地鐵車站裝配式構(gòu)件蒸汽養(yǎng)護(hù)工藝探討

袁江斌

（中鐵四局集團(tuán)上海工程有限公司，上海）

前言

在裝配式混凝土構(gòu)件生產(chǎn)中，蒸汽養(yǎng)護(hù)有利于提高模具及臺(tái)座的周轉(zhuǎn)率、提高工藝工裝設(shè)備的使用率及生產(chǎn)效率、縮短生產(chǎn)周期，并有利于降低產(chǎn)品成本[1]。作為預(yù)制混凝土構(gòu)件的重要應(yīng)用場(chǎng)景，地鐵車站裝配式構(gòu)件的廣泛應(yīng)用較大地提高了地鐵車站的施工效率，而混凝土養(yǎng)護(hù)是裝配式構(gòu)件生產(chǎn)過(guò)程中的重要一環(huán)，其主要目的提供合適的環(huán)境讓混凝土中的水泥能夠順利地進(jìn)行水化反應(yīng)，以此保證混凝土結(jié)構(gòu)獲得設(shè)計(jì)所需的性能指標(biāo)。

混凝土養(yǎng)護(hù)主要包括對(duì)其所處環(huán)境濕度、溫度和壓力的控制，養(yǎng)護(hù)制度的不同直接影響混凝土微結(jié)構(gòu)的形成與穩(wěn)定性，對(duì)混凝土質(zhì)量至關(guān)重要[2]。根據(jù)目前施工工藝現(xiàn)狀，預(yù)制混凝土養(yǎng)護(hù)技術(shù)主要分為自然養(yǎng)護(hù)、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)以及蒸汽養(yǎng)護(hù)。在自然養(yǎng)護(hù)（氣溫大于5℃的自然環(huán)境）和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)（溫度20 ℃，相對(duì)濕度60%）的條件下，構(gòu)件混凝土前期的強(qiáng)度成長(zhǎng)較慢，但是在蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下，構(gòu)件混凝土前期的強(qiáng)度成長(zhǎng)較快，可以縮短預(yù)制周期，提高模具的周轉(zhuǎn)率和生產(chǎn)設(shè)備的利用率。在此背景下，地鐵車站裝配式構(gòu)件一般采用蒸汽養(yǎng)護(hù)的方式進(jìn)行。

1 地鐵車站裝配式構(gòu)件總體情況

如圖1 所示，該裝配式車站斷面主要由A、B、C、D、E 五個(gè)預(yù)制節(jié)塊拼裝而成，塊與塊之間縱向接頭通過(guò)定位銷棒來(lái)進(jìn)行定位和吊裝就位，并鎖緊相應(yīng)位置的螺栓；環(huán)與環(huán)之間的環(huán)向接頭，通過(guò)縱向平移千斤頂及龍門(mén)吊進(jìn)行對(duì)接、合攏，并通過(guò)縱向接力式鋼棒逐環(huán)張拉鎖緊。通過(guò)這種拼裝技術(shù)，能夠從根本上解決拼接錯(cuò)位問(wèn)題，減少了對(duì)拼接裝配式構(gòu)件的測(cè)量工作，從而提高拼裝效率及精度。

圖1 地鐵車站裝配式構(gòu)件結(jié)構(gòu)示意

2 蒸汽養(yǎng)護(hù)工藝研究目的及思路

混凝土因其自身的物理特性決定了它的熱傳導(dǎo)性能差、方向性差，使得地鐵車站裝配式構(gòu)件在蒸汽養(yǎng)護(hù)過(guò)程中會(huì)表現(xiàn)出很大的溫度滯后效應(yīng)，形成預(yù)制構(gòu)件溫度場(chǎng)。

由于E 構(gòu)件屬于疊合薄板，溫度場(chǎng)均勻，溫度梯度問(wèn)題基本可以忽略，故不在此進(jìn)行研究。A、B、C、D構(gòu)件截面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，又有閉合截面特有的框架約束作用，溫度分布最復(fù)雜，由于它們特有的空腔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致熱傳導(dǎo)更慢，溫度效應(yīng)滯后更明顯。本文以C、D 構(gòu)件為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)裝配式地鐵預(yù)制構(gòu)件蒸汽養(yǎng)護(hù)過(guò)程的溫度場(chǎng)分析，掌握構(gòu)件在蒸汽養(yǎng)護(hù)過(guò)程中的溫度場(chǎng)情況以及溫度沿構(gòu)件截面的分布規(guī)律，對(duì)有效控制溫度裂縫有重要參考意義。

首先通過(guò)預(yù)制構(gòu)件廠現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得出蒸汽養(yǎng)護(hù)過(guò)程中構(gòu)件的溫度變化，再通過(guò)ANSYS 等有限元軟件對(duì)蒸汽養(yǎng)護(hù)工況進(jìn)行模擬，最后得出最優(yōu)理論蒸汽養(yǎng)護(hù)參數(shù)。

3 蒸汽養(yǎng)護(hù)參數(shù)假設(shè)

3.1 現(xiàn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)制度

目前該地鐵車站裝配式構(gòu)件廠采用的蒸汽養(yǎng)護(hù)模式分為靜置、升溫、恒溫以及降溫四個(gè)階段，并對(duì)每個(gè)階段的溫度及時(shí)間做了規(guī)定，蒸汽養(yǎng)護(hù)過(guò)程中在裝配式構(gòu)件表面、芯部以及蒸養(yǎng)工位預(yù)埋溫度監(jiān)測(cè)傳感器，用以溫度數(shù)據(jù)的測(cè)量與輸出。表1 為該裝配式地鐵車站預(yù)制構(gòu)件廠現(xiàn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)制度。

表1 裝配式構(gòu)件廠現(xiàn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)制度

3.2 現(xiàn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)制度效果分析

采用該蒸汽養(yǎng)護(hù)制度進(jìn)行裝配式構(gòu)件養(yǎng)護(hù)時(shí)，通過(guò)溫度監(jiān)測(cè)傳感器采集輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在升溫階段末端和降溫階段，會(huì)出現(xiàn)混凝土芯部溫度超標(biāo)的現(xiàn)象，具體蒸汽養(yǎng)護(hù)溫度曲線見(jiàn)圖2。

圖2 地鐵車站裝配式構(gòu)件廠蒸汽養(yǎng)護(hù)曲線

為避免預(yù)制構(gòu)件因芯部溫度過(guò)高導(dǎo)致內(nèi)外溫差過(guò)大，從而產(chǎn)生混凝土裂縫的情況，同時(shí)也防止構(gòu)件因恒溫溫度過(guò)高導(dǎo)致強(qiáng)度缺失現(xiàn)象，所以應(yīng)提出一組更為合理的蒸汽養(yǎng)護(hù)參數(shù)，應(yīng)用于地鐵車站裝配式構(gòu)件的蒸養(yǎng)工藝中，保證養(yǎng)護(hù)質(zhì)量。

根據(jù)相關(guān)混凝土預(yù)制構(gòu)件蒸汽養(yǎng)護(hù)的研究[3]，采用“長(zhǎng)靜置、緩升溫、低恒溫、慢冷卻”的蒸汽養(yǎng)護(hù)模式從而對(duì)減小預(yù)制構(gòu)件的變形、保證混凝土強(qiáng)度等有良好的控制作用。我們?cè)诖嘶A(chǔ)上，提出另外一種更為溫和的蒸汽養(yǎng)護(hù)模式的假設(shè)：“階段性靜置、低速升溫、階段性降溫”的方式控制地鐵車站裝配式構(gòu)件的蒸汽養(yǎng)護(hù)。如下是養(yǎng)護(hù)的具體參數(shù)，養(yǎng)護(hù)溫度示意可見(jiàn)圖3。

圖3 蒸汽養(yǎng)護(hù)參數(shù)曲線

3.3 蒸汽養(yǎng)護(hù)參數(shù)假設(shè)

3.3.1 靜置階段

（1） 以25 ℃開(kāi)始靜置，靜置時(shí)間6 h；

（2） 以10 ℃/h 升溫1 h，升溫后環(huán)境溫度為35℃；

（3） 以35 ℃靜置6 h。

3.3.2 升溫階段

（1） 35 ℃→45 ℃，升溫速率5 ℃/h，升溫時(shí)間1 h；

（2） 45 ℃→55 ℃，升溫速率5 ℃/h，升溫時(shí)間1 h。

3.3.3 恒溫階段

恒溫溫度55 ℃，恒溫時(shí)間11 h。

3.3.4 降溫階段

（1） 55 ℃→45 ℃，降溫速率10 ℃/h，降溫時(shí)間1 h；

（2） 以45 ℃靜置1 h；

（3） 45 ℃→35 ℃，降溫速率10 ℃/h，降溫時(shí)間1 h；

（4） 以35 ℃靜置1 h；

（5） 35 ℃→25 ℃，降溫速率10 ℃/h，降溫時(shí)間1 h；

（6） 以25 ℃靜置1 h。布，使其在各個(gè)養(yǎng)護(hù)階段內(nèi)外部溫度相對(duì)均勻，并且溫度差距符合相關(guān)規(guī)范的要求。這種控制方式可以有效地避免預(yù)制構(gòu)件在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)裂紋等情況，從

4 蒸汽養(yǎng)護(hù)仿真分析

本次研究中采用有限單元法對(duì)溫度場(chǎng)分析計(jì)算。有限單元法在計(jì)算溫度場(chǎng)時(shí)，把結(jié)構(gòu)劃分為無(wú)數(shù)個(gè)單元和節(jié)點(diǎn)，來(lái)表示單元場(chǎng)函數(shù)的分布規(guī)律。在有限元計(jì)算時(shí)，利用空間變分原理，將熱轉(zhuǎn)化為變分的極值問(wèn)題，進(jìn)而進(jìn)行有限單元法求解。因此，有限單元法將復(fù)雜的熱分析問(wèn)題簡(jiǎn)單化（見(jiàn)圖4～圖10）。

圖4 以25 ℃靜置6 h 結(jié)束后結(jié)果

圖5 升溫至35 ℃并靜置6 h 結(jié)束后結(jié)果

圖6 以10 ℃/h 升溫2 h 結(jié)束后結(jié)果

圖7 以55 ℃恒溫11 h 結(jié)束后結(jié)果

圖8 以10 ℃/h 降溫1 h，并在45 ℃恒溫1 h 結(jié)束后結(jié)果

圖9 以10 ℃/h 降溫1 h，并在35 ℃恒溫1 h 結(jié)束后結(jié)果

圖10 以10 ℃/h 降溫1 h，并在25 ℃恒溫1 h 結(jié)束后結(jié)果

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)ANSYS 仿真結(jié)果的分析，可以得出以下結(jié)論：本文所提出的蒸汽養(yǎng)護(hù)參數(shù)能夠有效地控制預(yù)制構(gòu)件的溫度場(chǎng)分而提高構(gòu)件的強(qiáng)度和耐久性。此外，本文的研究成果還為預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)和應(yīng)用提供了一種新的、可行的蒸汽養(yǎng)護(hù)方法，具有一定的實(shí)用價(jià)值和推廣意義。