基于空氣源熱泵的鋼筋混凝土管片初期養護技術分析

蘇建秒

（中鐵十八局集團第四工程有限公司，天津 300350）

鋼筋混凝土管片初期養護直接關系其質量，很多地鐵工程鋼筋混凝土管片施工完成投入使用不久后，就出現了管片裂縫，以及滲漏問題，嚴重影響了地鐵運行的安全性。早期鋼筋混凝土管片初期養護中多采用蒸汽供熱初期養護技術，管片生產循環2～2.5 次/24 h，而且需要人工調節閥門來控制管片養護，蒸汽過飽和會冷凝成水滴，燃燒后排出有害氣體，人工調控溫度存在很大的不確定性，容易形成裂縫，管片受到移動小車加速的干擾，外弧面易產生拉應力裂紋。隨著近年北方地區環境污染壓力加大，環境污染治理任務嚴峻，尋找環保能源進行管片初期養護，是實現管片生產節能減排和產業升級的客觀要求。隨著環保要求的提高，清潔節能的初期養護設備也逐步應用于管片生產。管片生產中出現裂紋多發生在管片生產早期的混凝土初期養護期，對管片抗壓強度和抗滲指標及盾構隧道的使用壽命和安全性影響很大，因此，管片的初期養護具有特殊的意義。而采用空氣源熱泵初期養護技術可有效解決上述問題，管片生產循環3～4 次/24 h，養護窯中熱氣比蒸汽具有更好的傳熱效果，熱風可循環利用，節能效果比較好［1］。以下結合天津地鐵6 號線工程（梅林路站～咸水沽西站）實例，對基于空氣源熱泵的鋼筋混凝土管片初期養護技術進行以下分析，具體如下。

1 工程概述

天津地鐵6 號線工程（梅林路站～咸水沽西站）鋼筋混凝土管片制作共17 822 環，其中內徑為5.9 m的管片16 923 環；內徑為5.5 m 的管片899 環。管片厚度均為0.35 m；混凝土設計強度為C50；抗滲等級≥P12。因工程管片的需求量大、生產工期短，常常多個區間同時供應管片，供應高峰期23 個區間的十幾臺盾構機同時作業，單日管片需求量最高達200 環。

2 空氣源熱泵管片養護的技術特點

管片養護包括初期養護6～8 h、浸水養護7 d、淋養14 d 3 個階段，本文主要討論初期養護的方法改進。由傳統鍋爐供熱的蒸汽養護升級為空氣源熱泵的初期養護。

空氣源熱泵管片初期養護技術采用空氣熱源泵供熱來對管片進行初期養護，通過消耗一定的外界功（電能）作為補償過程而實現制熱，具體的養護原理圖如圖1 所示。

圖1 空氣源熱泵管片初期養護原理圖

空氣源熱泵管片養護是一種新型的初期養護技術，和傳統蒸汽供熱養護技術相比，具有非常顯著的技術特點，具體如下：

（1）可實現智能化養護。通過PLC 智能化控制系統，對管片生產初期養護全過程中的溫度、風量、熱能循環再利用等進行智能化管控，可降低人為因素對養護造成的不利影響［2］。

（2）綠色節能效果顯著。在整個養護過程中只需要用到電力，無需燃煤、天然氣，也就不會造成環境污染。

（3）機動靈活性比較高?？諝庠礋岜眉瓤梢栽谲囬g內進行批量鋼筋混凝土管片預制生產初期養護，也可以在施工現場，或者是野外開展零星的養護。

（4）施工參數設置科學合理。將空氣源熱泵應用到鋼筋混凝土管片初期養護中，完全遵循了混凝土的養護規律，對現場養護數據和參數可進行實時監控和采集，以保證每個養護階段的參數都符合設計要求［3］。

3 空氣源熱泵在鋼筋混凝土管片初期養護中的應用

空氣源熱泵供熱系統由16 臺50P 空氣源熱泵機組組成，固定窯由17 個并排單個養護窯組成，每個窯長18.4 m，寬6.0 m，高2.44 m，進出窯門寬5.5 m?？諝庠礋岜脵C組安裝在13～17 號窯窯頂，供風和回風分別由兩臺90 kW 的離心風機完成，供風和回風風道設置在養護窯底部，為鋼筋混凝土結構，與養護窯同時施工。

3.1 工藝流程

雖然將空氣源熱泵應用到鋼筋混凝土管片初期養護中具有很多明顯的優勢，但在實際應用中，為最大限度上發揮出空氣源熱泵的優勢，還需要嚴格按照相應的工藝流程進行應用，具體的空氣源熱泵用于管片初期養護施工技術的工藝流程如圖2 所示。

混凝土澆筑完成后，通過子母車體和平移模具聯合作用，將管片固定到指定位置，再進行混凝土收面、覆蓋塑料布養護。待工人全部撤出養護窯后，將養護窯門關閉，開始管片初期養護，通過操控PLC 控制系統，開啟回風孔上的百葉窗及固定窯下部的送風，通過風機快速將加大風壓的熱風從風道輸送到養護窯中，使養護窯中的溫度升高，以加快管片混凝土強度增長速度，熱空氣通過回風通道回流到空氣源熱泵中可重復加熱利用，形成一個熱風回收循環系統［4］?？諝庠礋岜幂敵鲲L口的空氣溫度最高可達到80℃，回收熱風溫度通常在25～40℃之間，比重新加熱環境空氣更加節能。窯內溫度通過PLC 控制器自動控制。

3.2 輸入熱風循環

輸入熱風循環是基于空氣源熱泵的鋼筋混凝土管片初期養護的關鍵技術，對整個管片初期養護的效果有很大影響，具體的循環過程如下：

首先，通過空氣源熱泵壓縮形成輸出初期養護所用的熱風，空氣源熱泵機組通常放在13～17 號養護窯窯頂位置，整個熱風循環系統由空氣熱源泵機組、風機、風道、養護窯等結構共同組成，現場布設圖如圖3 所示。

圖3 空氣源熱泵機組和熱風流向圖

然后，熱風從養護窯頂部的空氣源熱泵機組出風口輸出，進入到風機，被風機加速后，再輸送到養護窯送風管道，進入到養護窯中進行循環后，再通過回風管回到空氣源熱泵機組中［5］。實際所需的送風量以及回風量可按照管片養護期間內升溫、恒溫、降溫的同時段通過PLC 控制系統進行自動控制，以最大限度上保證能夠按照提前設定好的養護溫度進行自動調節，促使鋼筋混凝土管片養護的強度增長能夠達到預期的目標，固定養護窯剖面圖如圖4 所示。

圖4 固定養護窯剖面圖

最后，固定養護窯內初期養護不同階段熱風養護?；炷翝仓瓿珊?，啟動模具小車，按照提前設定好程序及線路，通過子母車將管片依次送入到獨立的養護窯中，在每個養護窯中都可以放置1.5 m 環寬向7 個模具，混凝土量加模具的總重量大約在60～64 t 之間。在管片初期養護的升溫階段，開啟送風百葉窗，以增大風量；在恒溫養護期間，風量維持平衡不變；在降溫養護期間，關閉送風百葉窗，回風百葉窗可按照穩定下降的實際情況進行開啟和關閉［6］。結合鋼筋混凝土管片生產速度、工藝流程、循環周期等，通常有7～10 個養護窯同時在升溫以及恒溫階段進行送風養護，而其余養護窯則無需送風，養護窯底部風口的百葉窗和溫度傳感器布置圖如圖5 所示。

圖5 養護窯底部風口的百葉窗和溫度傳感器

3.3 固定養護窯及風道

通過窯內配置的智能溫度感應器，數據可傳到中央控制室，進行遠程控制獨立固定窯溫度，實現固定窯內升降溫，實現管片生產初期養護智能化。固定養護窯內溫度控制采用PLC 控制器控制，PLC 控制器觸摸屏可以實時輸入數值進行設備基本參數設置，一鍵啟動功能，自動控制，自帶糾偏功能［7］。2.87 m2大斷面風道使熱風供應暢通無阻。為空氣源熱泵配置1 250 kVA 變壓器，兩個90 kW 離心風機，風量可達200 000 m3/h，風壓大于1 600 Pa，整個通風系統實現熱風利用最大化及降低成本，保證熱風循環系統循環高效、順暢。溫控操作平臺實時監控顯示屏如圖6 所示。

圖6 溫控操作平臺實時監控顯示屏

3.4 質量控制措施

為保證管片工程質量，需要配備熟練的操作工人，通過各控制點質量目標的實施來確?？傎|量控制目標的實現，確保管片生產按期完成。在施工管理過程中嚴格按照施工組織設計、作業指導書和操作規程施工，嚴格落實質量考核和獎罰制度。嚴把材料進場關，保證材料質量。熱源空氣在混凝土管片初期養護運用設計的整個熱風循環系統有缺相、漏相以及相序保護，配套離心風機有獨立的過載保護，整套系統設計有運行指示、聲光報警、報警記錄等報警功能。每臺空氣源熱泵都安裝有過濾網，為防止塵埃堵塞換熱器，安排專人定期打掃清理灰塵。在整個初期養護過程中塑料布全程覆蓋管片外弧面，見圖7?；炷僚浜媳缺Ｕ洗胧鹤龊帽?、優化混凝土的水化反應?；炷了磻挠盟?水泥用量=0.27，C50 混凝土配合比中的水膠比為0.32，遠大于混凝土水化反應的用水量，混凝土中自身具有的水量完全滿足混凝土水化反應所需用水量，而且在管片初期養護時采用塑料薄膜覆蓋減少水分蒸發、散失［8］，保證混凝土水化反應的用水量。因此在蓋好塑料薄膜的情況下，混凝土中水分完全滿足水化反應的用水量需求，管片外弧面保持濕潤，沒有裂紋。

圖7 靜養后覆蓋塑料布圖

4 養護效果分析

空氣源熱泵初期養護開始時窯內溫度25 ℃，按小于15 ℃/h 的升溫梯度升溫至55 ℃，升溫2.5 h（冬季3 h）左右；恒溫2 h（冬季3 h）左右；再按照降溫梯度≤20 ℃/h，使管片降溫至30 ℃（冬季20 ℃）以下出窯，用時8 h（冬季10 h）。升級后的智能溫控系統，實現固定窯的17 個窯獨立升溫、恒溫、降溫。升溫梯度由小于15 ℃/h 細化為1 次3 ℃/15 min，降溫溫速同理設置。杜絕了初期養護混凝土溫度裂紋，達到最優的溫度曲線。采用空氣源熱泵為17 個獨立固定窯分別供熱養護，自動控制系統通過窯內智能溫度感應器遠程控制空氣源熱泵送風量來調節窯內溫度，實現窯內升溫、恒溫、降溫，通過智能控制熱風循環系統還能實現熱能回收再利用。每個養護窯都單獨升降溫、精準控溫，減少了管片表面溫度與窯內氣溫之間大溫差引發的溫度裂紋，使管片生產初期養護提速增效明顯，實現單條流水線管片生產達到了日產72 環的國內最高水平。在保證安全質量前提下生產工期大大縮短，質量優良，為保障工程建設任務的順利實施做出重大貢獻。在天津地鐵6 號線工程（梅林路站-咸水沽西站）管片制作工程中得到成功的應用。

采用空氣源熱泵養護的鋼筋混凝土管片強度全部符合要求，并且在整個養護期間，制作同條件抗壓試塊和標準養護試塊各2 300 組，試塊的抗壓強度統計表如表1 所示，管片混凝土強度-時間曲線圖如圖8 所示。

表1 混凝土管片試驗強度增長記錄

圖8 管片混凝土強度-時間曲線圖

由表1 看出，隨著養護時間的增加，混凝土管片的強度逐漸增大，監測的管片平均強度、最低及最高強度值均符合標準要求。

從圖8 看出，采用空氣源熱泵的鋼筋混凝土管片初期養護技術，相同養護時期內，因其溫控準確、周期縮短，管片的強度得到了快速穩步提升。和傳統初期養護技術相比，熱源空氣輻射循環供熱，固定窯一體化施工和風道無縫連接，采用智能溫控系統，實現固定窯的17 個窯獨立升溫、恒溫、降溫，使空氣源熱泵機組發揮出最佳的效能。

根據鋼筋混凝土管片的強度和抗滲（檢漏）標準：滲漏檢驗1.2 MPa 水壓力作用下，恒壓3 h，滲透深度小于5 cm。盾構區間管片采用C50、P12 高強度高抗滲混凝土制作，可提高混凝土的耐久性。使用該技術生產的管片，制作抗滲試塊680 組和檢漏試驗30 組，全部符合要求?？諝庠礋岜灭B護過程中未發生任何安全、質量事故?？諝庠礋岜糜糜诠芷跗陴B護的施工技術應用比原蒸汽初期養護的計劃工期縮短70 d，滿足了管片供應，保障了施工安全。該技術的成功應用使得該工程在管片初期養護環節節約成本約756.16 萬元?？諝庠礋岜貌粌H可以在車間批量生產運用，因其體積小、重量輕、安裝方便快速、機動靈活性好，亦可以在野外零星工程中運用，具有很好的推廣價值。

5 結語

綜上所述，結合天津地鐵6 號線工程（梅林路站-咸水沽西站）實際情況，分析了基于空氣源熱泵的鋼筋混凝土管片初期養護技術。分析表明，使用此項技術后可有效提升管片養護質量和效果，為地鐵施工提供了高質量的管片支撐，實現熱源空氣在鋼筋混凝土管片初期養護的成功應用，由原蒸汽初期養護的單日2～2.5 個循環/d，提速到3～3.5 個循環/d。管片外表面裂紋基本消除，兩端混凝土下墜基本解決，質量提升明顯，得到業主和盾構方一致好評。隨著此項技術的推廣及進一步深入的研究，空氣源熱泵在管片初期養護階段施工項目將為固定養護窯流水線管片制作起到重要技術支撐。與此同時，該技術解決了我國在管片初期養護施工中的環保、節能問題，為今后制定管片初期養護的技術積累基本數據；為相同或相似類型條件下混凝土預制件初期養護施工積累寶貴經驗。此項技術取得了很好的經濟效益和社會效益。