桥梁预制快速施工的混凝土蒸汽养护制度研究

杨益伦 陈荣刚 吴庆雄

(1.福州大学土木工程学院 福建福州 350108； 2.福建高速至信建设管理有限公司 福建福州 350000; 3.京台高速(平潭)跨海大桥有限公司 福建福州 350000)

0 引言

随着国民经济快速发展,交通和建筑业突飞猛进,目前我国无论是公路、铁路还是城市立交桥梁,均采用预应力箱梁结构，大多采用梁场预制+现场拼装的施工方式[1-2]。传统预制箱梁施工普遍采用自然条件下喷淋养生[3]，其养护龄期一般需7d(在气温较低的冬季还需要更长时间)才可以满足预应力张拉要求[4]，养护时间占整体制梁时间2/3以上，导致制梁周期较长，底座使用率低，预制场占地面积大等问题，不利于大规模预制梁体快速施工。

本文依托国家高速公路网京台线长乐松下至平潭段某合同段预应力混凝土箱梁的预制工程，开展适合于桥梁预制快速施工的混凝土蒸汽养护制度研究，通过开展现场预制梁蒸汽养护温度的控制与监测，并进行与箱梁同等养护条件的混凝土试件强度和弹性模量等基本材性测试，得出适合快速预制箱梁的蒸养制度，实现预制箱梁的快速施工，从而按期保质保量完成桥梁预制施工任务。

1 工程概况

国家高速公路网京台线长乐松下至平潭段某合同段桥梁采用预制预应力混凝土箱梁结构。依据项目任务及总体工期安排，桥梁上部结构343片30m预制箱梁需在1年内完成，而该项目所在地平潭经常遭遇台风，且每年6级以上风力达200d，可供施工时间不足180d。为在此恶劣的施工环境以及艰巨的制梁任务下，按期保质保量完成施工任务，该工程采用蒸汽养护预制梁的快速施工方式。

预制箱梁截面形式为单箱单室，梁长30m，顶板宽2.4m，底板宽1m，梁段高1.6m。箱梁顶板厚度为0.18m，横向纵坡为2.5%；箱梁腹板及底板厚度由端部0.25m渐变至0.18m，端部堵头板和跨中横隔板厚度分别为8cm和20cm。混凝土等级为C50。预制箱梁截面构造如图1所示。

(a)30m预制箱梁一般构造图

(b)A-A截面(c)B-B截面

2 蒸汽养护制度的拟定

2.1 蒸汽养护最高温度的控制

与自然养护相比，蒸汽养护最为关键的因素就在于水蒸气是很好的热量载体和水分携带者，它在冷凝过程中释放出热量，既能给混凝土梁体热量的同时又能供给充足的水分，加速水泥和辅助胶凝材料水化硬化进程，促使胶凝材料快速向着完全反应的方向进行，其水化反应类型和自然养护相比没有发生根本变化，但其水化产物的种类和最高温度有很大关系[5]。

因此，采用蒸汽养护需控制最高温度小于70℃，以避免发生延迟性钙矾石反应产生膨胀应力影响混凝土耐久性和安全性。

2.2 蒸汽养护制度的拟定

梁体在蒸汽养护之前需进行静停，静停时间控制在10h～14h，使混凝土内部水泥可得到较充足水化反应，促进混凝土形成一定的强度，以增强混凝土对升温阶段结构破坏作用的抵抗力，避免出现裂缝。

蒸汽养护分为升温、恒温和降温3个阶段。升温阶段的温度提高速率不宜太快，以防止混凝土内外部温差过大引起开裂，设置升温速度不超过10℃/h；恒温阶段的温度控制在60℃，最高不允许超过65℃，以避免过高温度对混凝土微细观结构带来损伤；适时取同条件养护试块进行试验，当混凝土材性指标达到设计张拉条件，以不大于10℃/h的速率降温，待梁体温度降至与室外温差小于15℃时完成蒸养过程。

2.3 蒸汽养护过程的监控

在实际工程应用中，混凝土龄期按照预制箱梁浇筑混凝土时开始计算，浇筑混凝土约为5h，覆盖养护6h，拆除内外模8h，即开始蒸汽养护时静停时间约为14h(混凝土龄期19h)。

蒸汽养护室内采用全自动桥梁电力蒸汽发生器对预制梁进行蒸汽养护，在自动控制设定产生蒸汽温度条件下，通过独立布设温度传感器对箱梁内、外蒸汽温度进行实时监控(图2)，严格按照蒸养制度进行养护，并且控制箱内外温差在±10℃以内。

(a)测点布置图

(b)测点布置照片图图2 箱梁蒸汽养护温度测点

图3 30m箱梁蒸汽养护温度控制趋势图

图3给出了预制箱梁内、外蒸汽养护温度随时间变化趋势。从图中可知，在蒸养升温阶段箱外升温速率大于箱内，但两者温差小于5℃，升温时间约为7h；恒温阶段箱内温度略高于箱外温度，恒温时间约为14h；降温阶段箱外降温速率明显大于箱内，降温时两者温差在10℃以内，降温时间约为6h。降温结束时梁体蒸汽养护时间约为27h，混凝土龄期约为46h。

3 混凝土强度与弹性模量随蒸养时间的变化规律

为了解混凝土强度与弹性模量随蒸养时间的变化规律，并确定蒸汽养护的恒温时间，开展了多组混凝土试件强度和弹性模量的材性试验。混凝土试件与梁体同条件进行蒸汽养护(图4)，当达到恒温温度60℃起，每隔3h按《普通混凝土力学性能试验方法》[9]进行1组混凝土抗压强度和弹性模量测试。

图4 混凝土试件同条件蒸养照片

图5和表1给出了混凝土试件的抗压强度随蒸汽养护时间的变化趋势图和试验数据。从图表可以看出，在蒸汽养护升温阶段，混凝土的抗压强度随着蒸养时间的增加得到显著提高。进入恒温养护阶段其抗压强度随着蒸养时间的增加呈缓慢提高的趋势，当蒸养至18h(混凝土龄期为37h)时，混凝土抗压强度为49.5MPa，达到设计强度等级的99.0%，相比于蒸养前提高了6.0倍，但蒸养时间超过18h，混凝土抗压强度的增长趋势明显放缓。

图5 混凝土抗压强度随蒸养时间变化趋势图

表1 C50混凝土抗压强度测试结果MPa

图6和表2给出了混凝土试件的弹性模量随蒸汽养护时间的变化趋势图和试验数据。从图表可知，与抗压强度类似，升温阶段弹性模量提高较快，恒温阶段提高趋缓；当蒸养至21h(混凝土龄期为40h)时，混凝土弹性模量为31.9GPa，达到设计等级的92.5%。这表明当预制梁体混凝土浇筑完成后静停时间大于14h，在蒸汽养护超过21h后(混凝土龄期超过40h)，混凝土的强度和弹性模量均达到设计强度等级的90%以上，可满足预应力混凝土梁张拉控制条件[4]。

图6 混凝土弹性模量随蒸养时间变化趋势图

表2 混凝土弹性模量测试结果GPa

4 结论

(1)实际工程中采用蒸汽养护预制梁，其最高温度不宜过高，且需严格控制升降温速率，避免梁体因内外温差过大产生收缩裂缝。该项目采用的升、降温速率为10℃/h，恒温控制最高温度为65℃，保证梁体内外温差在10℃以内，且降温至与室外环境温度差小于15℃结束养护，取得了良好的养护效果。

(2)通过与预制梁同条件养护的混凝土材性试验得到，在蒸汽养护升温阶段，混凝土的抗压强度和弹性模量随着蒸养时间的增加得到显著提高；当处于恒温阶段，其抗压强度和弹性模量随着蒸养时间的增加呈缓慢提高的趋势。

(3)当蒸汽养护时间达到21h，即混凝土龄期为40h时，混凝土强度和弹性模量均达到设计指标的90%及以上，满足预应力混凝土梁张拉控制条件。降温结束时混凝土龄期为46h，整个养护时间仅为27h，远小于传统箱梁自然养护时间(7d)，极大地缩短养护周期，提高台座周转率和制梁效率，实现预制梁的快速施工。