预制混凝土梁雾化养护试验研究

张建国，焦卫宁，同 辉，王 锋

(中交第二公路工程局有限公司，陕西 西安 710065)

0 引 言

装配式混凝土梁桥因其具有工厂化预制、标准化施工、质量可靠、施工速度快以及性价比高等特点，在桥梁建设中得到了广泛应用。这其中混凝土梁养护的好坏直接决定了预制梁的质量。如果混凝土早期养护得当，则后期密实度高，总空隙率低，毛细孔含量减少，所以合理的养护对提高混凝土早期性能，如强度、抗渗透性能至关重要。

预制梁养护方法很多，如人工浇水养生、养护剂养护[1]、蒸汽养护[2-4]和喷淋养护等，其中以喷淋养护最为常用。喷淋养护通过喷头向预制梁表面喷水，从而达到养护的效果。王冲[5]因地制宜地在施工中采用了标准化极高的自动喷淋系统,并通过实践证明此种养生方法无论是养生效率还是养生质量都较传统人工浇水养生有了实质性的提高。张冬青[6]以太焦铁路桥梁工程为依托,创新出了包括桥梁承台、墩柱、现浇箱梁、现浇连续箱梁和预制箱梁等在内的桥梁工程成套自动喷淋养护工艺。张军[7]结合工程实际,制作了1套自动喷淋系统,使预制箱梁在不间断保湿养护的前提下,实现自动化、全方位养护。王海英等[8]利用单片机和GPRS无线通信技术，设计了预制梁喷淋养护系统，实现了预制梁喷淋养护的远程监控和自动控制。但是喷淋养护由于喷头的喷射范围有限，会在混凝土表面形成养护盲区，存在无法做到全断面同步养护的问题。

目前高压雾化技术发展较为成熟，已经广泛应用在各种领域，如加湿降温、除尘和消防灭火等[9-19]。利用高压雾化技术可在密闭空间中产生均匀水雾，有效解决养护盲区的问题，且在简易棚罩内进行雾化操作可以满足养护要求。但是，雾化技术在混凝土养护中的应用较少，相关的研究也较少。为此，本文以云南镇赫高速公路项目为依托工程，对其展开了试验研究。

1 雾化养护原理

雾化养护系统主要由养护棚、高压雾化机、管道系统和雾化喷头等部分组成，养护棚外观如图1所示。

图1 养护棚外观

雾化养护法首先利用养护大棚将预制混凝土梁与外界环境隔离，形成独立密闭环境。开始喷雾时，高压雾化机产生高压水，并通过耐高压管道系统把水输送到雾化喷头，以雾状喷出，在空气中快速弥漫，形成雾状湿气，进而快速增加空气湿度，可使相对湿度持续保持在90%以上，从而实现全方位的预制梁养护。

2 雾化养护试验

为了验证雾化养护法的实际效果，研究养护棚内湿度的分布、变化规律，以确定雾化养护关键工艺参数，如喷头间距、喷射持续时间及间隔时间等，本文釜依据实体工程试验进行研究。试验于2019年9月在镇赫高速公路项目现场开展。

2.1 试验设计

试验选用的预制梁为30 m跨径预应力混凝土T梁的边跨边梁，全梁仅一侧设有横隔板，横隔板数量为4道，混凝土等级为C50，具体配合比见表1。试验开始时，混凝土梁已养护3 d。

表1 C50混凝土配合比 kg·m-3

养护棚长32 m，宽2 m，高2.5 m，雾化喷头间距为1 m，高压雾化机1 min的用水量为20 L。

空气的相对湿度不仅与空气中的含水量有关，还受温度的影响。因此在试验过程中，在记录混凝土表面相对湿度的同时，还记录了表面温度。本次试验采用数显式电子温湿度计，可直接显示相对温度和湿度，方便读数，其温度精度为±1 ℃，相对湿度精度为±5%。在设有横隔板的一侧，温湿度计放置在横隔板与翼缘板、腹板的交界处，分别据横隔板5 cm，翼缘板下缘10 cm。由于T梁头尾对称，故只布置1/2梁长，共放置3个，分别编号为1、2、3。在没有横隔板的一侧，再对应放置1个温湿度计，分别编号为1-、2-、3-，合计共放置6个温湿度计。预制梁及温湿度计放置位置如图2所示。

图2 测点分布图

2.2 试验现象与数据记录

在雾化养护试验开始之前，需要记录1次温、湿度的初始值。试验开始后，随着雾化机的启动，大量水雾随即从喷头处喷出，并逐渐弥漫在整个养生棚中此时，每隔2 min记录1次温、湿度，记录的数据记为喷雾段。随着水雾的弥漫，棚内能见度开始降低。约4 min后，能见度降至不足10 m，如图3所示。与此同时，地面开始潮湿，并逐渐汇聚成小水流，通过排水沟流出养生棚。

图3 棚内雾化效果

当所有测点的相对湿度保持不变或连续3次湿度记录值相差不大时停止喷雾，然后开始记录间歇段。此时空中的水雾开始逐渐消散，约5 min后完全消失。在间歇段初期，仍然保持每隔2 min记录1次。当所有测点相对湿度下降变化不大时，开始间隔4、8、16 min记录1次。如此记录1次喷雾、间歇的温、湿度读数即为1个循环。

3 试验结果与分析

本次试验共进行了3个循环，每个循环间隔24 h，每个循环记录的数据如图4～6所示。

图4 第1轮循环湿度-时间

图5 第2轮循环湿度-时间

图6 第3轮循环湿度-时间

由湿度-时间曲线可知，虽然所有测点最终达到相对湿度的峰值不同，湿度上升、下降的速度不同，但都遵循着相似的变化规律。湿度-时间曲线大致可以分为3段，上升期、不变期和下降期。在上升期初期，相对湿度较低，相对湿度上升较快，随着相对湿度的增加，上升速度逐渐变慢。停止喷雾后，相对湿度会先进入一段不变期。不变期维持时间较短，大约在4～6 min，然后进入下降期。同样，在下降期初期，相对湿度下降速度较快，随着湿度的降低，速度逐渐放缓。大约在2 h时后，相对湿度回落到略大于初始值的位置。

3.1 相对湿度-时间曲线分析

设t时刻时，相对湿度为RH(t),t+1时刻相对应的湿度为RH(t+1),2个时间的间隔为Δt，故可列出

RH(t+1)=RH(t)+ΔRH

(1)

其中：ΔRH为Δt时间内相对湿度的变化量。

根据相对湿度的定义：空气中实际所含水蒸汽密度与相同温度条件下饱和空气中所含水蒸汽密度 (又称饱和水蒸汽密度)的比值[20]，其计算公式如下

得

(2)

式中：d1为空气中实际所含的水气密度；d2为同温度下饱和水气密度，当温度一定时，d2为定值；m为实际所含水泊质量；Qin为单位时间养护棚内产生的水气的质量；Qout为单位时间养护棚内损失的水气的质量；V为养护棚的体积。

将式(2)代入式(1)中，可得

(3)

(4)

在试验过程中，养护棚的体积V保持不变，同时各测点表面的温度变化也并不大，d2可以视为定值。故由式(4)可知，相对湿度变化率仅与Qin和Qout有关。Qin为单位时间内产生的水气质量，当雾化机运行时，Qin就等于单位时间内雾化机产生的雾化水的质量，为定值；当雾化机关闭时，考虑到室温条件下，单位时间内地表水分蒸发成水气的量较小，可忽略不计，则可以认为Qin等于0。Qout为单位时间内损失的水气质量，主要包括两部分：一部分因为混凝土水化反应被混凝土吸收，另一部分则在空气中凝聚为水珠，掉落地面后被地面吸收或排出养护棚。影响Qout大小的因素很多，难以写出具体表达式，但研究发现Qout存在以下规律：当相对湿度较低时，混凝土的水化作用反应缓慢，耗水量少，同时雾化机产生的水很快气化，空气中凝聚的水珠也较少，此时Qout就较小；当相对湿度较高时，混凝土的水化作用加快，耗水量增加，同时由于空气中水气接近饱和，空气中会凝聚大量的水珠，此时Qout就较大。由此可知Qout与RH相关，且RH越大，则Qout越大；RH越小，则Qout则越小。

因此，在上升期初期，雾化机开始运行，RH较小，Qout也较小，Qin≫Qout，RH开始快速上升。随着RH增大，Qin-Qout开始变小，上升速度开始逐渐变慢。

在不变期时，雾化机关闭，Qin等于0，但空气中仍然存在着大量的水珠，从而使湿度保持不变。经过较短时间后，水珠消散，此时开始进入下降期。

在下降期初期，雾化机关闭，Qin等于0，Qin-Qout<0,RH开始快速降低。随着RH减小，Qin-Qout也开始减小，下降速度开始减慢。

随着养护时间的增加，混凝土水化反应的耗水量会逐渐降低，因此在同一个相对湿度区间内，随着试验次数的增加，上升期湿度变化率将依次变大，而下降期湿度变化率则依次减小。通过比较每次试验的湿度曲线，可以证明这一点。表2展示了3#测点在90%～95%的相对湿度区间内，每次试验湿度变化率的具体数值。

表2 3#测点90%～95%相对湿度区间湿度变化率

3.2 相对湿度空间分布分析

3.2.1 横隔板的影响

通过对比T梁的相同位置，不同侧的湿度曲线，可以分析得出横隔板对相对湿度变化并没有影响。以图4的3和3-测点的湿度曲线为例，虽然2个测点的起始值不同，但是相对湿度-时间曲线变化规律相同，这也从侧面说明了试验的雾化效果在横断面方向上是均匀的。

3.2.2 端部的影响

通过比较同1次试验时，同侧各测点的湿度曲线，可以发现，T梁两端位置(1及1-测点)相对湿度的初始值明显低于中间位置(2、3及2-、3-测点)，同时相对湿度的上升、下降速度也要比中间位置处大。

分析后认为T梁在端部尺寸加粗，混凝土量增大，水化反应产生的热量较多，混凝土表面温度相比中间位置高出4 ℃左右，导致在相同环境下，初始相对湿度值较低，因此在上升期初期，上升速度明显大于中间位置。而在下降段初期，由于混凝土量增加，水化反应耗水量增加，导致下降速度明显大于中间位置，不变期的持续时间也较中间位置短。因此在实际应用中，为保证T梁养护质量，应在T梁两端加密雾化喷头，并以端部位置处的相对湿度作为控制值来调节工艺参数。

3.3 雾化喷头间距分析

图7 喷头间距对比试验相对湿度-时间

在第3次试验之后，为验证雾化喷头个数对雾化效果的影响，本文将喷头间距变为2 m，即喷头数量变为1/2后，又进行了1次试验，并记录1、1-、3、3-测点处相对湿度的变化曲线，如图7所示，其中3#代表该曲线第3次试验时的数据。通过比较这2次试验相同测点处的湿度曲线，可以发现喷头间距增大对湿度变化产生了不利影响：除了3测点外，其他测点处的相对湿度都明显下降。这是因为虽然喷头间距拉长，雾化机在单位时间内产生的水气质量并没有发生改变，即Qin并未改变，但是过少的喷头个数导致水气在局部集中，从而使雾化效果不均匀。因此，为保证雾化效果建议喷头间距设为1 m。

4 结 语

本文通过对雾化养护方法进行试验研究，并结合理论推导，得到了以下结论。

(1)养护棚内的混凝土表面相对湿度-时间曲线大致可以分为3段：上升期、不变期和下降期。单位时间养护棚内产生的水气的质量Qin和单位时间养护棚内损失的水气的质量Qout是影响相对湿度曲线变化的2个主要因素。

(2)随着养护时间的增加，混凝土水化反应的耗水量会逐渐降低，因此养护后期持续喷雾时间可以减少，喷雾间隔时间可以拉长。

(3)雾化养护下的混凝土梁，除两端尺寸加粗部分外，其他部位的表面湿度分布比较均匀。横隔板对混凝土表面湿度变化基本没有影响。T梁端部的尺寸加粗对混凝土湿度的影响较大，在实际应用中，应在端部处加密布置喷头，同时应以端部处的相对湿度作为控制值。

(4)过少的喷头个数会导致水气在局部集中，从而使雾化不均匀，为保证雾化效果建议喷头间距设为1 m。