嚴(yán)寒地區(qū)冬季壓縮機(jī)混凝土基礎(chǔ)施工

陳志浩，白戰(zhàn)鵬，唐文弓

中國(guó)石油天然氣第一建設(shè)有限公司，河南洛陽(yáng) 471023

1 工程概況

工程項(xiàng)目位于俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)的阿穆?tīng)栔?，該地區(qū)冬季嚴(yán)寒少雪，1月份平均氣溫-28℃，極寒溫度可達(dá)到-45℃，最大凍土深度為3 m，凍土凍結(jié)至消融周期為8個(gè)多月。工程標(biāo)段內(nèi)天然氣增壓壓縮機(jī)基礎(chǔ)是最為重要的工程基礎(chǔ)之一，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為預(yù)制樁獨(dú)立基礎(chǔ)，上部基礎(chǔ)體積為302.98 m3，混凝土標(biāo)號(hào)為B30、F200、W8。因工期要求在當(dāng)年12月至次年1月完成基礎(chǔ)施工，因此做好嚴(yán)寒季節(jié)的混凝土施工成為工程的重點(diǎn)。

2 施工措施的制訂

嚴(yán)寒氣候環(huán)境將降低混凝土的水化反應(yīng)速率或停止混凝土的水化反應(yīng)，引起混凝土凍漲，導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生不可自愈性的損傷，從而影響施工質(zhì)量，因此施工中需人為建立混凝土施工所需的溫度環(huán)境。為此，針對(duì)整體施工流程和工序，制訂了如表1所示的混凝土施工措施。

3 技術(shù)參數(shù)計(jì)算

施工前依照俄羅斯的相關(guān)規(guī)定，對(duì)冬季施工所需的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，為施工提供理論依據(jù)。

3.1 混凝土攪拌溫度的計(jì)算

混凝土混合料的制備按照Г OCT7473要求，需在有加熱措施的混凝土攪拌站中進(jìn)行，攪拌用水溫度不高于60℃，砂子和骨料加熱解凍溫度控制在10℃左右，根據(jù)式（1）計(jì)算[1]，混凝土攪拌出口的溫度約為31℃。

表1 嚴(yán)寒氣侯環(huán)境下混凝土施工措施

式中：qц、qп、qk.3、qв分別為 1 m3混凝土混合物中水泥、砂、粗骨料和水的質(zhì)量，kg；iп、ik.з分別為砂和粗骨料的相對(duì)濕度，%；tц、tп、tk.з、tв分別為水泥、砂、粗骨料和水裝入攪拌機(jī)時(shí)的溫度，℃；數(shù)值0.84為水泥、砂和骨料的比熱容，kJ/（kg·℃）；數(shù)值4.19為水的比熱容，kJ/（kg·℃）。

3.2 施工環(huán)境加熱的計(jì)算

3.2.1 熱風(fēng)炮數(shù)量計(jì)算

施工中暖棚內(nèi)環(huán)境溫度最高加熱至20℃，同時(shí)考慮熱風(fēng)炮的可調(diào)節(jié)余量，每臺(tái)熱風(fēng)炮的工作功率按額定功率的50%考慮，根據(jù)式（2）[1]計(jì)算，需要134 kW的熱風(fēng)炮約3臺(tái)。

式中：m為熱損失系數(shù)，m=1.2；F為暖棚外面積，m2；Δt為暖棚內(nèi)與外界的空氣溫差，℃；αпрцв為綜合導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m2·℃）；qк為單臺(tái)加熱設(shè)備的功率，W。

3.2.2 澆筑區(qū)地面加熱計(jì)算

混凝土澆筑前需要對(duì)澆筑區(qū)與地面接觸位置下方0.3～0.5 m的凍土層，利用熱風(fēng)炮加熱至10℃，以滿足混凝土澆筑溫度要求，根據(jù)式（3）[1]計(jì)算，得到加熱約需15 h。

式中：τ為加熱時(shí)間，h；h為加熱土壤深度，m；tH.B為加熱階段室外平均溫度，℃；tоб為加熱平均溫度，℃。

3.3 電加熱養(yǎng)護(hù)計(jì)算

混凝土電加熱養(yǎng)護(hù)計(jì)算是由理論公式計(jì)算出混凝土加熱、恒溫和降溫的溫度和持續(xù)時(shí)間。

3.3.1 加熱期溫度和持續(xù)時(shí)間計(jì)算

混凝土加熱升溫速度應(yīng)根據(jù)基礎(chǔ)的機(jī)構(gòu)表面系數(shù)確定，根據(jù)壓縮機(jī)基礎(chǔ)的幾何尺寸計(jì)算，其結(jié)構(gòu)表面系數(shù)值MΠ.＜3 m-1，最大加熱溫升速度5℃/h，為避免局部升溫速度快對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度產(chǎn)生影響，升溫速度控制在3℃/h。本次選用的M400型快速硬化波特蘭水泥，其混凝土最高加熱溫度為60℃，由式（4）[2]和式（5）[2]分別計(jì)算，得出加熱所需的平均溫度為40℃和升溫時(shí)間約14 h。

式中：tcpeд.Pa3為混凝土預(yù)熱期平均溫度，℃；tнач為混凝土初始溫度，℃；tиз為混凝土最高加熱溫度，℃。

式中：τпод為混凝土恒溫時(shí)間，h；vнргп為混凝土加熱升溫速度，℃/h。

3.3.2 恒溫期溫度和持續(xù)時(shí)間計(jì)算

混凝土養(yǎng)護(hù)的恒溫期溫度保持在40℃，混凝土恒溫時(shí)間需根據(jù)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)確定，根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]，B30標(biāo)號(hào)混凝土在40℃下養(yǎng)護(hù)40 h可達(dá)到最終強(qiáng)度的70%。在不同溫度下養(yǎng)護(hù)時(shí)，B30混凝土各齡期的強(qiáng)度與最終強(qiáng)度的比值見(jiàn)圖1。

3.3.3 降溫期溫度和持續(xù)時(shí)間計(jì)算

混凝土養(yǎng)護(hù)到當(dāng)其強(qiáng)度達(dá)到最終強(qiáng)度的70%后，停止加熱并進(jìn)行冷卻。按式（6）[2]和式（7）[2]計(jì)算，其冷卻期平均溫度應(yīng)控制在36.2℃，降溫時(shí)間約為223 h（約9 d）。

式中：tб.ср為冷卻期溫度，℃；MП為結(jié)構(gòu)表面系數(shù)，m-1。

圖1 不同溫度下養(yǎng)護(hù)時(shí)B30混凝土各齡期的強(qiáng)度

式中：τ為冷卻周期，h；C為混凝土比熱容，kJ/（kg·℃）；γ 為混凝土密度，kg/m3；tб.н為混凝土要求加熱的最高溫度，℃；q為混凝土散熱量，kJ/kg；Ц為每立方米混凝土的水泥用量，kg；K為模板傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；tб.ср為混凝土的平均溫度，℃；tн.в為環(huán)境溫度，℃。

3.4 電阻絲安裝計(jì)算

電加熱電阻絲選用俄產(chǎn)ПHCB導(dǎo)線，線芯為鍍鋅鋼芯，規(guī)格為1.2 mm2，絕緣層為特殊聚乙烯，最高加熱溫度為75℃±5℃。

3.4.1 電阻絲用量計(jì)算

電阻絲用量需根據(jù)其加熱溫度所需的功率及混凝土的水化熱計(jì)算，根據(jù)式（8）[1]計(jì)算每立方米混凝土電阻絲的用量，可得到壓縮機(jī)基礎(chǔ)電阻絲總用量約為3.84 km。

式中：L為加熱每立方米混凝土所需要的電阻絲用量，m；k為熱損失系數(shù)，取1.16；ΔP為電熱絲負(fù)載，W/m。

3.4.2 電阻絲安裝間距計(jì)算

電阻絲安裝根據(jù)目前模板設(shè)置，對(duì)整個(gè)基礎(chǔ)底面和側(cè)面進(jìn)行加熱，根據(jù)式（9）[1]和式（10）[1]可計(jì)算出電阻絲安裝間距約為120 mm。

式中：Pуд為混凝土單位面積加熱功率，W/m2；V為加熱混凝土體積，m3；F為受到加熱的混凝土面積，m2。

式中：d為電阻絲安裝間距，m。

4 施工措施

4.1 混凝土攪拌及運(yùn)輸

針對(duì)嚴(yán)寒時(shí)期混凝土的拌制，為避免混凝土凍害的發(fā)生，根據(jù)當(dāng)?shù)匾?guī)范要求，在拌制時(shí)需加入2%的防凍劑[4]。為確保碎石和砂子的入料溫度，攪拌站應(yīng)設(shè)置加熱保溫庫(kù)房以保證骨料溫度在0℃以上。

混凝土攪拌站的生產(chǎn)過(guò)程應(yīng)全面封閉，攪拌站采用120 mm的夾心彩鋼板搭設(shè)，以確保其保溫效果，內(nèi)部采用熱風(fēng)系統(tǒng)將儲(chǔ)料倉(cāng)和傳送間的溫度加熱至10℃，攪拌機(jī)樓溫度加熱至25～30℃。攪拌站內(nèi)設(shè)置1臺(tái)熱功率43 Mcal/h（1 cal=4.186 8 J）的鍋爐，將攪拌用水加熱至80℃后，存儲(chǔ)到保溫水罐中作為攪拌用水。攪拌時(shí)先將熱水和骨料進(jìn)行攪拌，待溫度降低至60℃時(shí)再加入M500型波特蘭水泥，攪拌機(jī)出口的混凝土溫度應(yīng)控制在30℃，且不超過(guò)35℃。混凝土運(yùn)輸罐車(chē)需用40 mm厚保溫材料包裹以減小熱損失，運(yùn)輸前應(yīng)根據(jù)混凝土用量規(guī)劃攪拌批次。

4.2 暖棚搭設(shè)

暖棚根據(jù)壓縮機(jī)混凝土基礎(chǔ)幾何尺寸搭設(shè)，主體結(jié)構(gòu)采用腳手架搭設(shè)，主體結(jié)構(gòu)應(yīng)牢固，并能夠承受最大風(fēng)和雪的載荷。棚體覆蓋物采用保溫、柔性好且親水性差的材料，比如聚合物涂層織物或工業(yè)用防火毛氈等，以防止材料因寒冷而變脆，從而發(fā)生開(kāi)裂等。

暖棚整體覆蓋物與主體結(jié)構(gòu)以及地面應(yīng)貼合緊密，以隔絕棚外冷空氣侵入暖棚，棚內(nèi)熱風(fēng)炮均勻布置，為保證熱氣流的流通性，應(yīng)讓其包裹整個(gè)暖棚，棚壁與壓縮機(jī)基礎(chǔ)之間應(yīng)保持1.0～1.5 m距離。暖棚入口應(yīng)設(shè)置耳房并安裝帶彈簧的自閉門(mén)，以減少人員進(jìn)出造成熱空氣流失。棚內(nèi)設(shè)置足夠照度的燈具用于日常巡檢和維護(hù)，并在醒目位置安裝干濕溫度計(jì)，以監(jiān)控棚內(nèi)溫度。暖棚外觀及熱風(fēng)炮布設(shè)安裝示意見(jiàn)圖2～3。

圖2 暖棚外觀

圖3 熱風(fēng)炮布設(shè)安裝示意

4.3 電加熱系統(tǒng)安裝

4.3.1 電阻絲安裝

電阻絲安裝前應(yīng)對(duì)其外觀進(jìn)行檢查，并用兆歐表測(cè)試絕緣性，電阻絲安裝在基礎(chǔ)的外側(cè)和底部的外圍鋼筋上，每段電阻絲長(zhǎng)不宜超過(guò)25 m，曲率半徑不小于3D（D為電阻絲直徑），電阻絲應(yīng)順序纏繞，避免交叉，與鋼筋骨架固定緊密，電阻絲每隔12 cm采用直徑1.2 mm的聚丙烯麻線或軟針織線固定，捆扎過(guò)程應(yīng)保證電阻絲張力適中，絕緣外皮不被損壞[5]。電阻絲應(yīng)完全浸沒(méi)在混凝土中，與模板保持8～10 cm的間距。電阻絲的具體布置及安裝示意見(jiàn)圖4。

4.3.2 加熱設(shè)備、導(dǎo)線及測(cè)溫點(diǎn)安裝

與電阻連接的供電導(dǎo)線采用АПВ-4鋁芯線，連接點(diǎn)不應(yīng)暴露在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)外側(cè)，連接時(shí)應(yīng)采用繞接接頭，并做好絕緣保護(hù)。每股АПВ-4鋁芯導(dǎo)線根據(jù)其功率與加熱器分配的母線相連接。發(fā)電機(jī)和加熱器就近布置在基礎(chǔ)旁。所有電力設(shè)備、配電箱及混凝土鋼筋須接地良好。

圖4 電阻絲布置安裝示意

混凝土澆筑前，在鋼筋籠上安裝薄壁金屬套管以測(cè)量溫度，管徑應(yīng)盡量小，可保證UT-5測(cè)溫探頭插入即可，深度控制在10～15 cm。

4.4 混凝土澆筑

混凝土澆筑前將保溫棚內(nèi)的空氣溫度、鋼筋和模板溫度、澆筑區(qū)域地下0.3～0.5 m的溫度提升至10℃?；炷翝仓r(shí)應(yīng)再次確認(rèn)電阻絲的絕緣性以及母線是否短路等。

澆筑用的混凝土泵車(chē)收料端和混凝土輸送管應(yīng)增加保溫措施，同時(shí)混凝土供應(yīng)應(yīng)連續(xù)，以保證混凝土的入模溫度維持在20℃±5℃，澆筑和混凝土振搗過(guò)程中應(yīng)注意電阻絲的保護(hù)，以防止電阻絲絕緣皮受損或砸斷。泵車(chē)出料口穿越暖棚位置應(yīng)采用化纖毛氈進(jìn)行封堵，以降低施工環(huán)境溫度的損失。

澆筑完成后應(yīng)使用厚100 μm的聚乙烯薄膜進(jìn)行覆蓋，并在薄膜的上方再覆蓋一層厚20 mm的化纖毛氈以對(duì)混凝土進(jìn)行保溫。

4.5 混凝土加熱養(yǎng)護(hù)

養(yǎng)護(hù)期暖棚內(nèi)環(huán)境溫度控制在20℃±2℃，相對(duì)濕度95%±5%，且暖棚內(nèi)上部與下部的溫差不應(yīng)超過(guò)5℃。

4.5.1 準(zhǔn)備工作

電加熱系統(tǒng)投用前，專(zhuān)職維護(hù)電工需對(duì)整個(gè)加熱供電系統(tǒng)設(shè)備良好性、接地情況、接頭有無(wú)松動(dòng)、測(cè)溫傳感器及導(dǎo)線布置情況進(jìn)行檢查。外部的警示設(shè)施牢固運(yùn)行穩(wěn)定，并保證加熱區(qū)內(nèi)所有施工人員離開(kāi)。為保證施工安全性，電加熱區(qū)域應(yīng)設(shè)置1.5 m高的圍欄、警示燈和警示牌，嚴(yán)禁與施工無(wú)關(guān)人員進(jìn)入。

4.5.2 加熱養(yǎng)護(hù)

混凝土加熱應(yīng)根據(jù)前期計(jì)算的升溫速度、恒溫時(shí)間以及降溫速度對(duì)混凝土進(jìn)行加熱，各階段溫度應(yīng)根據(jù)計(jì)算值進(jìn)行調(diào)整。整個(gè)加熱養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，應(yīng)安排專(zhuān)人對(duì)電加熱系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、混凝土溫度和濕度、環(huán)境溫度進(jìn)行檢查，并填寫(xiě)檢查記錄，巡檢頻次如下：

（1）升溫階段，前3 h每隔1 h檢查1次，其余時(shí)間每隔2 h檢查1次。

（2）恒溫階段，前8 h每隔2 h檢查1次，最后16 h每隔4 h檢查1次，在其余時(shí)間，檢查的次數(shù)不低于3次/d。

（3）冷卻階段，每天檢查2次，直至結(jié)束。

在混凝土加熱養(yǎng)護(hù)階段，除了進(jìn)行以上檢查外，還應(yīng)注意加熱導(dǎo)線電流不能超流，導(dǎo)線附近的混凝土水膜不可出現(xiàn)沸騰，定期檢查線路接頭是否連接良好，使加熱系統(tǒng)保持良好的工作狀態(tài)。

根據(jù)施工前期加熱計(jì)算所得的數(shù)值，混凝土恒溫40 h時(shí)，其強(qiáng)度將會(huì)增長(zhǎng)至標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的70%，因此，在實(shí)際施工中需要采用回彈儀檢測(cè)混凝土的強(qiáng)度，以確定混凝土的加熱效果。

在混凝土冷卻階段，保溫棚內(nèi)溫度應(yīng)控制在10℃以上，電加熱設(shè)備不可全部關(guān)閉讓其自然降溫，而應(yīng)按照其降溫速度將基礎(chǔ)的溫度降低至環(huán)境溫度，避免因溫度急速下降，導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力破壞，從而影響混凝土的強(qiáng)度。

4.6 拆模后保溫

基礎(chǔ)拆模前需要對(duì)同期同條件下養(yǎng)護(hù)的試塊監(jiān)測(cè)合格后方可進(jìn)行基礎(chǔ)拆模工作，基礎(chǔ)拆模需要在保溫棚內(nèi)進(jìn)行，由于俄羅斯業(yè)主對(duì)施工質(zhì)量要求較高，在拆模完成后要求基礎(chǔ)在暖棚內(nèi)繼續(xù)加溫保護(hù)1周，其溫度要求控制在10～15℃，以保證混凝土內(nèi)的水分完全蒸發(fā)。

5 結(jié)束語(yǔ)

以俄羅斯某天然氣處理廠項(xiàng)目的天然氣增壓壓縮機(jī)混凝土基礎(chǔ)施工為例，介紹了根據(jù)俄羅斯當(dāng)?shù)氐淖龇ê鸵?，?duì)混凝土施工各工序制訂的相應(yīng)保溫、加熱措施及應(yīng)用效果，重點(diǎn)論述了施工措施的制訂；保溫及加熱技術(shù)參數(shù)的計(jì)算，包括混凝土攪拌溫度、施工環(huán)境加熱、電加熱養(yǎng)護(hù)、電阻絲安裝的計(jì)算等；混凝土攪拌及運(yùn)輸、暖棚搭設(shè)、電加熱系統(tǒng)安裝、混凝土澆筑及加熱養(yǎng)護(hù)、混凝土拆模后的保溫等技術(shù)措施。

在嚴(yán)寒地區(qū)采用該施工方法，不僅能在混凝土攪拌及運(yùn)輸階段保證混凝土澆筑的溫度要求，而且能在養(yǎng)護(hù)階段

提供混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)所需的環(huán)境溫度。在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)壓縮機(jī)基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)測(cè)，7 d及28 d強(qiáng)度均符合Г OCT18105要求，壓縮機(jī)基礎(chǔ)的混凝土質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過(guò)實(shí)踐，該施工方法可以滿足嚴(yán)寒地區(qū)大型混凝土基礎(chǔ)的冬季施工要求，并可為類(lèi)似工程提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。