高寒地區(qū)大體積混凝土的特殊施工措施研究

張鐵騎 陳 杰

（中國水利水電工程建設(shè)咨詢中南公司 長沙市 410014）

老虎嘴水電站位于西藏自治區(qū)東南部林芝地區(qū)工布江達縣巴河干流上。巴河干流是雅魯藏布江的二級支流，發(fā)源于念青唐古拉山脈東端，河流全長約89km，工程區(qū)多年平均降雨量948mm，多年平均氣溫7.77℃，最高氣溫30.3℃，最低氣溫-16.4℃，多年平均蒸發(fā)量1085.2mm，多年平均最大風(fēng)速為16.6m/s。

施工區(qū)位于老虎嘴峽谷內(nèi)，施工場地狹窄。大壩采用混凝土重力壩，最大壩高84m，混凝土工程量30萬m3。混凝土單倉澆筑面積970m2，最大澆筑方量2000m3。根據(jù)工期安排和實際施工進度，大部分壩體混凝土需要在冬季施工。因此，本工程積極開展了大體積混凝土冬季施工方法及防凍保溫措施研究，有力地保證了工程順利建設(shè)和工程建設(shè)質(zhì)量，為工程按期投入運行奠定了良好條件。

1 混凝土冬季施工受凍破壞的內(nèi)部機理

混凝土的凝結(jié)是一個很復(fù)雜的過程，主要包括結(jié)晶和水化過程，逐步由塑性變?yōu)楣绦?，強度逐步增加。混凝土強度的增長過程與骨料品質(zhì)、水灰比、水泥用量、用水量、養(yǎng)護條件、施工條件、環(huán)境溫度等有直接關(guān)系，其中養(yǎng)護條件、施工條件等都與環(huán)境溫度有關(guān)，對混凝土性能影響較大。

混凝土受凍破壞主要表現(xiàn)在兩方面：其一、剛澆筑的混凝土是由未水化水泥、水泥水化產(chǎn)物、集料、水、空氣共同組成的氣—液—固三相平衡體系，隨著環(huán)境溫度的降低，混凝土強度增長變得緩慢，環(huán)境溫度低于0℃時，內(nèi)部孔隙中的水分將發(fā)生從液相到固相的轉(zhuǎn)化，混凝土強度增長幾乎停止，隨著環(huán)境溫度進一步降低，混凝土內(nèi)的固相水體積增大，導(dǎo)致混凝土凍脹破壞。據(jù)相關(guān)理論，水結(jié)冰后體積約增大9%，在約束條件下將產(chǎn)生較大的冰脹應(yīng)力。如果這個應(yīng)力值大于混凝土的初期強度，則混凝土遭受凍脹破壞（即早期受凍破壞）。其二、初凝和終凝不久的混凝土由于混凝土內(nèi)部水泥水化熱的作用，混凝土內(nèi)部溫度急劇升高，可達30℃以上，而后逐步緩慢降低，而混凝土表面接近環(huán)境溫度，由于內(nèi)外溫差大，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部與表體收縮不一致而出現(xiàn)開裂導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)破壞?；炷羶鼋Y(jié)前，應(yīng)使其在正常溫度下加速水泥的水化作用，可使混凝土獲得不遭受凍害的最低強度，這個強度一般稱為臨界強度，我國規(guī)范規(guī)定的臨界強度不低于設(shè)計強度的30%。

老虎嘴大壩混凝土強度等級為C15，受凍臨界強度應(yīng)達到4.5MPa。根據(jù)以上機理，混凝土的凝結(jié)過程以及初凝、終凝不久的混凝土對環(huán)境溫度要求較高，因此加強混凝土冬季防凍保溫措施，對于確保結(jié)構(gòu)混凝土的耐久性、結(jié)構(gòu)性能滿足設(shè)計要求意義重大。

根據(jù)以上機理防止混凝土低溫凍脹破壞施工措施主要從兩方面考慮：一是混凝土凝結(jié)過程中的保溫；二是凝結(jié)后一定時期的保溫。

2 環(huán)境溫度對混凝土性能的影響

根據(jù)相關(guān)規(guī)程和設(shè)計要求，大壩混凝土設(shè)計除重點考慮混凝土耐久性、抗凍性能、抗?jié)B性能、抗侵蝕性能外，結(jié)合環(huán)境情況和壩體結(jié)構(gòu)特征，還應(yīng)考慮抗堿-骨料反應(yīng)性能、抗裂性能等。以上各項性能都與混凝土施工環(huán)境溫度有直接或間接關(guān)系?；炷潦┕きh(huán)境溫度適宜、養(yǎng)護到位，混凝土強度正常增長快，對于后期抗凍性能、抗?jié)B性能、抗侵蝕性能有利。

水泥是混凝土中最重要的原材料，水泥用量多少關(guān)系到工程成本、混凝土質(zhì)量好壞及耐久性。在大體積混凝土中，水泥用量適中為宜，以降低混凝土內(nèi)部溫度，節(jié)約成本，甚至可摻加活性摻料以控制水泥用量?；炷脸跄徒K凝后不久，混凝土內(nèi)外溫差大，如果不加強混凝土表面保溫，混凝土外露面容易開裂，抗裂性能受影響，因此混凝土抗裂性能與環(huán)境溫度關(guān)系密切。實踐證明，在冬季混凝土施工過程中，摻加防凍劑可以起到增強混凝土初期抗凍性能的作用。據(jù)有關(guān)資料，摻加某些防凍劑后，在零下30℃的環(huán)境下，混凝土強度仍能繼續(xù)增長。但是根據(jù)筆者多年實踐，對于防凍劑使用應(yīng)持謹慎態(tài)度，尤其不贊成在大體積混凝土中大量使用防凍劑替代保溫施工措施。目前國內(nèi)防凍劑生產(chǎn)廠家為銷售其產(chǎn)品，往往過分夸大其使用功能而忽視不利影響。諸如對鋼筋的銹蝕、混凝土堿含量、混凝土耐久性等影響。另外在大體積混凝土中添加外加劑還會對混凝土和易性、凝結(jié)時間、強度增長、后期強度等產(chǎn)生較大影響。混凝土防凍劑主要通過增加早期強度來達到防凍的效果，這樣一來往往使得具有耐久性要求的混凝土摻氣量達不到要求而影響其后期抗凍性能，早期強度急劇增加，導(dǎo)致水化熱大量產(chǎn)生，內(nèi)外溫差增加，保溫不當(dāng)時，混凝土表面容易裂縫，影響其后期抗凍、抗?jié)B性能。大體積混凝土摻加必要的諸如增加和易性和耐久性的外加劑是必要的，但是由于水泥用量少，再添加防凍劑對于大體積混凝土性能必將產(chǎn)生難以預(yù)料的影響，對此值得深入研究。

3 老虎嘴大壩混凝土冬季施工的特征

（1）氣候特征。

老虎嘴水電站壩址冬季最低氣溫較低，為-16.4℃，晝夜溫差大，據(jù)施工期2007年、2008年、2009年3個冬季實測晝夜溫差最大達30℃。冬季氣候干燥、少雨，蒸發(fā)量大，多年平均蒸發(fā)量1085.2mm。冬季多風(fēng)、風(fēng)大，多年平均最大風(fēng)速為16.6m/s。主要氣象特種統(tǒng)計見附表。

附表 老虎嘴壩區(qū)氣象特性統(tǒng)計表

（2）工程特征。

倉面面積較大，單倉澆筑方量多，屬于大體積混凝土，需保溫倉面大。混凝土拌合物水泥用量少，塌落度低，和易性差。

（3）施工特征。

根據(jù)工期安排，冬季混凝土澆筑量大，冬季缺氧加劇，勞動者勞動效力降低，有效工作時間縮短。缺氧所致施工機械燃料不充分，導(dǎo)致機械效力降低，氣溫低導(dǎo)致機械設(shè)備器件凍壞，故障增多，機械設(shè)備保障率降低。

（4）環(huán)境特征。

由于西藏地區(qū)后勤保障線長，冬季道路運輸條件惡劣，大部分原材料主要依賴內(nèi)地供應(yīng)，后勤保障難度增大。2008年“3.14”事件后藏區(qū)社會環(huán)境變差，對冬季施工造成較大影響。

4 老虎嘴冬季混凝土施工的特殊防凍保溫措施

冬季大體積混凝土施工需要考慮以下因素：

（1）選擇合適的防凍保溫措施；

（2）控制混凝土入倉溫度和進行倉內(nèi)保溫；

（3）慎重選用外加劑。

4.1 調(diào)整混凝土配合比

根據(jù)試驗研究結(jié)果，在日平均氣溫為負溫時，應(yīng)采用冬季混凝土施工配合比。冬季混凝土施工配合比即適當(dāng)增加水泥用量、摻加防凍劑、提高塌落度、增加和易性。防凍劑的摻量，在日平均氣溫低于-5℃、-10℃，添加不同的比例，實行動態(tài)調(diào)整。

4.2 骨料干燥

砂石料場位于右岸坡臺地，地勢較高，避免了集料水下開采的問題。但為避免低溫季節(jié)進行集料篩洗工作，故在冬季前生產(chǎn)完成冬季施工所需的全部混凝土骨料，進行堆存，充分干燥，儲備骨料按計劃使用量的1.5倍考慮。在骨料進入拌和站骨料倉前及時清除料堆上的骨料，后用篷布覆蓋，防止雨雪浸入骨料凍結(jié)。裝載機取料時，只揭開取料部位的棚布，取料完畢后立即進行覆蓋。

4.3 混凝土拌和

拌和站保溫措施包括對上料倉及攪拌系統(tǒng)用保溫棚進行封閉。保溫棚以鋼結(jié)構(gòu)作骨架，墻體及頂棚采用雙層結(jié)構(gòu)，外層為彩鋼瓦，內(nèi)層為竹夾板，上料一側(cè)不封閉。保溫棚內(nèi)設(shè)暖氣、煤爐或碘鎢燈供曖，室內(nèi)溫度保持在5℃以上。

拌和物保溫措施包括設(shè)置熱水鍋爐，拌和混凝土前，用熱水或蒸汽沖洗拌和機，并將積水或冰水排除。根據(jù)經(jīng)驗和試驗，混凝土拌和時間比常溫季節(jié)延長20%～25%；根據(jù)氣候特征及熱工計算，本工程不需要預(yù)加熱骨料，只需熱水拌和即可滿足混凝土出機口溫度和入倉溫度要求。

工地設(shè)3套拌和站，其中兩套可用于冬季混凝土拌合，并采用2套鍋爐燒熱水用于混凝土拌和。根據(jù)熱工計算分析，本工程不同氣溫階段采用不同的熱水溫度，每日按3個階段控制熱水溫度：10：00～16：00熱水溫度35℃，16：00～22：00熱水溫度45℃，22：00～次日10：00熱水溫度60℃。在最寒冷的1月中旬，拌制水溫在以上基礎(chǔ)上再增加（3～4）℃。用熱水拌和混凝土需要改變加料順序，將骨料與水先拌和，然后加水泥拌和，以免水泥假凝。

4.4 混凝土出機口和入倉溫度控制

本工程混凝土從拌和站至澆筑倉面水平運距800m，水平及垂直運輸最長時間約40min，混凝土水平及垂直運輸過程中溫度下降為（4～6）℃，其它溫度損失為（1～2）℃，混凝土入倉溫度按不低于5℃考慮，則出機口溫度定為（10～13）℃。若水平及垂直運輸時間縮短為20min，混凝土運輸及澆筑過程中溫度損失為1.5℃，入倉溫度按不低于8℃考慮，則出機口溫度定為（10～12）℃。

4.5 混凝土水平運輸保溫

混凝土水平運輸設(shè)備為混凝土攪拌車及自卸車，對運輸車輛的罐體采用棉棚布或棉氈包裹?；炷吝\輸保溫是難以控制的一個環(huán)節(jié)，在澆筑過程中，可能因突發(fā)事件耽誤混凝土料的入倉時間，使本已加溫的混凝土料在空氣中逐漸冷卻，致使達不到混凝土澆筑溫度要求。因此，在澆筑前要配置足夠的性能良好的運輸設(shè)備，在運輸過程中，合理調(diào)配運輸車輛，縮短運輸時間，盡量減少轉(zhuǎn)運次數(shù)，減少混凝土停于槽內(nèi)時間，降低混凝土運輸、吊運過程中的溫度損失。在施工停頓或結(jié)束時，要立即用熱水對運輸設(shè)備及混凝土拌和機進行清洗?；謴?fù)運輸時應(yīng)先給運輸設(shè)備混凝土容器罐預(yù)熱。

4.6 混凝土垂直運輸保溫

溜槽或皮帶機入倉時，皮帶機或溜槽外搭設(shè)保溫廊道，廊道內(nèi)設(shè)電鹵燈供曖；門機吊送混凝土臥罐入倉時，對臥罐的罐體采用棉棚布或棉氈包裹，在包裹罐體的棉棚布或棉氈中間放置電熱毯，利用間歇時間通過固定電源對罐體加熱，以減少垂直運輸?shù)臒崃可⑹А?/p>

4.7 混凝土澆筑前準備工作

（1）基巖與混凝土表面加熱。在嚴寒條件下基巖或老混凝土表層溫度通常呈負溫，在這些部位澆筑混凝土?xí)r，要將基巖或老混凝土加溫至正溫，確保表層沒有冰霜。

（2）基巖及混凝土面清基。當(dāng)日均氣溫高于0℃時，可在白天露天清基。采用在白天氣溫較高時段清基和沖洗倉面，倉面沖洗干凈后，用高壓風(fēng)將倉面積水吹出倉面外，以防止倉面結(jié)冰。

當(dāng)日均氣溫低于0℃時，采用“干清基“的方法，即用高壓風(fēng)直接將倉內(nèi)浮碴吹出倉外。

（3）在混凝土澆筑前，清除模板和鋼筋上的污垢。

（4）倉位準備?；炷翝仓埃瑐}位應(yīng)提前準備好，混凝土開倉時間選在正午氣溫較高時段，以利新老混凝土結(jié)合。

（5）開倉前混凝土原材料足夠，人員、機械準備到位，保溫材料裝備到位，確保連續(xù)澆筑條件。

4.8 混凝土倉面保溫

在冬季混凝土施工中，應(yīng)著力改善混凝土施工條件，采取有效的蓄熱保溫法和搭設(shè)保溫棚等施工措施，使新拌混凝土在正溫條件下硬化，延長混凝土養(yǎng)護期，盡量降低構(gòu)件毛細水含量，防止成熟混凝土的受凍，使混凝土性能有效增長，這是混凝土冬季施工中最重要和最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

目前國內(nèi)冬季混凝土施工倉面保溫措施主要有兩種：“蓄熱法”保溫和“暖棚法”保溫。兩種方法各有優(yōu)缺點，“蓄熱法”保溫的原理為澆筑完成混凝土初凝后進行覆蓋，利用混凝土水化熱蓄熱保溫，其優(yōu)點是節(jié)約生熱材料、保溫保濕、一次覆蓋長期使用，其缺點是必須要在混凝土收倉初凝后才能進行覆蓋，初凝前混凝土暴露在外，容易受凍破壞?！芭锓ā北氐脑頌闈仓熬驮趥}面上空搭設(shè)暖棚，施工人員在暖棚內(nèi)作業(yè)，暖棚內(nèi)主要通過火爐供熱，通過火爐的個數(shù)控制倉內(nèi)溫度，確保倉內(nèi)溫度不低于5℃，其優(yōu)點為倉內(nèi)溫度較高，容易控制，保溫效果好，其缺點為搭設(shè)和拆除暖棚需要花費大量人力、物力、財力和時間，拆除后在澆筑下一倉混凝土前還需要在混凝土表面重新覆蓋保溫材料。

比較兩種保溫法優(yōu)缺點，根據(jù)倉面結(jié)構(gòu)形式、施工手段、環(huán)境溫度狀況等，本工程采用“蓄熱法”保溫和“暖棚法”保溫相結(jié)合的方式。暖棚搭設(shè)采用鋼管腳手架作為支撐材料，具有一定的剛度和穩(wěn)定性，防止被風(fēng)刮翻，暖棚外采用3～5層的保溫篷布覆蓋，內(nèi)生火爐調(diào)節(jié)倉內(nèi)溫度?！靶顭岱ā北刂饕ㄟ^覆蓋3～5層的保溫篷布，具有保溫絕熱、保濕透氣的性能，滿足了本工程施工保溫的需求。

4.9 拆模與表面保溫

（1）低溫季節(jié)混凝土拆模的原則。混凝土強度必須大于允許受凍臨界強度；避免在夜間或氣溫驟降期間拆模；冬季施工期承重結(jié)構(gòu)一般不拆模。

（2）拆模時間。蓄熱法保溫，至少養(yǎng)護5天后才能拆模。暖棚法保溫，至少養(yǎng)護7天后才能拆模。

（3）表面保溫措施。混凝土拆模后，為防止混凝土表面出現(xiàn)裂縫，混凝土頂面和側(cè)面仍要采取保溫措施：

① 混凝土表面用各種層狀材料覆蓋，并應(yīng)將其連接成不透風(fēng)的保護層。

② 保溫模板如不影響下一道工序，可不拆除，直至寒冷天氣結(jié)束。

③ 澆筑塊側(cè)面未達到受凍臨界強度的，拆模后應(yīng)在其表面覆蓋保溫篷布。

④ 混凝土頂面及四周整個冬季都應(yīng)采用保溫篷布覆蓋，以利保溫及養(yǎng)護。

（4）保濕措施。暖棚內(nèi)混凝土初凝后應(yīng)經(jīng)常灑水，保持混凝土濕潤。蓄熱法保溫時，在氣溫較高時段，應(yīng)灑水濕潤保溫篷布，以達到保濕作用。

4.10 冬季混凝土施工質(zhì)量控制

除常規(guī)質(zhì)量檢查外，冬季混凝土施工還應(yīng)防止混凝土早期受凍，出現(xiàn)溫度裂縫等。

（1）水泥。水泥進場時，應(yīng)檢查廠家提供的水泥試驗報告單，檢查水泥生產(chǎn)廠名、品種、強度等級、出廠日期、重量、摻和料的名稱和數(shù)量等，檢查水泥是否受潮變質(zhì)，是否結(jié)塊等。

（2）砂石骨料。在混凝土攪拌前，檢查砂子和粗骨料的含水量，細骨料的細度模數(shù)、含泥量、超遜徑，檢查砂石骨料是否局部存在冰塊。

（3）外加劑。檢查外加劑生產(chǎn)廠家所提供的出廠合格證；檢查外加劑的性能指標、摻加量；檢查配制時是否充分溶化。檢查各種外加劑是否存在化學(xué)反應(yīng)；各種外加劑添加順序是否符合要求。

（4）混凝土拌和。經(jīng)常性檢查混凝土出機溫度；拌和材料是否有過熱現(xiàn)象；檢查水泥是否存在“假凝”等。

（5）混凝土澆筑。保溫模板是否符合保溫要求，接縫是否嚴密；混凝土澆筑前倉面是否有結(jié)冰，基礎(chǔ)面積水是否排干；在混凝土澆筑過程中，經(jīng)常性測量混凝土澆筑溫度，并根據(jù)需要及時調(diào)整混凝土出機口溫度。

（6）混凝土養(yǎng)護。混凝土初期養(yǎng)護要經(jīng)常檢查澆筑塊頂面邊角處的溫度情況，若溫度過低應(yīng)盡快加強保溫；采用防凍外加劑混凝土應(yīng)檢查混凝土溫度，如混凝土溫度可能低于允許最低溫度的話，應(yīng)提早加強保溫措施。

（7）拆除模板。一般情況，冬季澆筑的混凝土在冬季期間不宜拆模。如果需要拆除模板，也要滿足拆模時混凝土強度和內(nèi)外溫差要求。

（8）溫度控制。加強氣溫和混凝土溫度的觀測，做好觀測記錄。根據(jù)觀測或預(yù)測的氣溫情況，根據(jù)需要適時調(diào)整保溫方式和保溫措施。

5 結(jié)論

通過冬季全程溫度測控，出機口混凝土平均溫度達12℃，平均入倉溫度7℃，最低入倉溫度4.5℃，倉內(nèi)平均溫度（6～8）℃，倉內(nèi)最低溫度4℃。原型觀測數(shù)據(jù)顯示，混凝土內(nèi)部最高溫度29.05℃，平均溫度28.45℃，滿足設(shè)計要求。取樣試驗表明，冬季施工混凝土耐久性指標滿足設(shè)計要求。

通過采取以上各項冬季施工防凍保溫措施，在2009～2010年冬季共澆筑壩體混凝土6萬m3，綜合分析混凝土外觀、取樣試驗結(jié)果以及現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)，老虎嘴大壩混凝土質(zhì)量良好，各項性能指標符合設(shè)計要求。采取特殊保溫措施，保證了高寒條件下混凝土澆筑的連續(xù)性，加快了工程進度。