地铁管片蒸汽养护技术及其改进？

根据目前地铁管片蒸汽养护技术，分析了蒸汽养护对地铁管片混凝土强度的影响。针对目前地铁管片蒸汽养护能耗大、时间长的现象，提出了改进途径。

0的前言

管片是一种预制混凝土衬砌(通常由若干片按照一定方式拼装成环)，主要用于修建地铁或大型污水管道等。在隧道开挖过程中，管片主要起支撑和防水作用。

蒸汽养护是利用外加热源加热混凝土，加速水泥水化反应和内部结构形成，从而加速混凝土硬化的一种方法，目的是缩短模板周转周期，提高产量。地铁管片的养护方式一般是常压蒸汽养护，养护制度基本分为预养护(Y)、加热(S)、恒温(H)、冷却(J)四个阶段。

目前地铁管片蒸汽养护过程中存在的主要问题有:养护期间，罩内空气的热交换强度不够，对于一些较大的管片，容易造成同一管片不同部位受热不均匀；蒸汽能量利用率低，能耗高；目前地铁管片蒸汽养护往往采用线性加热方式(即以一定的升温速率升至最高温度)，存在养护时间长的缺点。

通过养护的4个阶段，分析了蒸汽养护对管片混凝土强度的影响因素，并对养护制度的改进提出了建议。

1地铁管片维修技术及各阶段对地铁管片的影响。

1.1潜伏期

一般来说，是指地铁管片浇筑成型到供暖前静止停放时间的这段时间。预养护阶段的作用是在热养护开始前提高水泥的水化程度，使混凝土具有必要的初始结构强度，从而增强混凝土在加热期对结构破坏的抵抗能力。混凝土制品预养护时间越长，混凝土的初始结构强度越大，蒸汽养护后混凝土制品的内部损伤越小。但预固化期不宜过长，否则会影响生产周期。这里有一个最佳的预固化期。著名混凝土专家吴忠伟教授指出，最佳预养护期是混凝土强度达到0.39 ~ 0.49 MPa所需的时间[1]。

1.2采暖期

固化设备中介质的温度从初始温度上升到恒温的时间称为加热期。混凝土的结构破坏主要发生在加热阶段，主要表现为粗孔体积增大，气液相数量增多。升温速度越快，对混凝土的损伤越大。地铁管片养护升温速度不超过25℃/h，最高温度不超过55℃。

1.3恒温周期

恒温期是混凝土强度的主要增长期。混凝土在恒温下的硬化速度取决于水泥种类、水灰比和恒温条件。影响恒温时间的因素有水泥品种、水泥强度等级、预养护时间、升温速率和恒温[1]。水灰比越小，混凝土硬化越快，恒温时间越短。恒温时间不一定好，可能会出现强度波动。

1.4冷却期

介质温度从恒温下降到产品允许提升温度的时间称为冷却期。降温期间，地铁管片内部水分蒸发，同时产生收缩和拉应力。如果降温速度过快，地铁管片会产生过大的收缩应力，导致地铁管片表面出现裂缝、疏松等结构性破坏，甚至引发质量事故。冷却期间的结构损伤与冷却速度、混凝土强度、产品的表面模量(表面积与体积比)和钢筋有关[1]。强度低、表面模量小、增强体少的产品要慢慢冷却。有关最大冷却速度，请参考表1。

2影响蒸汽养护地铁管片强度的因素

2.1水泥矿物组成

水泥中C3S在水化初期水化速度较快，C3S含量在45% ~ 60%之间，有利于管片初始结构的形成，可缩短管片预养护时间。在蒸汽养护过程中，水泥中C2S的强度增长较快，形成的结构孔也较低，但强度绝对值不高，所以含量不宜过高。如果砌块的耐久性高，可以选择高C2S含量的水泥。水泥中C3A的含量一般为4%~5%，过高会影响管片的后期强度。C4AF的含量应控制在10% ~ 15%之间，含量达到20%时强度会明显降低。

2.2外加剂

蒸汽养护混凝土和自然养护混凝土对外加剂的要求不同。混凝土中不宜加入引气剂，否则会造成管片外表面的膨胀和疏松。选择蒸养混凝土外加剂的总原则是要有能促进水泥水化、含气量低、减水率高的早强外加剂。

2.3矿物掺合料

矿渣和粉煤灰具有良好的蒸汽养护适应性，可以降低混凝土的水化热及绝对温度，减少蒸汽养护产生的裂缝数量[3]。地铁管片混凝土强度一般为C50，矿物掺合料一般控制在20%左右，低钙二级灰一般适用于粉煤灰。

2.4用水量

一定量的水是保证水泥正常水化和混凝土拌合物和易性的重要条件，但水在湿热养护时会给混凝土结构带来破坏。由于水的热膨胀和热介质的迁移，混凝土的孔隙率会增加。因此，用水量对混凝土结构的形成、强度等性能影响很大。低水灰比不仅有助于强度的快速增长，还能提高密实度，形成高质量的混凝土。

3.维护方法的改进

改善固化工艺的方法有很多，如合理的预固化、变速加热、改善固化条件等。

3.1变速加热和分阶段加热固化法

线性加热是一种常见的加热系统，用于大气压下的湿热固化。这种体系的缺点是蒸养时间过长，是一种被动抑制升温速率的方法。笔者认为变速加热系统是合理的，可以在较低的温度下逐渐提高混凝土的强度，在能够承受湿热的破坏后，再迅速升温至最高温度。这种方法在温度低的时候会更有效。比如手控供汽，1 ~ 2小时可升温至20 ~ 35℃，1 ~ 2小时可保温，然后迅速升温至最高温度。这种方法可以大大削弱混凝土结构的损伤，减少预养护时间，从而减少蒸汽养护时间。实线为变速加热线，虚线为直线加热线。变速加热(实线所示)预孵育时间2h，然后2h加热至35℃，恒温65438±0h，然后快速加热至50℃，恒温2h，最后冷却至65438±00℃。与线性加热相比，变速加热减少了预培养时间65438±0h，总时间也减少了65438±0h。

3.2热介质定向循环固化方法

热媒定向循环湿热固化是对加热方式的一种改进，由于在加热期间加快了热交换而加快了加热速度，所以在使用时必须控制加热速度[2]。

这种方法的实质是使蒸汽养护罩内的混合气体定向强制流动，从而改变罩内蒸汽的静止状态和换热强度，达到均匀养护、缩短周期、节约能源的目的。

这一过程的特点之一是通过提高蒸汽通过阀门喷嘴的速度来获得强制流动的驱动力，即喷嘴既是蒸汽喷射的通道，又是实现混合气体定向循环流动的关键设施。上部集气管应位于固化罩上部的2/3处，其上的喷嘴应朝下；下集气管可在盖底以上1/3，管口朝上。拉瓦尔管是一种渐缩渐扩管，可根据锅炉每小时蒸发的蒸汽量和车间蒸汽养护罩的数量来确定。通常，阀喷嘴可以布置在上方和下方。

3.3地铁管片自然养护方法

在高温季节，可以利用水泥水化放热反应，不用蒸汽养护，进行自然养护。为了充分利用水泥的水化热，必须在积水后的地铁管片上放置蒸汽养护罩。密封越好，热量损失越少，固化时间越短。例如，我们假设如下维护参数:气温5℃，加热时间3h，恒温时间2h，冷却时间2h，加热速度15℃/小时，最高恒温50℃，最低温度25℃。地铁区间温度与时间的乘积ε(度-时间乘积)可按下式近似计算:

ε= 0.5(t 1 T2)×τ1 T2×τ20.5(t2t3)×τ3

=0.5(550)×350×20.5(5025)×2

= 257.5℃小时

其中t1、t2、t3分别为加热开始、恒温、冷却结束时的温度；τ1，τ2，τ3分别是加热，恒温，冷却的时间。

同样，如果温度-时间乘积为257.5℃h，我们假设平均天气温度为25℃，t1=t2=t3=30℃(水泥的水化热可以使地铁管片平均温度高于平均温度，如果高于5℃)，那么代入上式就可以求出τ 1τ 2τ 3 ≉ 8.6h。这个例子。

4结论

(1)要充分认识到地铁管片养护系统各阶段对蒸汽养护管片的影响。最佳的预喂期往往容易被大家忽视，所以这个阶段要引起足够的重视。管片蒸汽养护最重要的影响阶段是加热和冷却阶段，这是减少管片表面龟裂纹和保证管片内部质量的重要阶段。

(2)除合理确定养护制度外，还应注意混凝土中的原材料组成、外加剂、掺合料和水灰比对蒸养混凝土强度和分段质量的影响。原材料中各组分应在合理的比例内，否则不利于混凝土强度的发展。在混凝土中掺入一定量的矿渣粉或粉煤灰有利于蒸养管片的质量，低水灰比的混凝土更适合蒸养管片。

(3)分段养护方式方面，有很多改进方法，比如根据你的实际需要分阶段升温，改进蒸汽养护设备，或者在高温季节采用自然养护方式，减少蒸汽养护时间和能耗。

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