哈薩克斯坦嚴(yán)寒地區(qū)冬季混凝土施工經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究

摘要 關(guān)于冬季混凝土施工國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀進(jìn)行介紹，對(duì)國(guó)內(nèi)冬季混凝土施工傳統(tǒng)工藝的優(yōu)劣進(jìn)行分析，重點(diǎn)介紹在哈薩克斯坦寒冷地區(qū)冬季混凝土施工應(yīng)用最為廣泛的電阻絲加熱施工工藝。從影響冬季混凝土施工的多個(gè)環(huán)節(jié)和注意事項(xiàng)系統(tǒng)介紹了冬季混凝土施工準(zhǔn)備、所需機(jī)械物資材料、澆筑及養(yǎng)護(hù)過程中的保溫措施及重點(diǎn)注意事項(xiàng)。并從成本方面簡(jiǎn)要分析其經(jīng)濟(jì)可行性，以期對(duì)國(guó)內(nèi)同行在類似環(huán)境下進(jìn)行冬季混凝土施工起到一定的參考和借鑒意義。

關(guān)鍵詞 冬季混凝土施工;傳統(tǒng)施工工藝;電阻絲加熱;經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析

中圖分類號(hào) TU755 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）12-0059-03

收稿日期：2022-04-11

作者簡(jiǎn)介：劉光忠（1985—），男，本科，工程師，從事公路橋梁施工技術(shù)管理工作。

0 引言

冬季混凝土施工由于環(huán)境氣溫低導(dǎo)致混凝土施工質(zhì)量難以保證，而為了確保施工質(zhì)量往往需要增加大量人員、設(shè)備和材料投入，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)可行性差。中鐵十四局集團(tuán)在哈薩克斯坦實(shí)施的公路項(xiàng)目技術(shù)組，利用該地區(qū)漫長(zhǎng)的冬季，檢驗(yàn)該國(guó)使用十分成熟的電阻絲加熱養(yǎng)護(hù)混凝土施工工藝，取得了顯著的效果，技術(shù)難度低，經(jīng)濟(jì)可行性大大提升。

1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代以來，國(guó)家先后在黑龍江、甘肅等寒冷地區(qū)成立了科研小組，探索冬季混凝土施工技術(shù)?；炷炼臼┕さ年P(guān)鍵是混凝土冬季施工和養(yǎng)護(hù)工藝，根據(jù)2011版《建筑工程冬期施工規(guī)程》，目前在國(guó)內(nèi)應(yīng)用并得到推廣的冬季混凝土施工和養(yǎng)護(hù)技術(shù)有6大類、10余種方法，但應(yīng)用最普遍的只有蓄熱法、電熱毯法和暖棚法等三種較為傳統(tǒng)的施工工藝[1]，且近年來我國(guó)寒冷地區(qū)每年進(jìn)行冬季施工的面積占比不足40%，多數(shù)企業(yè)因考慮成本選擇不進(jìn)行混凝土冬季施工。

相較于國(guó)內(nèi)，俄羅斯、哈薩克斯坦等寒冷地區(qū)，由于冬季嚴(yán)寒而漫長(zhǎng)，而且寒冷等級(jí)比國(guó)內(nèi)更高，更早地開始探索和應(yīng)用混凝土冬季施工技術(shù)，并且更熱衷于采用加熱混凝土效率更高的電加熱技術(shù)，目前在俄羅斯和哈薩克斯坦地區(qū)使用最廣泛的冬季混凝土施工工藝之一就是電阻導(dǎo)線加熱法養(yǎng)護(hù)混凝土，超過70%的工業(yè)與民用建筑采用這種工藝，哈薩克斯坦寒冷地區(qū)冬季施工的面積占比超過了80%，因此研究這些地區(qū)的冬季混凝土施工技術(shù)，加以改進(jìn)并在國(guó)內(nèi)寒冷地區(qū)推廣應(yīng)用，有助于提高我國(guó)冬季施工的總體水平，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。

2 傳統(tǒng)施工工藝及優(yōu)劣分析

2.1 電熱毯加熱法

電熱毯是可以自主運(yùn)行的設(shè)備，預(yù)熱時(shí)間是自動(dòng)設(shè)置的，無須人員監(jiān)視設(shè)備的開啟和關(guān)閉。與用電線加熱結(jié)構(gòu)相比，設(shè)備所消耗的電能要少得多。該方法可以有效地加熱材料，加熱均勻進(jìn)行施工，不會(huì)發(fā)生局部過熱，混凝土將硬化而不會(huì)產(chǎn)生微裂紋并具有高強(qiáng)度。

這種方法的優(yōu)點(diǎn)是使用簡(jiǎn)單，設(shè)備不需要復(fù)雜的維護(hù)，無須控制加熱溫度，自動(dòng)控制;在12 h內(nèi)，結(jié)構(gòu)物達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%。缺點(diǎn)：溫控器價(jià)格昂貴，并非每個(gè)開發(fā)商都可以購(gòu)買;市場(chǎng)上的大多數(shù)產(chǎn)品都是假貨，不適合加熱混凝土，因?yàn)樗身n國(guó)的加熱膜組成，專為地暖而設(shè)計(jì);這種設(shè)備的功率太低，無法加熱混凝土混合物。

2.2 電極加熱法

這種加熱法加熱時(shí)不必使用PNSV導(dǎo)線，如果澆筑平板基礎(chǔ)或混凝土板，則此方法不適用。通常在澆筑圓柱，隔板，墻壁時(shí)使用，這種加熱方法非常方便，不需要額外的費(fèi)用。此外還需要一個(gè)變壓器，金屬棒連接到變壓器，再連接到混凝土結(jié)構(gòu)。降壓變壓器將提供欠壓加熱結(jié)構(gòu)的金屬部件。

環(huán)境溫度是確定電極之間間距時(shí)必須考慮的重要因素。電極之間標(biāo)準(zhǔn)間距為0.6～1 m。混凝土的加熱是由于其中的水分產(chǎn)生的水化反應(yīng)。變壓器將三相電傳遞到結(jié)構(gòu)，安裝的電極之間的區(qū)域被加熱。該方法的優(yōu)點(diǎn)是安裝簡(jiǎn)單、快速;材料成本低。缺點(diǎn)是電極需要消耗大量能量。一個(gè)電極大約需要45～50 A，而功率為80 kW的降壓變壓器不能連接到大量電極上。為了解決該問題，建議使用多個(gè)變壓器。鋼筋和線材在加熱后不能從結(jié)構(gòu)中拉出。

2.3 模板加熱法

此方法在模板中插入加熱元件，通過加熱模板來加熱混凝土。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于，如果有必要，可以很容易地更換其故障元件;高性能，相對(duì)較低的能源成本;可以在嚴(yán)寒條件下使用;可以重復(fù)使用多次。缺點(diǎn)是成本高，如果結(jié)構(gòu)是非標(biāo)準(zhǔn)的，會(huì)帶來不便;準(zhǔn)備、安裝需要一些時(shí)間。

2.4 感應(yīng)加熱法

這種加熱方法很少使用，并且少于百分之十。材料的加熱由于磁感應(yīng)而進(jìn)行，并轉(zhuǎn)化為熱量。通過使用絕緣導(dǎo)線匝和安裝在結(jié)構(gòu)中的金屬零件可以實(shí)現(xiàn)此過程。該過程的主要困難在于，必須考慮到結(jié)構(gòu)中的金屬量，才能準(zhǔn)確地計(jì)算導(dǎo)線的匝數(shù)。通常幾乎不可能做到這一點(diǎn)，這就是為什么磁感應(yīng)方法不被廣泛使用的原因。

2.5 紅外線加熱法

引導(dǎo)式紅外設(shè)備可以在冬天加熱混凝土。該設(shè)備不需要安裝在任何地方，加熱可以直接通過結(jié)構(gòu)的模板發(fā)生。紅外線裝置可以對(duì)裸露的混凝土表面進(jìn)行高質(zhì)量的加熱。適用于任何結(jié)構(gòu)。熱量調(diào)節(jié)非常簡(jiǎn)單，通過將加熱元件移開或移近結(jié)構(gòu)來進(jìn)行。優(yōu)點(diǎn)：該方法可有效地提高混凝土質(zhì)量。缺點(diǎn)：設(shè)備價(jià)格高。如果生產(chǎn)量大，則紅外裝置需要很多，對(duì)于承包商來說成本太高;該方法會(huì)加快混凝土中水分的蒸發(fā)，從而削弱其強(qiáng)度。為避免此問題，建議用薄膜覆蓋結(jié)構(gòu)。

2.6 暖棚加熱法

使用方式為在混凝土結(jié)構(gòu)上蓋上框架，并蓋上防水油布，加熱裝置放置在暖棚內(nèi)。該方法的優(yōu)點(diǎn)：升溫相對(duì)較快;能源成本低，可以使用天然氣或其他燃料。缺點(diǎn)：耗時(shí)較長(zhǎng)，尤其是在大面積區(qū)域。

3 電阻絲加熱施工工藝

該工藝通過電機(jī)加熱混凝土結(jié)構(gòu)物內(nèi)部提前埋設(shè)的PSNV導(dǎo)線，確保結(jié)構(gòu)物在混凝土初期強(qiáng)度增長(zhǎng)的關(guān)鍵時(shí)期不受凍。根據(jù)天氣情況控制加熱時(shí)間，配合簡(jiǎn)單的外部保溫措施，既保障了混凝土初期強(qiáng)度，又可以保證后期強(qiáng)度增長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)技術(shù)方面表現(xiàn)優(yōu)異。根據(jù)哈薩克本地經(jīng)驗(yàn)，該文依托東哈州卡麥9標(biāo)項(xiàng)目實(shí)際以?15 ℃低溫環(huán)境為例講述該工藝流程及施工方法，其他溫度環(huán)境可依此做適當(dāng)調(diào)整。

3.1 工藝流程

電阻絲加熱施工工藝流程圖如圖1。

3.2 主要的材料設(shè)備

該工藝所需主要材料設(shè)備見表1。

3.3 常見的電阻絲布置方式

卡麥項(xiàng)目混凝土澆筑主要由涵洞和橋梁組成，涵洞為預(yù)制裝配式，基礎(chǔ)為現(xiàn)澆素混凝土，橋梁為現(xiàn)澆鋼筋混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)，其他下部及上部結(jié)構(gòu)（預(yù)制梁除外）均為現(xiàn)澆鋼筋混凝土。因此電阻絲布置主要有兩種形式：涵洞現(xiàn)澆素混凝土基礎(chǔ)和橋梁現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

3.3.1 涵洞現(xiàn)澆素混凝土基礎(chǔ)

現(xiàn)澆素混凝土基礎(chǔ)電阻絲布置需事先在兩側(cè)模板開洞將φ8圓鋼穿過并固定（開洞間距視現(xiàn)場(chǎng)情況確定），作為縱向電阻絲的支撐，之后將絕緣電阻絲按照環(huán)境溫度計(jì)算的間距依此綁扎在φ8圓鋼上。

3.3.2 現(xiàn)澆鋼筋混凝土基礎(chǔ)（以整體墩柱為例）

電阻絲沿著整體墩柱外側(cè)鋼筋骨架以固定間距（此溫度下為12 cm）布設(shè)，電阻絲布設(shè)要形成回路，單根電阻絲長(zhǎng)度不宜大于60 m，所有電阻絲起點(diǎn)均向整體墩柱下部延伸，最后用膠帶綁扎成一整束固定在鋼筋骨架上，所有電阻絲末端向整體墩柱上部延伸，用膠帶綁扎成三束，預(yù)留在整體墩柱混凝土內(nèi)側(cè)，留作與加熱電機(jī)連接。

3.4 內(nèi)部電阻絲與加熱電機(jī)的連接

內(nèi)部電阻絲采用АПВ-4型母線（紅色電纜）與加熱電機(jī)連接，內(nèi)部電阻絲尾部分成三束，分別連接到加熱電機(jī)45 V檔位。

3.5 混凝土的加熱養(yǎng)護(hù)

送電須在混凝土澆筑、保溫層鋪設(shè)結(jié)束，人員撤出后進(jìn)行[2]。送電前須檢查所有接地裝置是否可靠，檢查所有接頭質(zhì)量是否牢固，檢查電流表讀數(shù)和用于加熱的加熱電機(jī)工作狀態(tài)及參數(shù)是否滿足要求，采用溫度自動(dòng)控制及加熱模式自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，加熱養(yǎng)護(hù)3～5天后視情況結(jié)束通電。

3.6 電阻絲布置及加熱注意事項(xiàng)

（1）電阻絲沿外側(cè)鋼筋骨架布置，距離混凝土表面5～10 cm。

（2）電阻絲必須放置在混凝土里面，不允許接觸模板，更不允許裸露在空氣中。

（3）電阻絲敷設(shè)在結(jié)構(gòu)中時(shí)不能用力張緊，在帶有尖銳邊緣的拐角處，在導(dǎo)線下安放由油毛氈或?yàn)r青紙構(gòu)成的絕緣層。

（4）電阻絲的固定方式可采用剪掉的電阻絲、金屬線制作的卡針、塑料固定銷及聚丙烯繩。

（5）加熱電機(jī)應(yīng)放置在結(jié)構(gòu)物附近且放置場(chǎng)地需平整，并加蓋防雨雪設(shè)施。

（6）混凝土澆筑前需用歐姆表檢查電阻絲，確保電阻絲回路絕緣良好。

（7）進(jìn)行電加熱時(shí)必須按照安全要求保證現(xiàn)場(chǎng)的用電安全，鋪設(shè)電阻絲的工人及接電人員應(yīng)接受安全培訓(xùn)，加熱過程有電工值班[3]。

4 冬季混凝土施工工藝流程及要點(diǎn)

4.1 冬季混凝土配合比

通過在普通混凝土里加入防凍劑可以防止在負(fù)溫下混凝土中水分結(jié)冰，使混凝土在負(fù)溫下可以正常施工和正常硬化，并在規(guī)定養(yǎng)護(hù)條件下達(dá)到預(yù)期性能。冬季混凝土試配強(qiáng)度應(yīng)比設(shè)計(jì)強(qiáng)度提高一個(gè)等級(jí)。混凝土防凍劑通常有粉體和液體兩種，在哈薩克斯坦地區(qū)普遍使用的是一種叫作116 s的液體防凍劑（有減水效果），摻量通常為水泥含量的1%，具體數(shù)值通過試驗(yàn)確定。

4.2 冬季混凝土生產(chǎn)

哈薩克斯坦東部地區(qū)11月至次年3月為冬季，月平均氣溫均在0 ℃以下，其中12、1、2月三個(gè)月平均氣溫均在?10 ℃以下，1月最低氣溫可達(dá)?30 ℃。在如此低溫環(huán)境下生產(chǎn)混凝土，需要將混凝土用水和骨料同時(shí)進(jìn)行加熱，水采用煤炭加熱儲(chǔ)水罐，水的加熱溫度不宜高于80 ℃，骨料采用暖棚加熱，骨料加熱溫度不宜高于60 ℃。暖棚采用彩鋼板搭設(shè)的臨時(shí)板房，板房地面和三側(cè)墻壁按40 cm（根據(jù)適宜施工的極端低溫計(jì)算）間距安裝加熱管道，加熱管道采用無縫鋼管，管道內(nèi)部采用循環(huán)熱水加熱，為減少加熱空間，粗骨料按設(shè)計(jì)配合比（最常用的）預(yù)先拌合后存入暖棚內(nèi)，細(xì)骨料單獨(dú)存放。

4.3 冬季混凝土運(yùn)輸

混凝土攪拌運(yùn)輸車罐體采用保溫被覆蓋，混凝土卸落前采用熱水沖洗罐體，冬季施工混凝土盡量選擇運(yùn)輸距離近的結(jié)構(gòu)物，減少中間倒運(yùn)，根據(jù)運(yùn)輸距離配置混凝土罐車數(shù)量，使整個(gè)澆筑過程連續(xù)。

4.4 冬季混凝土澆筑

冬季混凝土澆筑盡量選擇在天氣晴好的情況下進(jìn)行，混凝土澆筑前清除模板及鋼筋上的冰雪和污漬，搭設(shè)簡(jiǎn)易暖棚并在內(nèi)部放置暖風(fēng)炮將模板和鋼筋加熱到5 ℃以上，混凝土澆筑前新舊混凝土接觸面應(yīng)鑿毛，鑿毛深度不小于5 mm，整個(gè)澆筑過程應(yīng)連續(xù)，混凝土澆筑完成后及時(shí)在頂部覆蓋棉被保溫，并在前24 h內(nèi)保持暖風(fēng)炮工作。

4.5 冬季混凝土養(yǎng)護(hù)

混凝土澆筑完成后，在專業(yè)電工做完所有檢查后通電加熱，電加熱時(shí)間一般為3～5天[4]。

5 經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析

目前國(guó)內(nèi)大部分企業(yè)因?yàn)槎臼┕こ杀靖?，混凝土施工質(zhì)量不易控制導(dǎo)致進(jìn)行冬季施工的意愿并不強(qiáng)烈。電阻導(dǎo)線加熱法通過在混凝土內(nèi)部埋設(shè)經(jīng)過絕緣的PSNV導(dǎo)線，避免了由外部加熱造成的傳導(dǎo)與輻射的熱損失，可均勻加熱混凝土，更容易保證混凝土內(nèi)部溫度的平穩(wěn)，避免因局部溫度過高失水而產(chǎn)生裂縫，大大提高了電能的利用率，更容易滿足施工質(zhì)量要求，加快了施工進(jìn)度。

哈薩克斯坦由于瀕臨西伯利亞，全國(guó)大部分地區(qū)冬季寒冷而漫長(zhǎng)，電阻絲加熱混凝土工藝在哈薩克斯坦應(yīng)用已超過30年，且由于工藝簡(jiǎn)單，成本低，全國(guó)超過70%的地區(qū)和建筑施工企業(yè)在冬季采用該工藝進(jìn)行冬季混凝土施工。該工藝所需三種材料（設(shè)備）在該國(guó)很容易獲取且價(jià)格低廉，混凝土內(nèi)部絕緣導(dǎo)線150元/km，連接母線0.4元/m，加熱電機(jī)8 000元/臺(tái)，加上加熱電機(jī)運(yùn)行需要的柴油，每立方米混凝土成本增加費(fèi)用約為55元，大大低于國(guó)內(nèi)其他傳統(tǒng)施工工藝，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)束語

我國(guó)寒冷地區(qū)地域遼闊，包括了“三北”地區(qū)等13個(gè)省、市、自治區(qū)，占全國(guó)面積50%以上，冬季施工時(shí)間長(zhǎng)達(dá)3～6個(gè)月，充分利用冬季進(jìn)行施工，是縮短工期、提高社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益的重要環(huán)節(jié)。近年在俄羅斯和哈薩克斯坦地區(qū)常用的電阻導(dǎo)線加熱法，若經(jīng)過研究?jī)?yōu)化應(yīng)用于國(guó)內(nèi)寒冷地區(qū)冬季施工，既可以保障企業(yè)的連續(xù)生產(chǎn)，又可以加快我國(guó)寒冷地區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)，使一些重點(diǎn)工程提前建成并投入使用，提前發(fā)揮工程投資效益，為國(guó)家建設(shè)作出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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