[科普中国]-蒸汽养护混凝土

背景

混凝土性能主要由混凝土组分、混凝土配制和混凝土养护等因素决定。在原材料、配合比和施工工艺一定的情况下，混凝土的养护，特别是早期的养护方式、养护温度、养护湿度、养护时间等的控制，对混凝土水化硬化程度、强度发展、耐久性等均有着重要影响。

养护温度对混凝土的早期性能的发展速度有很大的影响。一般来说，养护温度越高，强度发展越快。研究表明当温度低于某一限值时，水泥水化反应将不再进行，混凝土强度停止发展，这个温度在－ 10 ℃左右。实际上，在温度低于0 ℃的情况下，混凝土中的水分己经开始结冰，这将导致混凝土的冰冻损伤。同时早期的混凝土所处的环境没有保持充分的湿度，可能造成混凝土中水分大量蒸发，其后果: 一方面因干燥失水而影响水泥继续水化; 另一方面混凝土干燥收缩加大，使混凝土在低强度状态下承受收缩引起的拉应力，导致混凝土出现早期裂缝。因此在这种昼夜温差大、低温在零度以下地区，更多去选择蒸汽养护保证混凝土在前期养护过程中对于温度和湿度的要求，从而才能保证其强度及各项性能。4

冬季低温环境下的混凝土养护，北方严寒地区一般采用燃煤蒸汽养护，南方湿冷地区一般采用常压烧水供热，小型煤炉蓄热等方式，随着雾霾的日益加重，全社会对PM2．5的高度关注，北方常用的燃煤蒸汽养护以及南方常采用的小型煤炉蓄热养护的方式均会产生二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳等有害气体以及PM2．5。此类燃煤蒸汽蓄热的方式已不能被全社会接受，我国水电能源相对较为充裕，同时不会产生此类污染，因此，电热产生蒸汽的方式尽管在费用方面略高，经济效益略差，但具有良好的社会效益，相比之下，混凝土电热蒸汽养护方式已逐步推广使用，随着可编程逻辑控制器在工业控制领域的广泛应用，基于电热蒸汽的基础上，引入无线测控技术与计算机数据处理技术，以实现现场电热蒸汽养护的自动化与程序化，同时提高其养护的精确性与科学性是完全可行的。5

混凝土冬季养护方式及存在问题目前冬季低温环境的混凝土养护，北方地区一般采用的燃煤蒸汽养护，南方地区一般采用蜂窝煤炉蓄热养护和热水养护，电热蒸汽养护目前也逐步推广使用。

燃煤蒸汽养护此方式在产生蒸汽的过程中，同时产生大量的有害气体( 二氧化碳，二氧化硫，氮氧化物) 以及PM2．5。一些较大的预制梁场，需要投入较多资金建设蒸汽锅炉房以及沿梁场所有台座处布置蒸汽输送管，蒸汽输送管的输送距离过远也直接导致沿途热量损耗大，且蒸汽养护的过程中需要人工24 h不间断轮班。

蜂窝煤炉蓄热养护此方式一般在覆盖的混凝土内放置若干小型蜂窝煤炉，通过燃烧煤炉产生的热量进行蓄热保温，其在保湿上没有任何效果，且在燃烧过程中产生较多的一氧化碳气体，而一氧化碳在于混凝土表面接触后会加剧混凝土的碳化，同时一氧化碳的存在于养护棚罩内对进入内部的施工人员存在较大的安全隐患。

冬季热水养护此方式一般通过电热方式将水烧至一定温度再喷洒在混凝土表面上，有一定的保温保湿效果，但随着水的流失热量散失快，混凝土表面一些区域或蓄水，供热不及时，温度下降时可能结冰。

电热蒸汽养护此方式通过电热产生蒸汽，无污染，但在施工过程中仍需要人为控制启动与停止，通过人工测量养护的温度与湿度去判断是否供应蒸汽，因而养护质量与操作人员的责任性关系很大，尤其是夜间进行温度测量工作等难以落实，所有存在较大的局限性。5

蒸汽养护的工艺流程预养期也叫作静停期，是将混凝土预制构件在浇筑完成后放置在室温下进行养护的过程。混凝土预制构件中的固体颗粒在重力作用下会下沉，内部气泡会向外扩散，这样做能够使得内部气体顺利排放出去，并且能够提高水泥在蒸汽养护前的水化程度，使水泥能够具有一定的初始结构强度，在这一阶段，初始强度一般应控制在0.4～0.5MPa。

升温期在蒸汽养护工艺操作过程中对混凝土性能的影响非常重要，产生的放气现象能够引起显著的破坏作用。当混凝土预制构件受到蒸汽养护后，其在混凝土预制构件的表面会立马的冷却和凝结，然后就会产生冷凝水膜的现象并且会立即产生冷凝热蒸汽，在这个时候，气体和水分就会在混凝土的内部进行传输，将一些孔都慢慢的连接起来，从而形成了定向的孔缝，然后混凝土的体积就会迅速的膨胀和增大。由于混凝土的初始结构在升温期，那么它的强度就会比较低，其内应力还没有形成，这时候混凝土的预制构件结构就容易受到外界的伤害。一般情况下，由于一些混凝土的结构，比如混凝土的孔隙率会慢慢增多、产生体积增大等等缺陷，其大多数是在升温的阶段产生的，所以说，我们对于升温的速度要求比较严格，速度不能够过快。最好是能够分段的进行升温，就是先慢慢的升温，然后再一点一点的加快升温，这样才能够大大降低液相和气相出现热膨胀后产生的破坏性影响。

混凝土预制构件强度增长的重要时期是恒温期，在这个阶段，我们需要注意不要设定保温的温度过高，因为这样会影响其强度的增长，所以，在这个阶段我们尽量不要提升混凝土预制构件的恒温养护的温度。这个时候，水泥的水化反应会比较的剧烈，而混凝土中的微管多孔结构已经慢慢的产生。由于水泥的水化热反应会造成混凝土的内部温度在一定时间内超出介质温度，其内部的水分、气体都会继续的产生膨胀，但是这个阶段的混凝土预制构件结构的强度已经慢慢的加强了。伴随着水化的进行，减缩也在增加，这些因素都能够帮助混凝土预制构件抵御不利因素的影响。

在降温的时期，混凝土的预制构件的结构就会慢慢的定型，这时候混凝土的内部所发生的变化主要是由于混凝土内外的温差、体积的收缩、水分的汽化、拉应力大学而造成的。降温期降温速度的合理选择要依据混凝土预制构件的尺寸大小选择，如若不然，一旦降温速度太快就会造成混凝土预制构件产生的收缩和拉应力过大，进而致使混凝土预制构件产生微裂缝。

蒸汽养护工艺流程的的四个阶段都是非常重要的，四个环节都不能忽视，缺一不可，它们都能够直接影响到混凝土预制构件的外观质量和结构性能。6

蒸汽养护工艺对水泥水化生成物的影响在大部分技术论著中，人们都认为在规范、标准的混凝土硬化过程和混凝土蒸汽养护过程中所引起的水化产物之间没有什么区别。因为伴随着温度的逐步升高，只是化学反应速度被加速提高了，其他方面是没有被影响到的。当温度达到80摄氏度时，其水化的速度会增加很多倍，所以在实际的制造操作中，混凝土管桩的初步养护过程中都是在80摄氏度左右才进行养护的，而我们所得到的实际结果也佐证了以上的理论是正确的。

但是，有一个问题就是混凝土的强度在蒸汽养护条件下较低于混凝土标准养护条件下的强度，产生这个问题的原因是由于受新生物的分散的影响，那么混凝土的硬化强度就会出现变化，水化反应时的温度越高，生成的新生物分散程度就会越低，从而造成了混凝土强度的降低。6

蒸气养护监控措施在蒸气养护阶段，为使结构砼不产生裂缝，准备在箱梁的不同结构厚度砼内埋设Cu50铜电阻温度应变片（共35个点位），接温度读数仪表来测定不同阶段结构砼内的温度变化（接近外模，距砼外表面2cm处也埋设Cu50铜电阻温度应变片，以测定外模在喷涂聚氨脂泡沫塑料保温层后的保温效果）。另外在箱孔内放置4个Cu50铜电阻温度应变片，箱梁表面覆盖层内同样放置4个Cu50铜电阻温度应变片，以测定养护的温度。

根据不同阶段测出的砼内平均温度来随时调整蒸气养护温度，温差控制在≤15度内，以有效控制结构砼温差裂缝的产生。另外，通过箱孔内外各放置的4个测温点读数可以控制各蒸气注入支管在注入蒸气时的阀门控制，以使箱孔内外的养护温度基本保持一致。

蒸气养护时注意点蒸气管呈搁空纵向铺设，在施放蒸汽时不直接对着梁体和模板，避免产生局部高温；在冬季蒸气注入管外包裹专用保温套，以确保蒸气正常供应（即用管状硬质泡沫塑料外裹银色返热布制成）。

蒸汽养护的成败关键是控制好升降温过程，特别是降温阶段，由于在高温下混凝土的早期抗压强度增长较快，但其抗拉强度没有做到同比例增长，强度低。若降温梯度过大容易产生在砼结构中产生较大的温度拉应力，从而产生裂缝。在升降温阶段温差控制至关重要，通过改善蒸汽养护的条件，加强蒸汽养护的监控等确保温度梯度在10~15度范围内可以有效避免裂缝的发生。7