摘要：预制管片的早期温度开裂多由混凝土管片生产养护过程中的管片内部温差引起，对预制管片养护过程的温度性状揭示十分必要。本文对不同时段浇筑的预制管片浇筑后28天不同养护阶段温度进行了监测试验，具体包括静养期、蒸养期、降温期、水养期和自然养护期。其中，管片在静养期，约在2小时后开始有明显的水化升温，升温速率约为1~2.5℃/小时。蒸养期时长约5~6小时，一般经历慢速升温期、加速升温期和减速升温期，耦合水化热影响，最高温发生浇筑后8~10小时，可达60℃左右。预制管片明显降温发在浇筑后10~11小时，受浇筑时刻影响，夜间施工管片，降温期管片的降温速率较大。自然养护期，管片温度受气温影响昼夜波动变化，其内部温度梯度与管片摆放形式和位置相关，向阳面无遮挡管片温度显著高于有遮挡管片，管片沿厚度最大温度差可达5~6℃。为避免自然养护期间的温度梯度引起开裂，建议应关注自然养护阶段管片摆放形式，并注意此养护阶段的温度控制。
关键词：混凝土预制管片；早龄期；温度性状；浇筑时刻；养护阶段
Experimental Study on Monitoring of Early Temperature Characteristic of Prefabricated Segments
Abstract：The early temperature cracking of prefabricated segments is mostly caused by the temperature difference inside the segments during the production and maintenance of concrete segments.It is necessary to reveal the temperature characteristics of prefabricated segments during the maintenance process.In this paper，the temperature of prefabricated segments poured in different time periods was monitored at different curing stages 28 days after pouring.It was found that the early 28 days of prefabricated segments went through quiet curing period，steaming curing period，cooling period，water curing period and natural curing period in turn.Among them，the quiet curing period began to increase obviously after about 2 hours，and the heating rate was about 1~2.5 ℃/h；the steam curing period lasted about 5~6 hours，and generally experienced slow，accelerated and decelerated heating periods.Coupled with the influence of hydration heat，the maximum temperature could reach about 60 ℃ after 8~10 hours pouring.Prefabricated segment cooling occurs 10 ~ 11 hours after pouring.Affected by pouring time，the cooling rate of segment construction at night is higher during cooling period.During natural curing period，segment temperature fluctuates day and night under the influence of temperature，and its internal temperature gradient is related to the form and position of segment placement.The temperature of unshielded segment on the sunward surface is significantly higher than that of unshielded segment，and the maximum temperature difference along the thickness of segment can reach 5~6 ℃.In order to avoid cracking caused by temperature gradient during natural curing，it is suggested that attention should be paid to the form of segment placement in natural curing stage and the temperature control in this curing stage.
Keywords：concrete prefabricated segments；early age；temperature characteristic；pouring time；curing stages
0 引言
近年来，随着我国地下轨道交通的快速发展，城市地下工程数量不断增加。而预制管片是隧道结构施工中的主要构件，其优劣直接决定轨道工程质量和隧道的服役寿命。
研究发现，管片混凝土中有害裂缝大量出现将加速管片整体性能劣化，对隧道结构的耐久性与稳定性产生严重损害[1]。通过对管片生产及施工过程的长期观察，发现管片混凝土裂缝绝大多数与生产阶段混凝土的无荷载变形有关[2-3]。这些裂缝是以混凝土变形为主要原因，在生产养护阶段产生，且在运输施工中加剧发展。预制管片裂缝有塑性开裂、温度开裂、干燥收缩裂缝等。其中，预制管片的温度裂缝多由混凝土管片生产过程中的温差引起的，对预制管片生产过程的温度严格控制十分必要[4-6]。然而，目前的研究大多针对火灾条件下管片的高温损伤研究[7-8]。在早龄期阶段，尤其是早期28天生产与养护阶段的温度性状特征关注较少。此外，研究显示，早期养护阶段环境场对混凝土构件温度分布有显著影响[9]。基于此，本文对不同时段浇筑的预制管片进行浇筑后28天的温度监测，以期揭示预制管片生产养护阶段温度特征，对预制管片早期温度控制提供理论指导。
1 工况设计与实验方法
1.1 工况设计
由于养护环境条件会与混凝土早期水化热发生“共振效应”，增大混凝土管片的早龄期温度。为考虑早龄期养护环境条件的影响，分别设计不同浇筑时刻下预制管片的早期温度监测工况，如表1。
表1 预制管片的早期温度监测工况设计
为了了解预制管片中心与边缘，以及不同厚度位置温度的场分布，分别在预制管片边缘和中心位置附近的不同深度布置3个测点。管片中传感器的布置示意图如图1。图1（b）中边缘和中心位置附近的不同深度测点分别为边缘内侧（也即管片模板底部）、边缘中部、边缘外侧（也即管片模板顶部）、中心内侧、中心中部和中心外侧。
（a）立面图 （b）平面图
图1 温度传感器布置方案示意图
1.2 试验方法
监测采用的温度传感器为智能无线温度传感器，其自带温度信号发射天线和电源。该温度传感器量程为-4℃～+150℃，精度为±0.5℃。传感器工作频率433MHz，发射功率<10mW，信号强度10dBm，传输距离200m。采用无线自动化综合测试系统进行数据采集，可实时采集管片内部温度。预制管片除监控混凝土内部温度外，同时配有气象站采集环境气象条件，包括气温、太阳辐射、风速、环境湿度等。此次试验采用的是PC-8型物联网气象环境站。
为了防止传感器出现信号盲区，出现丢数现象，保障温度监测结果的稳定和有效。在预制管片进入水养池之前分别在蒸养区入口位置、蒸养区出口位置和水养区布置温度采集系统，用以接收不同工况预制管片在不同位置的温度信号。根据现场实际情况，不同管片浇筑与养护时间见表2。
表2 不同预制管片浇筑与养护时间
对预制管片早期28天温度监测主要包含浇筑后静养期，蒸养期，水养期，自然养护期等不同阶段。
根据现场实际情况，表中统计表明，1#、2#、3#、7#、8#管片静养期时长约在2~3小时，蒸养时长约在4~5小时，水养时间约为9天，自然养护监测时长约为19天。由于生产过程中临时缺原材料，4#、5#管片静养时长约为3~4小时，蒸养时长约为14~15小时，水养时间约为14天。6#管片静养时长约为7小时，蒸养时长约为11小时，水养时间约为14天。4#、5#、6#管片自然养护监测时长约为14天。
2 预制管片28天温度性状特征分析
2.1 预制管片早期不同阶段温度特征
以上午8：00浇筑的1#管片早期28天不同阶段的温度特征进行性状分析，具体如图2。其中静养区环境气温约在31~32℃；蒸养升温区室内温度约为42~46℃，蒸养恒温区室内温度约为49~50℃，蒸养降温区室内温度约为42~46℃；脱模后降温区环境气温约为31~32℃；水养池水温约27~30℃。根据气象站监测结果显示，监测期环境气温在20.8~34℃之间，昼夜温差约在4~8℃。
从图2中可以看到，管片早期28天不同阶段的温度特征如下：
（1）预制管片在浇筑后2小时内温度变化不大，约在2小时后开始升温。由于预制管片静养期为室内恒温条件，管片在浇筑2小时后的升温与水泥水化热明显相关。从图2（a）可以看到1#管片在静养期内部温度略高于环境气温，温度约在32~33℃之间，其中，管片厚度中心部位温度略高，可达33℃，管片环内侧位置温度略低。管片混凝土约在2小时后进入水化升温期，静养期内升温速率约为1~1.5℃/小时。
（a）静养期 （b）蒸养期
（c）脱模后降温期 （d）水养期
（e）自然养护期
图2 1#管片早期28天不同阶段的温度特征
（2）预制管片在蒸养室内根据升温速率变化过程可分为3个阶段，分别是慢速升温期（约2小时）、加速升温期（约1小时）、减速升温期（约2~3小时），从图2（b）可以看到1#管片在蒸养室首先经历约2小时的慢速升温期，升温速率约为2.5℃/小时，其次经历1小时的加速升温期，升温速率约为11.1℃/小时，然后是2~3小时的减速升温期，升温速率约为3.1℃/小时。以1#管片边缘外侧温度为例，第一阶段慢速升温期温度由32℃增大至37.1℃，第二阶段加速升温期温度由37.1℃增大至48.2℃，第三阶段减速升温期温度由48.2℃增大至57.6℃。
值得注意的是，蒸养室在蒸养降温区室内环境温度已有所下降，但对应的第三阶段减速升温期，管片温度还在持续上升，此部分原因与管片混凝土自身的水化放热明显相关。
（3）预制管片约在龄期10~11小时左右开始降温，预制管片在脱模后降温期也可分为两个阶段，分别是高温恒温期和降温期。从图2（c）可以看到1#管片在高温恒温期约2小时，温度在55~60℃之间；而降温期约经历2小时，降温速率约为7.5℃/小时，进入水养池前温度为41~52℃间。此外，管片在出蒸养室后温度出现约1小时缓慢下降，随即又增大，维持在高温恒温期。分析原因认为，在管片龄期9~10小时左右，预制管片是水化放热的高峰期，此阶段管片内部温度的波动增大与水化放热峰值有关。预制管片中心部位高温恒温期时长约比内外侧延长0.5~1小时。
（4）管片约在浇筑11~12小时后进入水养池。预制管片水养期可分为降温期和恒温期两个阶段。从图2（d）可以看到1#管片在进入水养池8~12小时为降温期，随后进入恒温期。降温期降温速率约为1~2℃/小时。进入水养池前管片温度在41~52℃之间，管片恒温期温度约在28~30℃左右。
（5）自然养护期，管片内部温度变化总体受环境气温影响显著，呈昼夜波动变化，最高温出现在14：00~15：00，最低温出现6：00~7：00，与气温存在明显的滞后。其中，管片内温度场分布与管片的摆放位置有关，向阳面温度高于背阳面。从图2（e）可以看到1#管片不同位置温度接近，在自然养护期管片温度变化约在21.7~39.9℃之间。其中1#管片中心温度略高于边缘（最大约高1.7℃），且外侧温度略高于内侧（最大约高0.7℃）。以上现象与1#管片外侧为向阳面，内侧受遮挡的实际情况相一致。
综合以上可以看到，预制管片的浇筑后7天温度经历升温期、降温期、温度稳定期三个阶段。管片早龄期温度最大值可达60℃，正常情况下在8~11小时达到温度峰值。到达峰值后正常工况下降温时长大概为13~15小时。对于自然养护期的管片，监测显示管片内部温度变化总体受环境气温影响显著，呈昼夜波动变化。与气温相比，管片温度峰值约滞后2~3小时。管片最高温出现在14：00~15：00，最大可达45℃，最低温出现6：00~7：00之间，约22℃。其中，管片内温度场分布与管片的摆放位置有关，向阳面温度高于背阳面，不同位置温差最大可达5℃。
2.2 不同工况浇筑管片早期温度特征统计分析
对不同工况管片早龄期28天典型温度监测值统计如表3。
表3 不同工况管片早龄期28天典型温度监测值统计
由表3可以看到，预制管片的浇筑后经历静养期，蒸养期，水养期，自然养护期。其中预制管片静养期时长约为2~3小时，约在2小时后开始明显的水化升温，升温速率约为1~2.5℃/小时；蒸养期时长约5~6小时，一般经历慢速升温期、加速升温期和减速升温期，耦合水化热影响，最高温发生浇筑后8~10小时，约达60℃左右。
预制管片明显降温发生在浇筑后10~11小时，降温速率约为7~10℃/小时。预制管片的降温速率与环境气温相关，当环境气温较低时，管片降温速率较大。自然养护期，管片温度受气温影响昼夜波动变化，本文工况温度变化约在20.2℃~45.1℃之间，最高温出现在14：00~15：00，最低温出现6：00~7：00，与气温存在明显的滞后。其中，管片内温度场分布与管片的摆放位置有关，向阳面温度明显高于背阳面。
3 预制管片早龄期温度性状特征对比
3.1 早龄期48小时不同管片温度性状特征对比
分别选取不同浇筑时段的1#、4#、7#预制管片在浇筑后48小时内的中心中部温度进行对比，如图3。其中1#为上午浇筑，4#为下午浇筑，7#为晚上浇筑。
图3 浇筑48小时内监测管片中心温度对比
对比显示，管片从浇筑后历时约10~11小时将达到温度峰值。分析原因认为，与水泥混凝土水化放热的峰值也在9~11小时之间有关。而4#管片，由于在原材料不足临时停止生产，在蒸养室内多停留了10小时，水化热与蒸养室内高温高湿环境联合作用，导致管片温度峰值高达62℃，且高于60℃的高温时长达10小时。此外，从图3中可以看到，1#、7#管片在进入水养池后，最大降温速率约为5.4℃/h、4.6℃/h，4#管片进入水养池最大降温速率约为2.6℃/h。分析原因发现，1#、7#管片脱模后在厂区内降温停留约2~4小时，4#管片脱模后在厂区内降温停留约6小时。可以看到，脱模后，进水养池前，给管片足够长降温时长，可有效降低管
片在水养池中的最大降温速率。
3.2 不同时段浇筑管片早期温度性状特征对比
分别选取不同浇筑时段1#、4#、7#预制管片中心中部温度进行对比，如图4。
图4 不同时刻浇筑管片中心温度特征对比
对比显示，不同浇筑时刻对管片静养阶段以及升温阶段温度影响较小，主要影响管片降温阶段的降温速率。对比图4可以看到，浇筑时刻对降温阶段管片中心温度的降温速率影响较小，对边缘位置降温速率影响较大。从图中可以看到，7#管片降温速率最大，其次是1#管片，最小是4#管片。
结合表2分析认为，7#管片水养时间为上午08：39，1#管片水养时间为下午17：50，4#管片水养时间为下午15：09，相较来看7#管片水养池的水温最低，以上也是影响管片降温速率的原因之一。另外，实际上管片拆模之后，室内环境温度对管片降温速率也有影响，7#管片出蒸养室为上午04：09，此时环境温度较低，为增大了管片的降温速率。
由于浇筑时段不同，自然养护阶段不同管片温度峰值存在相位差。对比温度峰值特征来看，4#管片温度峰值最大，其次是7#管片，最小是1#管片，不同管片温度峰值差值最大可达6℃左右。分析认为，不同管片温度差异主要是由摆放位置造成，受浇筑时刻影响较小。不同管片依次摆放，4#、7#管片为向阳面因此管片温度峰值较大。而1#管片摆放在管片中间，内侧与外侧均受到不同程度遮挡，因此温度峰值较小。
综合看来，夜间施工管片，出蒸养室为上午，此时环境温度和水温均较低，管片的降温速率较大。而自然养护阶段，管片温度受浇筑时刻的影响较小，主要与管片摆放位置相关，向阳面无遮挡管片温度显著高于有遮挡管片。
3.3 预制管片不同位置温度性状特征对比
选取1#、4#预制管片不同厚度、不同位置温度进行对比，如图5~6。
（a）1#管片中心 （b）4#管片中心
图5 管片不同厚度早龄期温度特征
从图5可以看到，预制管片在浇筑后7天，管片内部沿厚度方向的温度梯度较小，也即厚度对管片的影响较小。分析原因认为，管片浇筑早期依次经历的静养、蒸养、降温、水养阶段，环境与水养护温度都比较稳定和均匀，对管片不同厚度温度影响较小。在自然养护阶段，图5显示，1#管片不同厚度温度接近，中心温度略高，而4#内侧温度峰值明显大于外侧，内外侧温度差值最大可达5℃。分析认为，1#管片摆放在管片中间，内外侧未受太阳辐射直接影响，因此沿厚度不形成明显线性温度梯度，中心温度由于散热慢显示温度较高。而4#管片摆放在管片最外侧，管片内环测直接受太阳辐射影响，因此正午时刻显示更高的温度峰值。
（a）1#管片中部 （b）4#管片中部
图6 管片不同位置早龄期温度特征
从图6可以看到，在蒸养期，管片中心和边缘存在温度差，尤其是在4#管片差值可达5.4℃，中心温度峰值最大可达62.1℃，边缘温度最大峰值可达56.7℃。分析原因认为与管片的模板构造有关，管片模板中部是暴露在环境中，更容易与环境进行热交换。在降温阶段，管片边缘与中心位置降温速率接近，且进入水养池后，温度后期发展较为一致。在自然养护阶段，1#管片边缘与中心位置温度值区别较小，4#管片边缘温度略高于中心温度，温度峰值约高1~2℃。
总体看来，模板对管片不同位置温度的影响主要发生在早期（约前48小时），对后期影响较小。自然养护阶段边缘与中心位置温度差异与摆放形式和位置有关，量级差异也较小。管片不同厚度对温度的影响与管片的摆放位置有关，向阳面无遮挡管片温度显著高于另一侧。当两侧均暴露和均遮挡时，管片中心温度略高。
4 结论与建议
（1）预制管片静养期时长约为2~3小时，约在2小时后开始明显的水化升温，升温速率约为1~2.5℃/小时；蒸养期时长约5~6小时，一般经历慢速升温期、加速升温期和减速升温期，耦合水化热影响，最高温发生浇筑后8~10小时，约达60℃左右；预制管片降温发在浇筑后10~11小时；自然养护期，管片温度受气温影响昼夜波动变化，约在20.2℃~45.1℃之间。
（2）浇筑时刻主要影响管片降温阶段的降温速率，尤其是对边缘位置降温速率影响较大。夜间施工管片，出蒸养室为上午，此时环境温度和水温均较低，管片的降温速率较大。
（3）模板构造将引起早期管片边缘温度低于中心温度可达约5.4℃，主要发生在早期（约前48小时），对后期影响较小。自然养护阶段管片温度与管片摆放形式和位置相关，向阳面无遮挡管片温度显著高于有遮挡管片，最大温度差可达5~6℃。
（4）综合预制管片生产工艺和早龄期温度发展特征，研究显示可通过延长静养期时长，利用管片早期水化热缩短蒸养升温时长，降低能耗；应延长管片降温静养时长，以降低管片在水养池中的降温速率。另外自然养护阶段管片的摆放形式和位置对其沿厚度方向的温度梯度明显影响，为避免此期间的温度梯度引起开裂，应注意自然养护阶段的温度控制。
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论文作者:郭志利
论文发表刊物:《基层建设》2019年第26期
论文发表时间:2019/12/16
标签：管片论文; 温度论文; 小时论文; 速率论文; 约为论文; 阶段论文; 水化论文; 《基层建设》2019年第26期论文;