0 引言

在预制混凝土T梁生产过程中，为了提高生产效率，可采用蒸汽养护实现规模化制造预应力混凝土T梁^[1]。蒸养可通过高温高湿的外部环境加速混凝土水化反应，使混凝土早期强度与弹模迅速增长，从而显著缩短养护周期，加快工程进度^[2]。

近年来，蒸汽养护工艺得到了广泛应用。目前国内外关于蒸养工艺的研究主要集中在混凝土材性层面^[3-5]。Liu^[6]从内部微观角度对蒸养作用下的混凝土试块开展研究，研究表明蒸养之后对混凝土进行保湿养护，可显著减少孔隙分布；Lou^[7]利用混凝土试块对蒸养过程中断裂特性演变规律进行了研究；Duan^[8]研究了恒温阶段蒸养温度对机制砂混凝土抗压强度的影响；Zhou^[9]研究了不同蒸养制度对混凝土性能和微观结构的影响。

国内耿健^[10]研究发现蒸养过程的升温速率、恒温时长、恒温温度均对混凝土的孔结构有影响；贺炯煌^[11]以混凝土试块为研究对象，分析了蒸养混凝土与标养混凝土在不同水化程度下的差异，并认为随水化程度增长混凝土力学性能差异逐渐变小；张高展^[12]研究发现水化硅酸钙凝胶是混凝土强度来源，而蒸汽养护的水化硅酸钙凝胶具有较高聚合度，因此蒸汽养护可以快速提高混凝土强度；吴业君^[13]研究了蒸养条件下C50预制混凝土构件的混凝土强度发展，但未深入研究混凝土结构蒸养温度场。

目前，国内外关于蒸汽养护过程的研究主要围绕混凝土试块展开，从材料层面分析了蒸汽养护混凝土和自然养护混凝土之间的差异，而缺乏蒸养温度对工程结构影响的深入分析。在蒸汽养护条件下，预制T梁混凝土水化反应速率会受到自生热和蒸养温度的双重影响，温升规律尚不明确。传统养护条件下混凝土结构水化热的影响因素分析主要集中在水泥类型、入模温度、配合比和矿物掺合料等^[14-16]，而对蒸养方案的研究十分有限，现有规范中也缺乏对此部分的详细要求。因此，蒸汽养护对混凝土T梁早期水化反应的影响值得进一步研究。

因此，本研究以30 m蒸养T梁为试验对象，通过试验测试和数值模拟，分析蒸养T梁早期温度场变化和强度、弹模发展规律，研究结果对工业流水线蒸养T梁预制施工工艺的优化有着极为重要的现实意义。

1 蒸养T梁流水线生产工艺

工业流水线生产工艺可解决传统预制场固定台座工艺占地面积大、生产周期长、生产效率低，临时建设无法长期运营，土地、资源浪费等难题，在自动化、绿色化、智能化生产方面具有较大优势。该工艺将T梁生产的每个工序固定在相应工位，并根据工序所需要时间分配工位数量，每个工位配备的设备和人员仅需完成固定的施工内容，可极大提高施工效率。

蒸养T梁流水线生产工艺流程主要分为钢筋、模板、混凝土、蒸汽养护、初张拉预应力、提梁运输6个部分。当T梁蒸养结束后，一般会立即进行初张拉并提梁运输至存梁区，从而提高台座周转效率。蒸养方案的制订不仅需要考虑预制T梁混凝土力学性能是否满足初张拉要求，同时应具备一定的经济性。因此，合理的蒸养方案制订在流水线生产工艺中显得尤为重要。

2 T梁早期温度场测试

为了研究合理的蒸养制度，依托实际工程项目，开展蒸养T梁早期温度场和力学性能的试验研究。

2.1 混凝土配合比

蒸养T梁混凝土设计强度为50 MPa，其配合比如表 1所示。其中，水泥采用普通硅酸盐P·0 42.5水泥，矿渣粉级别类型为S95，粉煤灰类别为F类Ⅱ级，高性能减水剂类别为ZWL-A-IX。根据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T50080—2016)，测得混凝土坍落度为170 mm，泌水率为6%，表观密度为2 404.66 kg/m³。

2.2 蒸养方案

试验梁拟定的蒸养制度如图 1所示。主要分为3个阶段：升温阶段从环境温度开始，2 h后达到恒温温度50 ℃，升温速率15 ℃/h；然后保持50 ℃恒温7 h；降温阶段进行1 h的自然冷却，降温速率5 ℃/h。养护10 h后将试验梁移出蒸养室。蒸养室内环境温度严格按蒸养制度控制，并通过自动温控系统调节。

2.3 试验方案

为了明确蒸养制度的合理性，分析T梁在蒸养环境下早期水化热温度发展规律，通过在梁体内预埋温度传感器对早期水化热和蒸养耦合温度场进行跟踪测试。

根据T梁结构对称特点和类似项目经验，T梁测试断面选取端部截面T1和跨中截面T2，如图 2所示。T梁端部和跨中截面分别布置8个测点，从上到下分别为T-1至T-6，其中T-7和T-8为测试截面环境温度测点，其分别绑扎在T梁顶板和横隔板裸露的外部钢筋上。温度传感器采用长沙金码半导体温度传感器，测试精度±0.5℃，温度范围0 ℃至100 ℃，试验数据采集通过长沙金码JM2X-32综合采集系统，并在系统中设置每隔10 min自动记录1次。

试验测试过程如下：(1)首先在钢筋笼上绑扎温度传感器，传感器安装完成后，将钢筋笼吊入钢模板中进行混凝土浇注；(2)浇注完成并静置5 h后，开始T梁蒸养；(3)蒸养过程中通过设备定时采集T梁温度数据；(4)蒸养结束后将梁体移出蒸养室，拆模并进行T梁初张拉。

3 试验结果与分析 3.1 T梁早期温度及温差变化

试验测得T1截面温度变化时程曲线如图 3所示。由于温度数据采集仪放置在蒸养室侧面，并通过底部格栅将蒸养室内数据线引出，当蒸养结束即10 h时需将T梁移出蒸养室，此时需将数据线与采集仪断开，待T梁完全移出蒸养室后重新进行连接，因此图 5中缺少了10~11 h的实测温度数据。由图 5可知，由于热空气上升，蒸养室内上部环境温度会略高于下部环境温度，同时T梁上部测点温度同样略高于下部测点。10 h时T1截面最高温度为63.0 ℃，位于T1-2测点；最低温度位于T1-6测点，约为58.1 ℃。蒸养结束后，T1截面芯部混凝土由于散热较慢，在水化热作用下，温度会在短期内继续增加，实测T1截面在14 h时最高温度达到68.5 ℃。

试验测得T2截面温度变化时程曲线如图 4所示。由图可知，同样受热蒸汽上升影响，测试截面上部测点总体温度高于下部测点。10 h时T2截面最高温度为64.6 ℃，位于T2-1测点；最低温度位于T2-6测点，约为55.5 ℃。在结束蒸养后，由于跨中截面厚度较薄，相比端部截面易受外界环境温度影响，因此各测点温度在移出蒸养室后缓慢下降。

试验测得T梁端部与跨中截面内表温差如图 5所示。由图 5可知，T梁各测区表面与芯部温差数值呈现先增大后减小的变化规律。测试T1截面最大温差出现时间略晚于T2截面，原因是蒸养首先使混凝土表面温度升高，当蒸汽温度通过表面热交换、内部热传导影响到芯部混凝土，二者温差开始减小，同理蒸养结束后表面混凝土易受环境温度影响，最终导致混凝土芯部温度比表面高。由于T2截面厚度相对T1截面较小，因此蒸养带来的高温高湿环境能够更快影响到T2截面，使得T2截面最大温差出现时间早于T1截面。

试验梁测试截面早期温度及温差对比情况如表 2所示。由表 2可知，测试截面最高温度均出现在T梁顶腹板交接处芯部位置，其中端部截面最高温度为68.5 ℃，略高于跨中截面最高温度65.1 ℃。

测试端部截面最大温差为8.6 ℃，出现在蒸汽养护第4.5 h，出现位置为顶腹板交接处芯部与外表面测点。测试跨中截面最大温差为8.3 ℃，出现位置为T梁底部马蹄处内外表面。根据《浙江省预制梁板工厂化生产线建设和预制生产技术指南》(ZJ/ZN2022-05) 和《大体积混凝土温度测控技术规范》(GB/T 51028—2015)，针对T梁这种结构形式，其温度峰值建议控制在80 ℃以内，同时由于T梁混凝土厚度＜1.5 m，因此表里温差建议控制小于20 ℃。综合T1和T2截面温度、温差测试结果，T梁在该蒸养制度下，温度峰值能控制在70 ℃以内，最大温差可控制在10 ℃以内。由此表明，试验采用的蒸养制度较为合理。

3.2 同养试块测试

在试验梁蒸养时预留了同条件养护试块，依据混凝土物理力学性能试验方法标准(GB/T50081—2019)对同养条件试块进行抗压强度测试，其强度发展如图 6所示。结果表明初步拟定的蒸养制度，蒸养结束后，同养试块强度达到设计值的70%以上，T梁能够满足初张拉设计要求。

为了减少单片梁试验的偶然误差，依据《混凝土物理力学性能试验方法标准》 (GB/T50081—2019)，开展了该蒸养制度下大量混凝土试块的强度及弹性模量测试。通过对后续T梁生产过程中的总数为195组的同养抗压强度试块以及98组的弹模试块进行测试，测试结果如图 7和图 8所示。由于首件试验在冬季，也就是混凝土强度增长最不利的季节，在前52组试块强度满足要求后，完成了工艺试验总结，后续T梁大批量生产时气温相比冬季有所升高，随着气温升高混凝土强度也有相应升高，因此后143组试块抗压强度平均值略高于前52组。总体试验结果表明，该蒸养制度下，混凝土试块抗压强度和弹性模量均达到设计值的70%以上，进一步验证了蒸养制度的合理性，相比自然养护T梁早期强度更高，蒸养结束后T梁即满足初张拉要求，可加快流水节拍，提高施工效率。

4 蒸养T梁早期温度场数值模拟 4.1 温度场计算理论

混凝土的热传导方程，如式(1)所示。

$ \lambda\left(\frac{\partial^{2} T}{\partial x^{2}}+\frac{\partial^{2} T}{\partial y^{2}}+\frac{\partial^{2} T}{\partial z^{2}}\right)+Q=\rho \cdot C \cdot \frac{\partial T}{\partial t}, $

(1)

式中，Q为单位体积混凝土产生的热量；ρ为混凝土密度；C为比热容，取1.0 kJ/ (kg·℃)；λ为导热系数，取9.185 kJ/ (m·h·℃)；T为温度。

混凝土早期自生热方程采用朱伯芳^[17]提出的与实测结果吻合较好地复合指数表达式，如式(2)所示。

$ Q_{t}=Q_{0}\left(1-\mathrm{e}^{-a t^{b}}\right), $

(2)

式中，Q₀为最终水化放热量；a和b为与水泥品种有关的系数。由于实际T梁采用P·0 42.5普通硅酸盐水泥，因此Q₀取330 kJ/kg，a和b分别取0.69和0.56。

在蒸养T梁早期温度场研究中，由于外界高温和混凝土自身水化反应放出热量，两者同时会影响水化反应进程，这与常规养护混凝土早期温度场计算略有不同。若不考虑该影响，计算结果将与实际出现较大偏差，因此本研究将式(2)中浇注时间t替换为等效龄期t_e，即考虑自生热和外界环境对水化反应速率的影响，如式(3)所示。该公式基于阿伦尼乌斯化学反应活化能公式，其定量地反映了温度对化学反应速率的影响^[18]。

$ t_{\mathrm{e}}=\int_{0}^{t} \mathrm{e}^{\frac{E_{\mathrm{A}}}{R}\left(\frac{1}{T_{\mathrm{r}}}-\frac{1}{T}\right)} \mathrm{d} t , $

(3)

式中，E_A为化学反应活化能；R为理想气体常数；T_r为参考温度(取20 ℃，即293 K)；T为节点的实际绝对温度。对于混凝土材料：当绝对温度T≥293 K时，E_A=33.5 kJ/mol；当T＜293 K时，E_A=33.5+1.47×(293-T)kJ/mol。

由于采用带模蒸养，当混凝土T梁表面直接与周围环境发生热交换时，热交换系数β与固体表面的粗糙程度和环境风速v_a有关^[17]，如式(4)所示。由于在预制厂内，因此按无风考虑。

$ \beta=21.06+17.58 v_{\mathrm{a}}^{0.910}。$

(4)

T梁表面覆盖钢模板的部分，可采用等效热交换系数β_s^[17]代替，如式(5)所示。

$ \beta_{\mathrm{s}}=\frac{1}{(1 / \beta)+\sum\left(h_{i} / \lambda_{i}\right)}, $

(5)

式中，β为混凝土在空气中的对流系数；当混凝土表面覆盖模板时，h_i为模板厚度；λ_i为模板的导热系数。

4.2 温度场子程序开发

由于Abaqus软件没有直接计算混凝土温度场的模块，通过Abaqus二次开发平台，开发UMATHT子程序计算蒸养T梁早期温度场变化。UMATHT子程序具体计算流程如图 9所示，编制的子程序中定义了材料热学参数以及单元自身水化反应产生的热量，同时通过式(3)将养护时间t转化为等效龄期t_e，从而考虑混凝土自生热和环境温度对水化反应速率的影响。

4.3 T梁有限元模型

根据试验梁的实际尺寸和蒸养工艺，采用有限元软件ABAQUS建立试验梁的有限元分析模型。模型由20 809个6面体单元组成，三维传热单元类型为DC3D8。

采用ABAQUS二次开发平台编译的UMATHT子程序计算混凝土水化热。为分析试验梁各关键节点的早期温度时程变化，有限元分析过程包括了试验梁在蒸汽养护中10 h(蒸养室内初始温度设定为19.1 ℃，2 h升温至50 ℃，恒温7 h，最后1 h自然冷却降温至45 ℃)和蒸汽养护结束后的4 h(此时环境温度设置为20 ℃)，总计分析时长14 h。混凝土自生热采用朱伯芳提出的复合指数表达式(2)，热交换根据T梁表面是否覆盖钢模板采用式(4)和(5)进行计算。混凝土入模温度根据现场实测数据设定为20℃。

4.4 数值模拟结果与对比

模拟得到14 h时T梁T1和T2截面温度场分布情况如图 10所示。由图可知，T1截面腹板较厚，芯部温度较高，越靠近混凝土边缘温度越低，由于试验梁底板散热系数较大，热量较易散失，因此底板温度最低。T2截面高温集中在T梁顶腹板交接部位，由于跨中截面腹板较薄，温度相对较低。

根据数值模拟结果，绘制蒸养T梁第14 h时测试截面腹板沿梁高的温度和温差分布情况如图 11所示，并将梁底定义为起始点。从图 11中可以看出，第14 h测试截面腹板温度沿梁高呈逐渐上升趋势，测试截面的局部温差与实测温差接近，证明了有限元模拟的正确性。同时，T梁测试截面沿梁高的温度和温差均满足ZJ/ZN2022—05和GB/T 51028—2015温度峰值在80 ℃以内，表里温差小于20 ℃的要求，再次证明了蒸养制度的合理性。

T梁芯部测点模拟与实测对比，如图 12和图 13所示。从整体的变化趋势来看，实测温度和有限元计算温度随时间增长的发展趋势基本一致，同时各测点有限元计算的最高温度和出现最高温度的时间与实测值接近。由此表明，建立的有限元模型和开发UMATHT子程序对于模拟蒸养环境下T梁早期温度场能够取得较好效果。

5 蒸养T梁力学性能测试

为了研究蒸养T梁后期强度、弹性模量发展情况，对同条件养护的混凝土试块进行了7d抗压强度与弹性模量测试，试验结果如图 14和15所示。试验数据分析表明，67组混凝土试块7d抗压强度测试值范围为52~66 MPa，全部达到C50混凝土设计抗压强度。51组混凝土试块7 d弹性模量测试值介于41.7~43.7 GPa之间，均超过C50混凝土设计弹性模量34.5 GPa。试验数据充分证明，采用该蒸养工艺，7 d龄期时，混凝土抗压强度和弹性模量均已达到T梁预应力终张拉控制要求(混凝土强度和弹性模量≥设计值的90%)。相较于传统自然养护工艺需要10~14 d才能达到终张拉条件，本工艺可将终张拉时间提前至7 d龄期实施，张拉施工周期可缩短30%~50%。

为评估终张拉后蒸养T梁的承载性能，采用智能试验系统开展静载试验。分别在梁端、跨中、L/4和3L/4，5个关键截面布置激光位移计，同时在跨中、L/4、3L/4梁底安装应变传感器，如图 16所示。基于理论计算确定分级加载方案，通过智能试验系统实现远程数据采集、应力自动计算及理论值与实测值的动态对比分析。

根据荷载等效原则, 以T梁跨中为中心，每隔1.5 m放置单卷重量为3 t的钢绞线，最终对称放置15卷时达到设计荷载。基于现场实测数据，足尺T梁在各级荷载作用下，其应力与位移变化趋势，如图 17所示。由图可知，随着荷载等级的提升，梁底应力呈现递增趋势，跨中区域应力峰值达4.19 MPa。对应地，梁体挠度同步增长，15点加载工况下跨中最大挠度为8.8 mm。依据《公路桥梁荷载试验规程》(JTG/T J21-01—2015)，挠度校验系数要求范围为0.7~1.0，应力校验系数要求范围为0.6~0.9。通过对实测数据与理论值进行对比分析，获得校验系数如表 3所示。结果表明，蒸养T梁的挠度校验系数和应力校验系数均在限值范围内，因此，蒸养T梁的承载能力与变形满足规范要求。

6 结论

本研究以30 m足尺T梁为试验对象，开展了混凝土早期水化热与蒸养温度耦合作用下的试验测试与数值模拟，探究了蒸养T梁的早期温度场变化规律与力学性能, 主要结论如下。

(1) 蒸养条件下，测试T梁端部截面测点最高温度为68.5 ℃，跨中截面测点最高温度为65.1 ℃。蒸养结束后，端部截面芯部混凝土在水化热作用下，温度会在短期内继续增加，跨中截面由于厚度较薄，相比端部截面更易受外界环境温度影响。

(2) 实测T梁混凝土表面与芯部温差均呈现先增大后减小的趋势。测试最大温差为8.6 ℃，出现在蒸汽养护第4.5 h，位置为端部截面顶腹板交接处。测试跨中截面最大温差为8.3 ℃，与端部截面接近，出现位置为T梁底部马蹄处内外表面。

(3) 综合端部和跨中截面温度、温差及试块测试结果，在该蒸养制度下，T梁温度峰值能控制在70 ℃以内，最大温差可控制在10 ℃以内，同养试块强度和弹模均能达到设计值的70%以上，满足初张拉要求，说明蒸养制度较为合理。

(4) 通过子程序二次开发，模拟得到蒸养T梁温度计算结果与实测结果吻合较好，说明本文提出的数值计算方法对于模拟蒸养T梁早期温度场具有较好效果。

(5) 静载试验结果表明，蒸养T梁挠度和应力校验系数均在规范要求范围内，这说明蒸养T梁承载能力与变形满足要求。