量，對特定環境溫度條件下的蒸汽使用量及預制梁體混凝土芯內溫度與混凝土表面的溫差、混凝土表面溫度與保溫棚內環境溫度的溫差（規范要求為15 K）進行控制，給出環境溫度在0～5 ℃和－10～0 ℃區間內的蒸汽使用量。

3.1 生產階段溫度控制措施

冬期施工期間，在鋼筋安裝施工完畢后，吊裝蒸養棚罩并安裝端部棉篷布，打開加熱管道，對鋼筋、模板進行預熱4～6 h，預熱的結果以溫度達到5 ℃以上、不超過10 ℃為宜。

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

3.2 養護溫度控制措施

1）混凝土澆筑完成且二次收面后立即加蓋蒸養棚罩，開始蒸汽養護的靜停階段，適當減少供汽量，隨時監測混凝土表面、芯部溫度及蒸養棚內溫度，使棚內溫度保持在5～10 ℃，靜停階段一般為4～6 h。當表面溫度與棚內溫度溫差大于10 K時，進入蒸汽養護的升溫階段。

2）蒸汽養護的升溫階段，打開加熱管道閥門，增加送汽量提高蒸汽產生速度，使棚內溫度逐步高于梁體表面溫度。升溫時間一般控制在4～6 h，升溫速度為5 K/h左右，蒸汽用量約0.4 t/h。一般在棚內溫度達到要求溫度（一般為30 ℃）后，加熱管道停止供汽，進入恒溫養護階段。該階段要進行澆水養護，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，保證棚內溫度處于平衡狀態。

4）恒溫階段中期，梁體芯部溫度在混凝土入模后30～40 h內達到峰值，之后混凝土芯部溫度會緩慢降低。其間，混凝土熱量散失較慢，芯部溫度在高位持續6～10 h，適當提高棚內溫度，使混凝土表面與芯部溫差小于15 K。混凝土由于水化產生的熱量積累，芯部溫度逐步升高，必要時應對混凝土進行適當的澆水降溫，以降低混凝土芯部、表面和環境之間的溫差。

5）恒溫階段后期隨著芯部溫度降低，應減少保溫管道送汽量，降低棚內溫度，使表面溫度隨著芯部溫度逐步降低。當混凝土表面溫度降低至棚內溫度時，開始進入恒溫階段后期，控制要點是緩慢停汽、均勻降溫，通過減少臺座供汽量，達到緩慢降溫目的。主要監控點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，進入蒸汽養護降溫階段。

6）降溫階段停止對蒸養棚供汽，通過開門、打開端頭篷布的方法，使冷空氣緩慢進入制梁臺座，逐步降低棚內溫度，達到降低混凝土表面、芯部溫度的目的，保證混凝土芯部與表面，表面與環境溫差均小于15 K。降溫時間控制在4～6 h，在環境溫度低于－3 ℃時，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

根據施工實際，總結出在不同環境溫度下各工序的升溫時間、所需要達到的溫度，以滿足施工需要的最低標準。依據施工采用的保溫升溫設施，根據理論公式計算蒸汽用量，0～5 ℃和－10～0 ℃區間內生產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。根據測溫系統的溫度反饋，經過反復試驗總結，在每天生產1榀梁的情況下，確定出在0～5 ℃和－10～0 ℃區間內的生產1榀梁的蒸汽實際使用量分別為9.6 t和16 t，實際耗煤量分別為1.2 t和2 t。因此，理論計算對熱損失系數取值偏大，實際保溫效果好于預期估計。

3.4 預制梁溫控實例

安達東制梁場預制箱梁ADD-058#梁澆筑日期為2010年11月5日，養護期間室外溫度最低－6 ℃，最高5 ℃，由各截面在養護期內各部位的溫度平均值變化曲線（圖5）可以發現，溫度控制完全滿足《高速鐵路預應力混凝土預制梁技術條件》要求。經96 h蒸汽養護后，混凝土強度為45.6 MPa，滿足初張拉要求。

圖5 ADD-058#箱梁預制養護期間溫度變化

4 技術經濟分析

采用鍋爐蒸汽保溫升溫、蒸汽養護技術結合無線測溫檢測儀（HC-TW20）、電子數顯溫度計（DTM-280LCD）聯合控制蒸汽大小，混凝土芯內與表面的溫度差控制較好，早期強度上升較快。除此之外，利用蒸汽養護后，早期強度上升較快，96 h即可以達到初張拉要求，增加了制梁臺座的周轉次數，提高了機械設備工裝的有效利用率，降低了施工成本，提高了施工進度。

為顯示蒸汽養護施工方案的成本優越性，表1將其與自然養護施工方案進行了對比。蒸汽養護施工方案主要節約人工費用和提高模板使用率，制梁時間延長3個月，即每年的4月份、10月份、11月份可施工。

應用蒸汽養護技術，將混凝土養護時間由7 d縮短到4 d，大大縮短了單片梁的預制循環時間，縮短在存梁區的等強時間，保證工程按期完成。而自然養護施工時，在溫度低于15 ℃時，混凝土強度上升緩慢，要按工期如期完成，需擴建梁場，增設40%的制、存梁臺座，提梁機軌道和龍門吊軌道。

由表1可知，蒸養方案節約投資783.5萬元，因此采用蒸養方案有巨大的技術經濟優勢。

表1 蒸汽養護施工方案和自然養護施工方案的經濟比較

5 結語

采取鍋爐蒸汽對混凝土原料和生產設備升溫，使用保溫砌塊和蒸養棚保溫，并結合無線測溫儀調溫等一系列溫控措施，實現了在高寒地區低溫期高質量低成本預制混凝土梁的目的，成功延長施工期3個月，取得了良好的技術經濟效益。