大型混凝土箱梁蒸汽养护工艺与温度场研究

西安建筑科技大学硕士学位论文 大型混凝土箱梁蒸汽养护工艺与温度场研究 姓名：李敏霞申请学位级别：硕士 专业：供热、供燃气、通风及空调工程 指导教师：南晓红20060501西安建筑科技大学硕士论文大型混凝土箱梁蒸汽养护工艺与温度场研究专业：供热、供燃气、通风及空调工程 硕士生：李敏霞 指导教师：南晓红副教授摘要本论文以“京沪高速铁路32 m混凝土箱梁蒸汽养护”项目为研究对象。 预制混凝土箱粱采用蒸汽养护技术可以提高梁的品质，缩短施工周期，该技术的难点在于严格、准确、实时地控制温度变化。本文综合研究了国内外蒸养工艺现 状，针对旋工中存在的设备简陋、温控粗放等问题，提出了新的工艺措施。本文以32 m混凝土箱梁为研究对象，采用软件ANSYS建立了箱形梁的有限元模型，模拟 混凝土水泥水化放热规律和边值条件，分析结构的温度场，同时与文献比较，说明 此种模拟方法是合理的、可行的。通过温度场分析，对箱梁结构在蒸养过程中的温 度分布有了一个定性的认识。总结了铁路32 m单箱单室混凝土箱梁横截面上水化热 温度随时间变化的规律，并对此类梁早期温度裂缝控制提供了合理的建议。这种分析方法可以应用到桥梁的设计和施工中，确定混凝土蒸汽养护过程中的 最高温度、最高温度时刻等等，以便指导施工，提高施工质量，保证施工安全。最后，选用了一套完善的蒸汽养护工艺，实时监测、控制混凝土箱梁的养护温 差，保证结构的温度应力在允许值内，预防并控制混凝土结构裂缝的开展，使混凝 土的蒸汽养护更加成熟、完备、可靠。关键词：箱形梁，水化热，温度场，蒸汽养护西安建筑科技大学硕士论文Study on the Steam Curing Technology and Temperature Field of Large-size Concrete Box GirderSpecialty：Heating，Gas Supplying，Ventilation and Air ConditioningName：Li MinxiaSupervisor：Nan XiaohongABSTRACTThe research focuses on the 32m concrete box girder for express railway fromBering to ShanghaiAdopting the steam curing technology can raise the quality of the beam and shorten construction periodThe difficulty of this technology depends on strict and accurate and realtime controls of the temperatureThe present situation of the steam curing technology at domestic and abroad are studied and the new technical measure is proposed to improve the quality of 32m concrete box girderThe software of FEM analysis， ANSYS is applied to construct the simulation model ofthe box beamBy means of simulating the characteristics of cement hydration of concrete and theboundary conditions，the temperature fields are studied，which Based on the analysis a quantitative understanding of the temperature distribution of box beam in steam curing The temperature on the crosssection ofdouble-railway box girder is changing during the whole hydration processAccording to the cause of hydration cracks，effective controlmethods are presented for this kind of box girder,which consists of singlebox and singleroomIn terms of this method，the maximum temperature and its OCCur time can be analyzed，which can be applied to supervise construction，improve the quality of construction，and assure the safety ofconstructionAt last，on the basis of the analysis result of the temperature field and thetemperature stress，we developed the temperature auto control system of the concrete box beam steam curing on the basis of the configuration software，monitoring and controlling the temperature difference ofthe box beam during steam curing，and making sure that thetemperature stress is in acceptable value，preventing and controlling the development ofthe concrete construction cracking，making the concrete steam curing technology moreripe，complete and reliableKey words：box girder,heat ofhydration，temperature field，steam curingIl声明本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得鹊研究成朵。尽我所囊蹉，除了文中特剐加以标滏鞠致谢匏地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它爱途使用过的成果。与我一|司工作的同 志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。申请学位论文与资料若有不实之处，本人系担一切掘关责任。 论文作者签名关于论文使用授权的说明本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文豹全部或部分内容，可以采用影印、缩鞫或者荬它复制手段保存论文。(保密的论文在论文解密后应遵守此规定)论文作者签名：徽导师签名：f幻晓和 日期：d，牛，p注：请将此页附在论文菌页。西安建筑科技大学硕士论文1绪论11引言混凝土是各种建筑工程的主要材料，应用非常广泛。由于混凝土自身的性质， 新浇筑的混凝土受温度影响很大。在低温下，混凝土强度增长受到影响。如果温度 降到4以下，混凝土中水分开始膨胀，对强度很低的混凝土可能产生损害。如果 混凝土温度降到冰点以下，出现早期受冻，就会造成混凝土强度和耐久性的损失。 如果混凝土自身形成较大的温差，就可能产生温度裂缝。我国北方广大地区有较长的寒冷季节，这种寒冷的气候，对混凝土工程施工影响很大。由于各种原因，混凝土冬季施工是很普遍的，尤其是铁道建设工程，由于工程量大，二!坚期兰竺2王：至要茎垒挫至墓逝鎏瑟土盥釜蚕立甑：警至虫王丛肇l一lI。_一、_需早日投天使用，瓯，施工就不能有季节性的限制。臻旦委要雯亘：蚕百蚕蓊耍塑墅受五：圣i萎生垄鱼鎏釜i：工逗li!孑期受冻，对桥梁所用大体积混凝土箱形梁还要防止因温差过大而发生温度裂缝。预两藉趸蓊西丽荏i丽蘑蕲磊弱霖霹硒暖秀丽话法，即7组织混凝土冬季施工的任务，就是要根据其俸条件，采取蕞经济的方法，即使在晋寒触条件下，也要确保所浇筑的混凝土达到足够的强度和耐久性，以满足运ft焦凰馁求同时，还要采取温度控制措旌，防止所浇筑的混凝土发生温度裂缝111。我国从事各类建筑业的工程技术人员和工人数以千万计，但对混凝土冬季旖工 技术了解和掌握的人不多，往往在混凝土冬季施工时心中无数，所采取的措施常常 不当。这也是造成所浇混凝土受冻质量事故的重要原因。近年来，随着施工工艺的机械化、快速化发展，桥梁旋工要求不断提高，为有 效缩短整个建筑工程的施工期，人们开始致力于研究混凝土构件冬季施工的快速养 护。目前，混凝土构件的快速养护方式有电热养护法、湿热养护法、干热养护法、 高频电热养护法、红外线养护法、热风养护法、电磁场养护法、热拌热振混凝土法 和蒸汽养护法等。由于蒸汽具有含热量高、湿度大、生产和运输比较方便、成本较 低，在正确使用的情况下，混凝土的强度发展可得到很好促进的优点，所以蒸汽养 护成为最常用的一种养护方法，在大型工程施工中已逐渐被人们认可，尤其是在施 工循环周期受限制的工程中已初步尝试适用和探索。我国在南京长江第二大桥北汉 大桥、上海洋山深水港一期工程东海大桥、洋河公路桥等工程施工及一些预制构件 的生产中，对混凝土桥梁不同程度地使用了混凝土蒸汽养护技术。据不完全统计，西安建筑科技大学硕士论文我国预制构件约有35采用蒸汽养护。国外己将计算机控制技术和先进的测量技术 应用到了混凝土制品的蒸汽养护过程中。经实践证明，采用蒸汽养护技术，可以有 效促进混凝土的强度增长，加快模型周转，缩短生产周期，提高生产效率，有效保 证施工进度。混凝土制品蒸汽养护的实质就是在湿热介质作用下，引起混凝土一系列物理、 化学及力学变化，利用蒸汽在冷凝过程中释放出来的汽化潜热加速其内部结构的形 成，获得早强快硬的效果。蒸汽养护在混凝土构件的生产中是一个重要环节，但往 往也是一个薄弱环节，如果对某些具体问题处置不当，将收不到预期效果，甚至导 致质量缺陷。混凝土制品在进行蒸汽养护时，始终与养护罩内的湿热蒸汽以对流、传导等方 式不断进行热交换。由于混凝土自身的物理特性决定了它的热传导性能差、方向性 差，这样在外界温度条件发生变化时，直接与外界发生热交换的构件温度改变快， 间接构件要通过混凝土的热传导才能跟上这种变化。随着大跨度预应力混凝土箱梁 的发展，混凝土箱梁板厚不断增大，这种跟进过程表现出在时间上很大的滞后效应， 而对构件而言，就形成了温度梯度，即桥梁结构的各部分处于不同的温度状态，而 这些温度状态的总和就是该时问条件下的桥梁结构温度场。板式截面由于结构简单， 板厚较小，温度场均匀，温度梯度问题基本可以忽略。肋梁式截面的各个部分都是 开放式的，温度分布较简单。箱梁截面结构复杂，又有闭合截面特有的框架约束作 用，温度分布最复杂。而且，混凝土箱梁一般跨度较大，为了提高承载力必然要加 厚腹板。这样，厚腹板的热传导更慢，温度效应滞后更明显。混凝土箱梁截面内的温度变化不但引起结构的变形，而且引起较大的温度应力。 混凝土结构由于这种温度荷载产生的应力，有时甚至比荷载产生的应力还要大，有 的预应力混凝土桥梁还因此而发生严重损坏，给桥梁结构带来危害。因此，几十年 来，温度应力问题一直是混凝土工程结构的一个重大课题。在蒸汽养护技术中，温度应力分析和温差控制是关系到混凝土质量的一个主要因素，为保证混凝土制品的养护质量，研究分析混凝土蒸汽养护的温度场和进行温度控制成为必须。12温度场及温度应力对混凝土结构的影响混凝土桥梁结构的开裂问题，一直是工程界最关心的课题之一，因为它的出现 涉及到结构外观的破损、钢筋的腐蚀及结构功能的丧失。引起混凝土结构开裂的原 因很多。其中，混凝土水化凝固过程中由于内外温差而形成的温度荷载和外界环境 对混凝土桥梁结构的影响而形成的温度荷载，是混凝土桥梁结构开裂的主要原因之 一121。混凝土的水化热引起温度变化的开裂和混凝土结构在周围环境和太阳辐射的西安建筑科技大学硕士论文 变化引起混凝土的温度荷载而引起的开裂，混凝土结构在浇筑过程中和硬化过程中的温度场和温差裂缝以及混凝土结构在运营阶段的温度荷载以及产生的温度应力，一直是世界工程结构学者的研究对象。50年代起，国内外学者从对桥墩裂缝的现场 调查分析中，认识到温度应力对混凝土结构的重要性。随着混凝土空心高桥墩、冷 却塔等混凝土结构的应用以及大跨度预应力混凝土箱形桥梁的发展，温度应力对这 些结构的影响和危害，越来越引起工程界的重视和研究。60年代以来，国内外都发 现由于温度应力而导致混凝土结构严重裂损的事故。例如，Emborg和Bernander对 早期温度应力和温度应力进行了很多实验；Mirambell进行了箱式梁的混凝土桥的 温度和应力分布分析，做出了横断面的温度影响和应力重分布曲线；德国Jagst桥 的厚腹板箱梁在通车第五年发现了严重裂缝，估算温度拉应力高达26MPa；美国 Champigny箱形梁桥日照温差拉应力高达392MPa；Fritz Leonhardt在对德国几座 预应力混凝土箱形梁桥发生严重裂缝的情况进行现场试验观测和理论研究后提出： 预应力混凝土箱形梁桥大都因温度应力而损害，这说明温度应力已成为危险因素。 国内，早在20世纪50年代，王铁梦、朱伯芳“1等人已经进行了大量的温度应力和 裂缝控制的实验研究：湖北光化大桥箱梁顶板底面有明显的纵向裂缝(1984年调查 发现)，其顶板的温度拉应力高达27MPa：芜湖过江电缆塔、通惠河连续箱梁、九 江长江大桥引桥40m箱梁、漓江二桥箱梁等也都发生了裂缝，这些裂缝的出现与设 计中没有充分考虑温度应力有密切关系。长期以来，预应力混凝土结构中的大部分裂缝并非荷载应力引起的，而是由温 度等其它因素引起的局部应力和约束应力所致，而温度应力是一主要因素。13国内外研究现状131温度场及温度应力研究现状温度场及温度应力对混凝土结构的可靠度具有重要的意义。近三十年来，国内 外学者对混凝土结构的温度应力问题作了大量的研究工作，进行了一系列现场试验 观测和理论研究。国外，首先是Fritz Leonhardt对德国几座预应力混凝土箱梁桥 发生严重裂缝的情况进行了分析，提出了横向温度应力估计值，认为温度应力是预 应力箱梁发生裂缝的主要原因：新西兰的MJNPriestley分析了由垂直温度梯度 引起的纵向温度应力：英国的DAStephenson分析了柔性柱体的温度应力问题，使 温度应力有了明确进展。国内对混凝土结构温度分布与温度应力的试验研究起步于50年代末。铁道部第四勘测设计院对薄壁空心高桥墩的日照温度应力问题进行了初 步研究；60年代中期，铁道部科学研究院西南研究所首次测定了混凝土结构的温度 分布，证实了在空心桥墩中存在相当大的温差；70年代中期，铁道部第四勘测设计西安建筑科技大学硕士论文 院对钢筋混凝土圆形空心桥墩的日照温度应力进行了分析；随着大跨度混凝土箱形桥梁的兴建，如红水河铁路斜拉桥、九江长江大桥引桥40 rn简支箱梁等，温度应力的研究试验工作由桥墩结构转向桥跨结构；铁道科研院于1978年建立的混凝土桥梁 温度应力研究小组首先结合红水河铁路斜拉桥进行预应力混凝土箱梁的温度分布与 温度应力的现场观测与试验工作，随后又在九江长江大桥引桥的40m预应力混凝土 箱梁进行了试验研究工作；湖南省交通科学研究所对混凝土双拱桥的温度分布和温 度应力进行了研究。通过研究，基本解决了混凝土桥梁的温度载荷与温度应力的理 论计算问题。长期以来，在混凝土温度应力分析方面，国内外的研究主要致力于置于自然环 境中的混凝土结构在受到太阳辐射、夜间降温、季节气温变化、寒流、风、雨、雪 等多种外界因素的影响下的温度应力分析，而对混凝土蒸汽养护过程中的温度应力 研究几乎没有，只在一些资料中进行定性说明。132混凝土蒸汽养护的温度控制研究现状在台湾高速铁路工程中也普遍采用蒸汽养护法：现场蒸汽主要是以锅炉提供， 蒸汽透过适当的蒸汽管路配置到达养护棚盖用以养护及保温混凝土，其蒸养流程最 大缺陷在于：(1)现场缺乏良好的温控设备，且现场是以控制蒸汽输出量的方式来 间接控制现场温度，因此难以有效掌控；(2)现场无法达到密闭空间，所以恒温期 问温度大多也仅能介于5060；(3)降温期间在实际现场操作时是以关闭锅炉方 式作自然降温，降温速率难以控制1 310混凝土的蒸汽养护技术中的温度控制技术就 目前的应用情况来说还处在一个较低的水平。在国内的混凝土构件蒸汽养护中，一 般沿用传统的手工操作，即每间隔一定时间让人进入养护室对养护温度和湿度进行 测量，然后人为对温度和湿度进行调节控制，存在质量不保证，养护周期长，耗汽 量多，劳动强度大等缺点。鉴于上述情况，常州建筑构件厂对三只新建的养护池采 用微机实行程序自动控制。14温度蓑荷的计算方法分析混凝土结构的温度应力前应先研究确定混凝土结构的温度场，即进行温度 载荷分析。分析结构的温度载荷的计算方法，一般有以下三种类型：一是建立热传 导微分方程，并进行求解；二是近似数值解法；三是对不同形状不同地区的混凝土 结构在不同的气候条件下截面各点的温度进行实测，在此基础上建立工程实用的经验计算公式。西安建筑科技大学硕士论文141 Four ier热传导方程求解采用Fourier热传导方程求解，首先建立热传导方程，然后考虑导热系数、热 交换系数，建立边界条件，进行简化，然后进行求解。但这一计算方法较复杂，且 混凝土的热工参数较难选择，故一般很难使用。142半经验半理论公式用Fourier热传导微分方程来求解确定混凝土结构的温度场在工程实际中应用 总不是简便，因为，计算温度应力时，需要给出控制时刻温度场的函数式，并导出 一目了然的温度分布与应力关系。因此，有必要寻找一种可供设计计算用的简明方 法，来确定控制时刻的温度分布。这种方法就是，从现场实测数据出发，考虑影响 控制温度的主要因素，用数理统计的方法，建立控制时刻温度场计算的经验公式的 方法。用这种方法建立的控制时刻温度场计算公式，即为半经验半理论公式。20世纪50年代初，前苏联学者什克罗维尔提出了混凝土结构表面温度公式， 即所谓什克罗维尔公式。但该公式物理概念不明确，引入材料热工参数较多，计算 较繁。70年代中后期，铁道部第四勘测设计院提出了圆形钢筋混凝土水塔外表面温 度的公式。此公式比什克罗维尔公式改进了一步，它不仅能计算最大值，而且可以 计算各时刻的外表面温度。但该公式中的参数口为定值，不一定适应各种具体的气 候条件，而且误差较大，一般在4C左右，最大可达115。80年代，上海铁道学 院等在对郭溪桥柔性桥墩温度场的试验研究中，提出了墩壁外表面在太阳辐射下的 温度计算公式；铁道部第四勘测设计院在圆形钢筋混凝土水塔实测数据的基础上，提出了墩壁内部温度的计算公式；铁道部西南研究所刘兴法在红水河斜拉桥预应力混凝土箱粱和九江长江大桥引桥简支箱梁的温度场观测的资料上提出了混凝土结构 顶面(水平向阳板顶面)、背阳板内部表面及垂直壁板表面的温度计算公式。下面介 绍误差相对较小的刘兴法公式“1。(1)混凝土结构物表面温度计算公式12】混凝土结构顶面(水平向阳板顶面)的温度计算公式：T=r+Kls+K2丁(11) 式中 r混凝土结构顶面的温度；r日初始温度：r日气温差； K、K，两个系数，K=152，K：=026。背阳板内部表面的温度计算公式：=r+2K(12)一E一西安建筑科技大学硕士论文 式中 背阳板内部表面温度；k结构物距地面高度系数。垂直壁板表面的温度计算公式：瓦=r+18S(1-3)墨=Sctghcos(a,一口。)(14) 式中 s腹板表面目最大总辐射达到时刻的相应水平面上日辐射强度：矗腹板表面日最大总辐射达到时刻的高角度；口相应时刻的太阳方位角；吼，-垂直壁板方位角。 (2)混凝土结构物内部温度计算公式 实测数据表明，在日照升温和骤然降温的情况下，控制时刻的温度分布的基本形式都是指数型曲线，这与一维半无限厚板，在周期性热的作用下温度分布的包络 线的型式是一致的。因此，在工程实践中，英国的DAStephenson、新西兰的MJN Priestlay、铁道部科学研究院西南研究所的刘兴法等 ，均采用r(力=4P”来表示 沿板厚或壁厚方向的温度分布，C为试验参数，Czl0(X以m计)，A为表面温度 的波幅，根据以前的分析，由于箱梁底板和中腹板的温度在一天中几乎不变，故4I 亦近视为内外表面的温差。 。采用半经验半理论公式来分析混凝土结构表面和内部的温度分布问题虽然形式 简单，应用方便，但由于半经验半理论公式在建立中为了简化忽略了好多次要的影 响因素，只计入控制温度荷载的主要影响因素，因此，采用半经验半理论公式总避 免不了存在一定的误差。143近似数值分析法近似数值分析法分为有限差分法和有限单元法两种。 有限单元法归纳并总结了古典近似计算方法的优点；它吸收了有限差分法中离散处理的特点，又继承了变分计算中选择试探函数，并对区域积分的合理方法。在 有限元法中，试探函数的定义和积分计算范围，不是整个结构区域，而是从区域中 按实际需要划分出来的基本单元。这就解决了古典变分法计算中，因不作离散处理 而不能求解复杂问题的缺点。在有限单元法中，由于对单元做了积分计算，就充分 估计了单元对节点参数的作用，从而克服了有限差分法中不考虑单元所起作用的缺 点，使得这种近似计算方法更加完善。有限单元法不局限于规则的差分网格，不只是考虑节点的作用，而且考虑了单 元的作用以及单元对整体的贡献。因此有限单元法具有很大的灵活性和适应性，可西安建筑科技大学硕士论文用于任意形状的结构热传导问题的分析。15研究意义混凝土结构的温度载荷以及引起的温度应力对箱形桥梁而言是一个比较危险的 因素，温度载荷的检算是混凝土结构设计的一项重要内容，否则混凝土结构在运营 刚度和使用条件等方面，不能满足设计要求，甚至不能保证安全。所以，对混凝土 箱梁结构的温度问题的研究显得尤为重要。目前，国内外学者对混凝土箱梁在施工 运营阶段受日照、季节气温变化、寒流、风、雨、雪等多种外界因素的影响下的温 度应力和各种桥梁由于水化热引起的温度应力做了广泛研究。通过国内外学者对混 凝土的温度载荷的广泛研究以及各国规范的研究，可知在我国现行的公路桥梁规范 中简单给出了T形截面梁、箱形梁的简单日照温差分布图、温度应力分布图，现行 的铁路桥涵给出了混凝土箱梁沿梁宽和梁高方向的温度分布，这对研究混凝土结构 在环境中引起的温度场和温度应力分析具有很重要的意义。但是，随着混凝土桥梁 桥型不断求新，混凝土箱形梁悬臂翼缘板的加长和截面的不断变化，对新型混凝土 箱梁的温度问题的研究越加必要。另外，近几年来，蒸汽养护技术在大型工程施工中已逐渐被人们认可，并且在 各工程施工中广泛被采用，尤其在施工循环周期受限制的工程的实际施工中更是充 分体现出它的优越性。虽然蒸汽养护缩短了施工周期，保证了施工效率，但混凝土 箱梁的养护质量保证仍是一个尚待研究的问题。保证混凝土箱梁养护质量的关键技 术就是控制好混凝土的养护温度和温度应力，这就需要我们进行混凝土箱粱在蒸汽养护时的温度场分析，确定混凝土箱梁的温度场分布情况和温度应力分布，为混凝土箱梁蒸汽养护的温度控制提供依据，从而保证混凝土的养护质量。因此，进行混 凝土箱梁在蒸汽养护中的温度场分析和温度应力研究是有必要的。本论文结合“京沪高速铁路客运专线的梁场建设”项目，用大型有限元分析软件ANSYS和数值模拟仿真技术，建立特定的新型32 m混凝土箱梁的实体模型，进行 混凝土箱梁在蒸汽养护过程中的温度场研究，研究方法上有一定创新，并有很重要 的现实意义。通过研究，有助于针对目前蒸汽养护工艺存在的问题和缺陷提出新工 艺、新设备，完善现有工艺和设备。还可以通过分析预测混凝土箱梁在蒸汽养护过 程中的温度场分布，为蒸汽养护的温度控制提出依据；为温度裂缝控制提供措施。16论文主要工作本论文主要工作有以下几个方面：西安建筑科技大学硕士论文(1)在分析研究现有蒸汽养护工艺的情况下，针对当前蒸汽养护工艺存在的缺 陷和不足，提出新工艺，解决现有问题。(2)结合具体的混凝土箱梁断面的试验数据，建立混凝土箱梁的热传导方程和 边界条件，并讨论混凝土的几个关键热物理参数的影响因素，在综合考虑各因素的 情况下确定混凝土热工参数和边界条件。(3)对实际模型进行简化，利用大型有限元计算软件ANSYS，建立混凝土箱梁 断面的有限元模型，计算混凝土箱梁在蒸汽养护过程中由于混凝土自身特性和外部 边界条件变化引起的温度场。讨论影响温度场的相关因素，以指导施工。并对养护 罩内降温阶段的温度场进行了初步研究西安建筑科技大学硕士论文232m混凝土箱梁蒸养工艺简介21概述211硅酸盐水泥的主要成分和硅酸盐水泥的水化 硅酸盐水泥的原料主要是石灰质原料和粘土质原料两类。石灰质原料提供CaO，它可以是石灰石、自垩、石灰质凝灰岩等。粘土质原料主要提供Si 02A1：03，及少量 的Fe：0，它可以采用粘土、黄土等。硅酸盐水泥的主要熟料矿物的名称和含量范围如下：(1)硅酸三钙3CaOSi02， 简写成C。S，含量37一60；(2)硅酸二钙2CaOSi 02，简写成C：S，含量15一37； (3)铝酸三钙 3CaOA1：03，简写成c，A，含量7-15；(4)铁铝酸四钙4CaOhl：03Fe。0。，简写成C扭F，含量10-18。 硅酸盐水泥的水化反应：2(3CaOSi02)+6H。O=3Ca(OH)：+3CaO2Si023H：0(水化硅酸钙)2(2CaO-Si02)+4H：0=3CaO2Si023Hlo+Ca(OH)z3CaOA1：0，+6H：O=3CaOA1。036H。0(水化铝酸三钙)4CaOA1：0。Fe：0。+7H。O=3CaOhl 20，6H：O+4CaOFe：03H。0(水化铁酸一钙)混凝土的硬化，原因在于水泥的水化作用。周围环境的温度对水化作用进行速 度有显著的影响。养护温度高可以增大初期水化速度，混凝土初期强度也高。但急 速的初期水化会导致水化物分布不均匀，水化物稠密程度低的区域将成为水泥石中 的薄弱点，从而降低整体的强度；水化物稠密程度高的区域，水化物包裹在水泥粒 子周围，会妨碍水化反应的继续进行，对后期强度的发展不利。而在养护温度较低 的情况下，由于水化缓慢，具有充分的扩散时间，从而使水化物在水泥中均匀分布， 有利于后期强度的发展。周围环境的湿度对水泥的水化作用能否正常进行有显著的 影响；湿度适当，水泥水化便能顺利进行。使混凝土强度得到充分发展。如果湿度 不够，混凝土会失水干燥而影响水泥水化作用的正常进行，甚至停止水化。因为水 泥水化只能在水填充的毛细管内发生。而且混凝土中大量自由水在水泥水化过程中 逐渐被产生的凝胶所吸附，内部供水化反应的水则越来越少。这不仅严重降低混凝 土强度，而且因水化作用未能完成，使混凝土结构疏松，渗水性增大，或形成干缩 裂缝，从而影响耐久性。为使已密实成型的混凝土进行水化反应，获得所需的物理化学性能及耐久性等西安建筑科技大学硕士论文指标的工艺措施称为混凝土养护工艺。混凝土密实成型后的养护是整个生产工艺的 关键环节之一，它对混凝土的质量影响极大。养护过程主要的控制参数是建立早期 水化反应所需的温度、湿度和养护时间。根据所建立的温度和湿度条件的不同，养 护工艺可概括分为标准养护、自然养护和加速养护。标准养护主要是在试验室中用于养护试块。自然养护是我国使用较广的种养 护工艺，但随着建筑施工工艺的发展，传统的自然养护工艺已不能适应新工艺的要 求，为加快施工进程和缩短预制厂的施工周期，人们已经致力于研究混凝土的快速 养护工艺。采用加速养护工艺对缩短养护时间，加速钢模周转具有很大的经济意义。 加速养护工艺有多种，我国的混凝土构件厂和水泥制品厂、梁厂主要采用蒸汽养护。 据不完全统计，目前我国生产的水泥管材、轨枕和石棉水泥制品全部采用蒸汽养护， 预制构件约有35采用蒸汽养护。212蒸汽加热养护方法 蒸汽养护法是一种加速混凝土水化反应的措施，在短时间内使混凝土提早达到所需的抗压强度，可大大减少工期。关于预应力及预筑混凝土的蒸汽养护，由于变数甚多且相互影响，对养护后的 混凝土品质会产生差异，而且，蒸汽养护有助于大幅度提高早期强度，通常与提高 晚期强度互相矛盾，所以只有经由尝试才能决定最佳养护流程。在适当养护的条件 下，只要养护室能保持相对湿度60以上，理论上的28天强度可在24小时的蒸汽 养护中达到，并且，养护流程的前置时间若越长，28天的强度损失仅在5一15，但 未经过适当前置而直接进行高温蒸汽养护流程，28天的强度损失恐怕会高达50。当养护温度越高时，所需的前置时间也越长，可得到较高的早期强度，但28天 强度会相对较低；而降温速率一般认为对混凝土的强度影响不大，但若构件尺寸较 大时有可能会造成表面裂缝，因此，在保守之下，仍建议以较慢速方式降温，确保 混凝土品质及耐久性。与自然养护相比之下，以现场蒸汽养护方式对整体工程成本 而言有较明显的效益，因此在台湾高速铁路工程中也普遍允许采用蒸汽养护法；现 场蒸汽主要是锅炉提供，蒸汽透过适当的蒸汽管路送到养护棚用以养护及保温混凝 土。蒸汽养护的常用方法及特点见表21，本设计采用棚罩法蒸养工艺。蒸汽法养护是用蒸汽直接或间接养护新浇筑的混凝土，在混凝土结构周围造成 湿热环境，以加速混凝土硬化的方法。蒸汽是一种良好的热载体，它在冷凝时放热 量大，具有较高的放热系数，它既能加热，使混凝土在较高的温度下硬化，又供给 一定的水分，使混凝土不致蒸发过量而干燥脱水。其加热比较均匀，不会引起火灾。 在严寒天气里进行蒸汽加热时，往往会在覆盖物上，在结构边缘或在暖棚周围冻结10西安建筑科技大学硕士论文成冰。因此必须封闭严密。需要设置专用锅炉，费用较高。表21蒸汽养护的常用方法151方法 结构工艺 特点适用范围 用篷布等扣罩封闭后设施简单，耗热量大， 预制混凝土构件，基棚罩法还通蒸汽养护 但温度不易控制 础工程制根保温套将构件部 可根据混凝土浇筑进 现浇的板、粱、柱、 蒸汽套法分或全部套上 展，分段供热 墩等在模板外侧设蒸汽 加热均匀，温度容易热模法 墙、柱及框架结构 管，加热模板养护 控制在结构内部留孔，通 省汽，费用少，入端 预制梁、板、桁架、 内部通气法蒸汽加热养护容易过热 现浇梁、柱、框架等蒸汽养护技术虽然在混凝土制品的生产中得到了广泛的应用，但在蒸汽养护对 混凝土性能是有影响的，采用蒸汽加热过的普通硅酸盐水泥拌制的混凝土最终强度 比不经加热的混凝土强度低，其原因是混凝土各种成分受热膨胀不同。混凝土由10升温到40。C时，最容易使硬化了的混凝土内部产生温度微裂，而影响混凝土强度。表22蒸汽养护对混凝土性能的影响151 物理热力性能 与标准养护比较 抗压强度 降低lO15抗拉强度 稍有影响，不明显 粘结强度 光面钢筋降低，螺纹筋增高 弹性模量 降低5-10收缩值 减少10-40 徐变 可减少30-50 抗冻性 一般情况下降低 抗渗性 一般情况稍有降低 抗侵蚀性 抗硫酸侵蚀提高 钢筋锈蚀 不因蒸汽养护而锈蚀实际的工程应用中也仍然存在许多不足和缺陷，主要表现在： (1)蒸养设施简陋，蒸汽热利用效率低； (2)温度控制精度低。目前，蒸汽养护技术中，温度的控制主要依赖人工间歇性的测量和调整，很难 保证蒸汽养护过程中各个阶段对温度准确性和精确性的要求，如果控制的不合理还 会对箱梁造成一定的损伤。为了保证混凝土箱梁的养护质量，确定适合32 m箱形梁的养护工艺，综合研究西安建筑科技大学硕士论文现有的蒸汽养护工艺设备，本文对蒸汽养护工艺进行了改进和完善。22蒸养工艺确定一般来说，混凝土养护工艺包括养护方式、养护制度和养护设备几部分。本章设计和确定了养护制度和养护设备。221蒸养制度 混凝土蒸汽养护制度参考混凝土冬季施工规程设计，混凝土蒸养温度历程简称蒸养温程或蒸养制度。一般可分为如下四个阶段：预养一升温一恒温一降温。蒸养前，根据经验初步确定蒸汽养护制度，然后通过试验最后调整确定蒸养制度。(1)预养期的确定预养期亦称前置期，一般是指从混凝土构件灌注成型后到供汽升温之前这一段 在常温下的放置时间而言。预养期内，混凝土可进行一定程度的水化，获得一定的 初始结构强度，用以抵抗在升温期中出现的肿胀作用。预养期的确定一般用“临昴 初始结构强度”和“最佳预养期”。I临界初始结构强度是指在一定的养护工艺下，能 够使残余变形最小、并获得最大密实度及最高强度的最低初始结构强度。达到临界初始结构强度所需的预养时间，则为最佳预养期。 临界初始结构强度与湿热养护工艺及养护条件密切相关。蒸养工艺一定时，l临界初始结构强度的数值也一定。最佳预养期关系到混凝土初始结构强度高低、水泥品质、混凝土配合比、恒温温度以及升温速度等因素，最好是通过具体试验确定。 不同的混凝土蒸养工程的预养时间很不相同，在构件厂中多取在36 h范围。本设 计根据客运专线铁路桥涵工程施工技术指南，预养期试取为4h，预养期间通过 温度自动控制系统调节蒸养管道的蒸汽流量保持养护罩内温度不低于5。(2)升温期的确定混凝土的结构缺陷主要发生在升温期。未达到临界初始结构强度即进入升温期 将使其结构受到损伤，养护结束时即构成残余变形，使混凝土的性能受到损伤。因 此，升温期是混凝土结构的定型阶段，在养护过程中最为重要。升温期的主要控制参数是升温速度。有关文件“。1已针对不同施工情况给出了不 同的升温速度要求，混凝土蒸养升温速度限值“”及其数见表23，混凝土的升温速 度受到预养时间或初始结构强度以及养护方式等因素的影响。预养时间比较长或初 始结构强度比较高时，升温速度加快；反之，则需要缓慢升温。西安建筑科技大学硕士论文表23混凝土蒸养升温速度限值(庙)混凝土干硬度构件由刚性模型 构件在开口模型预养时间(h) 即时脱模构件(S) 全面封闭时 时30不限 3020430不限 20 154043035Io44050本设计根据客运专线铁路桥涵工程施工技术指南，混凝土的降温速率不能大 于lO11。当罩内温度与环境温度之差不大于15时，检查混凝土构件的强度是 否达到要80，达到强度要求则拆除养护罩进入自然养护。试验前，先根据客运专线铁路桥涵工程施工技术指南和实际工程情况、混 凝土手册、设计规范和相关资料技术要求初步拟定如下分段升温养护制度(如图21)，在此基础上进行试验校核。 确定蒸养方案：参考预应力混凝土箱梁制造技术及工艺 ，其中规定：“在粱体灌筑46小时后开始加温，升温速度不得大于10h，恒温应控制在50。C以下。当混凝土强度达到拆模强度后开始降温，降温速度不得大于IO。Ch，撤除保温设施 时，必须保证表面温度与环境温度之差不超过15C”。因此，在本设计中确定的蒸西安建筑科技大学硕士论文 养方案为：预养期为4个小时，这样混凝土随着自身的凝结，本身已经有了一定的抗破坏能力：确定升温期的温升速度：文献01中：“变速升温和分段升温的制度比较合理，初始结构强度低，只能先慢速升温(如5h)”。最后确定蒸养制度曲线见图21，把横坐标时问分成六阶段：第一阶段是4小时 预养期，预养期亦称前置期；第二阶段是以5h为速度的升温期，升温一个小时： 第三阶段恒温一个小时：第四阶段是以8h的温升速度升温，罩内温度升至45 时升温结束(如果预养期罩内温度为5，则此段时间大约是438小时)；第五阶段 是lOh恒温期，恒温期温度保持45的温度，时间10个小时；第六阶段是降温期， 降温速度为10h，直至罩内温度与罩外温差不大于15为止，时间依据罩外温度 而定，随罩外温度的增高而减小。5、簧一时)图21蒸养制度曲线图222蒸汽养护的参数设计 根据“京沪高速铁路客运专线的梁场建设”课题项目要求，本设计按照梁场所在地石家庄地区的气象参数为设计参数：北纬：3804度 东经：114度 冬季采暖室外计算温度：一8。C 室外风速：取18ms223养护设备的选择混凝土蒸养的主要养护设备包括养护罩、锅炉、风机、蒸养管道几部分。2231养护罩的制作西安建筑科技大学硕士论文目前我国的蒸养设备中，养护罩设备简陋，通常采用帆布直接覆盖或简单地做 个支架，然后通过人力将养护被覆盖到支架上进行养护。养护罩保温效果差，热损 失大，操作上费时费力。目前的养护罩设备已经不能满足现代的施工机械化和自动 化要求，针对养护罩设备存在的上述问题，本次设计中采用双层帆布复合保温帐篷 用毯作为养护被，它具有良好的保温效果，抗拉强度强，同时具有防水、防大雨雪、 风沙功能，重量轻，使用时间长，达810年。养护罩支架的设计以满足强度和刚度要求为原则，同时考虑使用方便、成本低， 由7组型钢焊接成整体桁架结构组成，此桁架结构可根据养护梁的跨度的不同进行 装拆，适用于32 m、24 m、20 m等不同跨度的梁的养护。为实现施工操作上的机械化，提高施工效率，设计时将养护被与养护罩架做成 一体，如图22。使用时，通过起重机将养护罩吊至箱梁顶然后直接覆盖到养护梁 上。养护罩上设小门，用以施工操作人员进出。操作上省时省力，且成本低。2232锅炉的选择 锅炉的选择以其容量满足整个养护期的热量消耗为原则，即升温期和恒温期的热量消耗总和。设计计算所考虑的升温期的热量消耗主要有以下几个方面： (1)加热混凝土制品所消耗的热量；(2)混凝土制品中水分蒸发所消耗的热量；(3)钢模、箱梁中的钢筋及其他钢结构所消耗的热量； (4)充满养护设备自由空间的蒸汽耗热量； (5)养护设备蓄热和散失的热量、冷凝水带走的热量、逸失介质的耗热量等。这几部分的热量支出总和取为升温阶段总支出的30； (6)水泥的水化热。 恒温阶段热量消耗主要有散失于周围介质的热量、漏失蒸汽损失的热量两部分。其热量计算参考台湾高速铁路的蒸汽养护热工计算方案，取为升温期热量的15。 经计算，可知蒸汽养护所消耗的总热量为139X 10kJh，转化为所需的蒸汽量为52 th。考虑管道损失和养护罩缝隙损失等因素的影响，取富裕系数14。最 终所需的蒸汽量为728 th。因此选取SZL4一1O-A1I型蒸汽锅炉两台。相关参数如下：额定蒸发量：4 th额定压力：10 MPa，蒸汽为饱和蒸汽 燃料：煤 外形尺寸：7873X48293608哪2233蒸养管道的布置 蒸养管道的布置以使梁的养护区域均匀充满蒸汽，保证养护罩内的温度尽量处处均匀为原则。养护罩内的温度分区如图22，与温度控制分区相一致的蒸养管道一l 5一西安建筑科技