建筑技术 | 不同环境温度对预制构件早期养护碳排放量影响的研究

随着装配式建筑标准体系不断完善，混凝土预制构件已成为我国施工行业技术创新的焦点，预制构件行业朝着高品质、绿色化、标准化方向发展，然而目前行业仍然存在诸多问题，如构件厂产能达不到设计产能、劳动生产率低下、生产过程中浪费严重等问题给行业的发展带来了一定困难。结合生产工艺进一步探讨预制构件在不同环境条件下的养护温度、养护时间与强度之间的关系，并针对不同养护条件下的碳排放量进行计算，以期为预制构件的养护过程提供支撑，进而降低耗能。

1　温度对混凝土早期强度的影响机理

混凝土是由胶凝材料、骨料和水共同构成的复杂多相聚焦体，从微观结构来看由水泥凝胶、氢氧化钙结晶、毛细管、未水化的水泥颗粒、孔隙水、凝胶孔隙、骨料颗粒及气泡等组成，其强度取决于：硬化的水泥浆强度、浆体–骨料粘结强度及骨料的特性。在这3个因素中，温度对水泥浆的强度影响最直接，而水泥浆的硬化强度直接决定混凝土早期强度。

温度对混凝土强度的影响表现在以下3个方面：（1）水化反应的速率；（2）混凝土内部结构的特性；（3）蒸发和干燥速率。一般来说温度升高会加快水化反应速率，强度提升更快，同时也导致水分蒸发速度加快，水分的散失既阻滞了水泥的水化，又使混凝土因失水而收缩，导致早期裂缝的产生，因此在高温养护时，尤其要注意混凝土保湿，综合混凝土早期养护对温度与湿度的要求，采取蒸汽养护的方式，可大幅缩短生产周期，提高产出率。

2　配合比及试验结果

2.1　配合比设计

采用C30混凝土开展研究，配合比设计见表1。

表1　C30配合比

注：为提高模具周转率，外加剂掺有早强组分。

此设计配合比混凝土工作性能见表2。

表2　混凝土工作性能

2.2　试验设计及结果

试验在环境温度分别为25 ℃、10 ℃、–5 ℃的3种情况下开展，在设计养护温度分别为25 ℃、40 ℃、60 ℃的条件下，研究时间与强度的关系，试验结果见表3。

注：养护强度为从升温阶段算起达到养护时间后，拆模静置1 h后的强度。

3　试验结果分析

根据试验结果，绘制强度–时间关系曲线如图1~图3所示。

图1　25 ℃环境下养护温度对构件强度的影响

图2　10 ℃环境下养护温度对构件强度的影响

图3　–5 ℃环境下养护温度对构件强度的影响

从图1~图3可以看出，（1）当环境温度为25 ℃时，预制构件在不养护的情况下，8 h可达到拆模强度，在养护温度为40 ℃的情况下，7 h可达到拆模强度，而在养护温度为60 ℃的情况下，5.5 h左右即可进拆模；（2）当环境温度为10 ℃时，在预制构件养护温度为60 ℃的情况下，6 h可达到拆模强度；在养护温度为40 ℃的情况下，8 h可达到拆模强度，而养护温度为25℃的情况下，预制构件在养护9.5 h后仍未达到拆模强度；（3）在环境温度为-5℃时，养护温度60 ℃、40 ℃达到拆模强度对应的养护时间分别为6.5 h和9 h，养护温度为25 ℃时，养护9.5 h后强度仅为15.4 MPa，仅为构件设计强度的51%，不具备拆模条件。

结合混凝土终凝时间及强度时间曲线来看，（1）当环境温度为25 ℃时，预制构件在10 h内完成养护即可满足24 h生产周期要求，首选不蒸养的模式进行构件养护；（2）当环境温度为10 ℃时，预制构件应在养护7.5 h内达到拆模强度，此时养护温度应设置为40~60 ℃；（3）当环境温度为–5 ℃时，混凝土收面时间远大于24 h，此时宜采取模台预热，预养护等方式缩短构件收面时间，而当养护温度为40 ℃时，经历9.5 h养护方能达到拆模强度，因此应提高养护温度。

4　碳排放量计算

结合北京某预制构件厂的实际生产条件进行研究，采用可同时对60 m³构件进行蒸汽养护的立体式养护窑进行预制构件养护，将自动启停蒸汽发生器作为供热设备，窑内温度通过温度传感器进行自动控温，以确保养护温度在预设温度范围内。通过测算，不同环境下不同养护温度对应的燃气使用量见表4。

表4　不同环境下不同养护温度对应的燃气使用量

燃气产生的二氧化碳排放量G按式（1）计算：        

式中：G为碳排放量，kg；M_f为燃料的消耗量，104 Nm³；HV_f为单位燃料的平均低位发热量，按规范取值389.31 GJ/t；C_f为单位热值含碳量，按规范取值0.0561 tC/GJ；OX_f为氧化率，按规范取值99.5 %。根据计算结果，绘制碳排放量与养护时间之间的关系曲线，如图4~图6所示。

图4　25 ℃环境下养护温度对碳排放量的影响

图5　10 ℃环境下养护温度对碳排放量的影响

图6　–5 ℃环境下养护温度对碳排放量的影响

结果所示，从降低碳排放量角度来看，（1）当环境温度为25 ℃时，应选择不养护的模式对构件进行养护；（2）当环境温度为10 ℃时，养护温度60 ℃，达到拆模条件的碳排放量为4 063.68 kg，养护温度为40 ℃，达到拆模条件碳排放量为4 015.87 kg，排放量基本相当，应根据养护时间调节养护温度；（3）当环境温度为–5 ℃时，养护温度60 ℃，达到拆模条件碳排放量为6 474 kg，而养护温度40 ℃达到拆模条件碳排放量为7 266.82 kg，应选择提高温度、缩短养护时间，这与构件生产工艺要求一致。

5　养护工艺要点

5.1　养护设备选择

对于蒸汽发生设备，目前符合绿色环保要求的是燃气锅炉和蒸汽发生器，在能耗方面，蒸汽发生器可进行并联式配置，按蒸汽需求量灵活叠加，远近距离分布式安装，可大幅节省蒸汽管道传输的热损失和管道运行维护成本。同时蒸汽发生器可充分吸收尾部烟气自带的热量，将排烟温度控制在60℃以内，有效减少高温烟气造成的污染和浪费，降低能源损耗，各厂家应根据自身实际情况选择合理设备。

5.2　养护工艺

预制构件的蒸养过程应按照静置–升温–恒温–降温的工艺流程执行。

（1）预制构件收面完成后宜静置15 min，不宜直接升温。

（2）静置阶段过后，缓慢有序地开通蒸汽，持续提高养护温度，升温速度应控制在10~15 ℃/h，谨防产生胀裂性裂纹，最高温度不宜超过60 ℃。

（3）构件达到预设温度后，应停止升温并保持，期间应通过多点测温，控制养护温度。

（4）达到预­设时间后，可有序关闭蒸汽，降低养护温度，降温速率应不超过10 ℃/h，当养护温度接近室温时，方可进入下一步操作。

5.3　构件保湿

预制构件养护过程中要重点关注构件保湿，若构件表面不能保持湿润，会造成水分过早蒸发产生干缩裂纹或水化反应不充分，因此在养护过程中要重点关注构件保湿。常用作法有喷雾、覆盖薄膜等。养护完成后仍需进行后续的保湿养护工作。

6　结论

（1）预制构件厂为提高构件生产效率，可采用蒸汽养护的方式提高构件早期强度，按24 h为一个生产周期计算，从浇筑到养护完成需控制在16 h之内。

（2）在环境温度为25 ℃的情况下，从节约能源的角度来看，首选不蒸养的模式进行构件养护。

（3）当环境温度为10 ℃时，养护温度应设置为40~60 ℃，此时养护阶段碳排放量为4 015.87~4 063.68 kg。

（4）当环境温度为–5 ℃时，宜采取预热模台、预养护等方式缩短构件收面时间，并提高养护温度，降低碳排放量，但不宜超过65 ℃。

（5）构件养护过程中应注意升温、降温速率及构件的保湿养护。