充气塑料薄膜养护棚的设计制作与使用效果分析

时间：2024-08-31

臧雪猛郭子龙程湘伟程远兵周铭辉杜晓

1. 华北水利水电大学河南郑州 450011；2. 中天建设集团有限公司河南郑州 450000

为加速混凝土凝结硬化、缩短脱模时间、加快模具周转、提高生产效率和预制构件质量，预制构件厂通常对预制混凝土构件进行蒸汽养护（简称“蒸养”）。文献[1-2]研究了在最短的时间内和最少的蒸汽用量情况下，蒸养各阶段的时长和恒温温度的高低。文献[3-4]通过对比蒸养和标准养护的混凝土抗压测试结果，研究了蒸养制度对混凝土早期强度发展的影响。文献[5]分析了在预制混凝土构件生产过程中，蒸养温度的作用可能引起混凝土出现裂缝的问题，通过观察和经验总结，分析了裂缝产生的原因，并在此基础上提出了针对预制楼梯构件裂缝的防控措施。文献[6]针对赤峰清河大桥工期要求短的特点，设计了一种多功能整体式保温棚，该保温棚具有保温效果好、操作方便、可反复周转使用、方便吊装移位等优点，保证了该工程桥梁墩柱冬季施工的进度和质量目标。文献[7]对冬季浇筑的混凝土桥梁采取新型保温措施，该保温方法具有节约材料、保温性能优良等特点。在哈尔滨站改造工程中，由于工期要求，文献[8]提出了采取保温棚法的施工技术方案，通过热传导理论分析了大空间保温棚的热量计算及能源消耗，总结出一套“寒冷地区大空间混凝土结构冬季施工保温措施”，可以应用到北方地区混凝土的冬季施工中。文献[9]以济青高铁邹淄特大桥跨庆淄路100 m连续梁桥的冬季施工为依托，从搭设保温棚、安装蒸汽发生器、安装HC-TW80无线测温仪等方面，阐述了连续梁冬季施工的加热保温措施，调整了梁体养护温度等工艺手段，既保证了施工质量又加快了施工进度。文献[10]在冬季箱梁桥梁施工过程中采用聚氨酯保温材料保温，对喷涂聚氨酯，覆盖薄膜、棉被，保温棚这3种保温方式的保温隔热效果进行了养护期混凝土回弹强度对比以及经济效益对比，结果显示聚氨酯保温材料具有更好的保温效果。

为降低能源消耗，减少并充分利用蒸汽用量，本文依托预制构件生产厂，探索研究预制构件辅助采用保温棚的养护方法，自行研制了一种充气塑料薄膜养护棚，并进行了与完全蒸养条件下的构件养护温度、构件脱模强度和成本等方面的测试和对比分析以及生产实践验证。研究结果表明，充气塑料薄膜养护棚的使用效果较好，能节约成本，对环境无污染，为预制构件厂的保温养护提供了一种新的技术方法。

1 充气塑料薄膜养护棚的制作

1）养护棚应根据预制构件模台的长宽尺寸和需养护预制构件的大小形状等进行设计和制作。养护棚覆盖体采用重叠的3层塑料薄膜，薄膜四周用塑料专用胶水黏结，黏结宽度为3 cm。3层薄膜中的相邻薄膜，沿长度方向间隔50 cm、沿宽度方向间隔5 cm，形成间断的密封条。在薄膜覆盖体的两侧各安装1个充气阀，用于给保温薄膜充入空气。覆盖体可以根据构件尺寸和形状，制作成不同的大小和形状。养护棚覆盖体的构造如图1所示。

2）安装充气阀。充气阀安装时要便于给覆盖体充气，一般选择安装在保温薄膜距离边20 cm处，用工具把充气阀拧紧，不漏气即可。

3）保温薄膜密封。密封处用塑料专业胶水涂抹，涂胶宽度3 cm，放置1 d，确保完全凝固。密封时沿长度方向分段密封，四周要密封严密，确保不漏气，中间各段点式密封，以便于空气流通。

4）养护棚支撑钢架制作和组装。根据预制构件尺寸，采用CAD软件设计养护棚支撑钢架。根据设计图纸制作加工出符合要求的养护棚钢架（图2）。

图1 养护棚覆盖体的构造

图2 养护棚钢架制作和组装

5）养护棚组装和充气。将做好的保温薄膜覆盖体放置在养护棚钢架上，完成养护棚组装。覆盖体之间的接缝用5 cm宽魔术贴粘接，确保接缝处两面的魔术贴完全重合，以保证密封保温效果。保温棚与预制构件之间的间隙为4 cm±1 cm，以便构件均匀受热；养护棚充过气后的厚度保持为10 cm±2 cm。

2 冬季蒸养和养护棚养护条件下的构件强度对比

蒸养一般分为静养、升温、恒温、降温这4个阶段。

静养阶段：该阶段可以使预制混凝土构件获得一个初始强度，用于抵抗后续升温过程中产生的各种破坏应力。随着预养期的增加，混凝土的初始强度增加，养护后的强度提高，但是过长的预养期会增加蒸养的总时长，降低养护效率，本试验蒸养的静养时间为2 h。

升温阶段：该阶段将不可避免地在预制混凝土构件内外形成温度梯度，在温度梯度的影响下，预制混凝土构件内部的液态、气态游离水分将发生膨胀和迁移，在构件内部形成“通道”，这些“通道”最终形成孔隙，影响构件的最终养护强度，升温越快，这种破坏效应越明显，本次升温时间选择3 h。

恒温阶段：该阶段的温度过低，不利于混凝土强度的快速提高；温度过高，会影响混凝土内部水化热的释放，容易造成因温度应力引起的裂缝。而恒温时间和该阶段温度有关，温度越高所需要的时间越短，反之则需要更长的恒温时间。本次恒温温度40 ℃，恒温时间6 h。

降温阶段：该阶段关键在于控制降温速度，降温过快会导致混凝土构件内外温差过大，容易在构件表面形成裂缝；降温速度过慢，会增加整个蒸养周期的时长，降低蒸养效率。本次降温时间为2 h，既有利于保证混凝土力学性能，又能顺利脱模。

蒸养最高温度40 ℃，通入蒸汽时长8 h，需1.2 t水。18点开始通蒸汽直到次日2点，之后关掉蒸汽，13 h后的出口温度为30.7 ℃。

养护棚养护采取先升高棚内环境温度至40 ℃，利用养护棚的保温性能，维持棚内温度，降低热量损耗。18点到20点通入第1次蒸汽，即通2 h蒸汽，需0.3 t水。第2次通蒸汽为次日1点至3点，通入2 h蒸汽，需0.3 t水，13 h后的出口温度为25.3 ℃。

图3为冬季蒸养条件下与养护棚养护条件下的实测温度变化情况。

图3 冬季蒸养与养护棚养护的温度变化情况

蒸养使构件处于一个较高的温度环境，能使混凝土更快地凝结硬化，但是蒸汽用量多。养护棚从升温至35 ℃开始，随着时间的延长，棚内温度保持稳定，从数据看保温效果明显，蒸汽用量少，能持续保持预制构件养护所需的温度。

试验方法：在养护条件不同的前提下，保持砂率为45%，坍落度为150 mm±30 mm，水胶比为0.4等因素相同，制作了2组C30试块。试块为100 mm×100 mm×100 mm的三联模，抗压强度试验值需要乘以因数0.95，以得到抗压强度的标准值。每种条件做9组试块，分别测出了龄期12 h、14 h、16 h、18 h、20 h、1 d、7 d、14 d、28 d的构件强度，如图4所示。

图4 冬季蒸养与养护棚养护试件的强度对比

本次试验所处地区的冬季年平均气温为－1～7 ℃，从图4可以看出，2种条件下，12～28 d内试块强度逐步增加，蒸养和养护棚养护条件下整体对应的强度相差不大。

蒸养条件下，12 h、14 h、16 h构件强度增长速度快，18 h、20 h、1 d均匀增长，说明蒸养为构件提供的温度较为稳定，更适合构件强度增长，强度增长也会更均匀。

养护棚养护条件下，构件12 h、14 h、16 h、18 h、20 h、1 d的强度增长速度较快，强度较蒸养略低，说明前期保温棚保温效果好，热量损失较少，棚内维持较为稳定的温度，有利于混凝土的水化反应，构件强度也随之增长。

根据强度变化曲线来看，冬季时养护棚养护可以辅助蒸养，能满足脱模要求以及保证构件28 d强度，符合实际生产要求。

3 春秋季蒸养和养护棚养护条件下的构件强度对比

春秋季相对温度较高，棚内温度达到35 ℃，即可达到脱模强度要求，比冬季达到相同温度时的蒸汽用量少，蒸养最高温度35 ℃，通入蒸汽时长4 h，需0.6 t水。18点开始通蒸汽到22点，之后关掉蒸汽。满足脱模强度要求，13 h后的出口温度为30.3 ℃。

养护棚养护采取先升高棚内环境温度至35 ℃，利用养护棚的保温性能，维持棚内温度，降低热量损耗。18点到20点通入蒸汽，即通2 h蒸汽，需0.3 t水。13 h后的出口温度为26.9 ℃。

图5为春秋季蒸养条件下与养护棚养护条件下的实测温度变化情况。

试验方法：在养护条件不同的前提下，保持砂率为45%，坍落度为150 mm±30 mm，水胶比为0.4等因素相同，制作了2组C30试块。每种条件做9组试块，分别测出了龄期12 h、14 h、16 h、18 h、20 h、1 d、7 d、14 d、28 d的构件强度，如图6所示。

图5 春秋季蒸养与养护棚养护的温度变化情况

图6 春秋季蒸养与养护棚养护试件的强度对比

本次试验所处地区的春秋季年平均气温10～22 ℃，温度相对较高，所以2种方式在保证构件16 h脱模强度的前提下，相应减少蒸汽用量来节约成本。

从图6可以看出，蒸养强度比养护棚养护略高，两者整体的强度发展趋势差别不大。后期强度增长稳定。

根据强度变化曲线来看，春秋季时养护棚养护可以替代蒸养，能满足脱模要求以及保证构件28 d强度，符合实际生产要求。

4 冬季、春秋季蒸养与养护棚养护的经济性对比

单个养护棚用料包括：宽5 m、长7 m的规格为14s（厚0.14 mm）的薄膜3层，需要15张，养护棚需要屋形薄膜（可裁剪出）6张；充气阀14个；魔术贴（5 cm宽）需要50 m；塑料专用胶水6 kg；40 mm×40 mm方形钢管按图纸需求配备。经计算，单个养护棚制作成本为1 200元，一个养护棚可以用5 a。

根据公司一年的用电情况，电费平均可以按照0.9元/（kW·h）计算，蒸汽锅炉功率108 kW，额定蒸发量0.15 t/h，一个月按30 d计算。

4.1 冬季蒸养与养护棚养护的经济性对比

经统计，冬季蒸养条件下，每月蒸汽用水量为36 t（费用为23 328元），棚布50 m2（摊销费用为40元），养护人工1人（工资为500元），共计23 868元；养护棚养护条件下，每月蒸汽用水量为18 t（费用为11 664元），养护棚长80 m（摊销费用为240元），充气设备摊销230元，养护人工1人（工资为500元），共计12 634元。由此可知，冬季条件下，养护棚辅助蒸养条件比蒸养条件每月省11 234元。

4.2 春秋季蒸养与养护棚养护2种条件下的经济性对比

经统计，春秋季蒸养条件下，每月蒸汽用水量为18 t（11 664元），棚布50 m2（摊销40元），养护人工1人（500元），共计12 204元；养护棚养护条件下，每月蒸汽用水量为9 t（5 832元），养护棚长80 m（摊销240元），充气设备摊销230元，养护人工1人（500元），共计6 802元。由此可知，春秋季条件下，养护棚辅助蒸养条件比蒸养条件每月省5 402元。