寒冷地區(qū)低溫季節(jié)混凝土施工技術(shù)研究

武紹元，熊 濤，沈國(guó)武

(中國(guó)水利水電第九工程局有限公司，貴陽，550081)

1 研究背景

高寒地區(qū)冬季較長(zhǎng)而且寒冷干燥，受環(huán)境溫度影響，水泥水化反應(yīng)減緩，嚴(yán)重影響到混凝土施工質(zhì)量。同時(shí)在出現(xiàn)氣溫驟降、寒潮、晝夜溫差等都很容易使混凝土內(nèi)外形成溫度梯度，并引起很大的拉應(yīng)力，容易導(dǎo)致表面裂縫的產(chǎn)生。

在高寒地區(qū)低溫環(huán)境下施工，建筑物應(yīng)采取減少外露面積，加強(qiáng)冬季密閉性并考慮冬季寒冷期較長(zhǎng)的特點(diǎn)。在西藏高海拔地區(qū)每年的12月初至翌年2月底為低溫環(huán)境，通常做法是暫停大體積混凝土施工，并作好暴露面的越冬保護(hù)。目前國(guó)內(nèi)難度相對(duì)較低的水電項(xiàng)目即將開發(fā)殆盡，水電開發(fā)重心已逐漸轉(zhuǎn)移到開發(fā)難度大，制約因素多的西南地區(qū)。受工期制約，往往需要在低溫季節(jié)安排混凝土施工，低溫、低氣壓、低濕度、強(qiáng)輻射、大溫差、氧氣含量稀薄等區(qū)域環(huán)境給混凝土施工帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

我國(guó)水工混凝土低溫季節(jié)施工探索始于1949年的豐滿水電站的修復(fù)與改建工程，之后在桓仁、撒多、李家峽、積石峽、小石峽、吉林臺(tái)一級(jí)、直孔、邊壩縣二級(jí)等水利水電工程建設(shè)中均進(jìn)行了低溫季節(jié)施工。隨著混凝土低溫施工技術(shù)水平的不斷提高，暖棚法、蓄熱法等混凝土低溫季節(jié)施工技術(shù)逐步被水電行業(yè)規(guī)范所借鑒，并被廣泛采用[1]。但升溫手段主要采用電暖爐、熱風(fēng)機(jī)、燃煤等，電暖爐和燃煤都對(duì)現(xiàn)場(chǎng)防火不利，存在安全隱患，熱風(fēng)機(jī)則會(huì)造成混凝土表面失水干燥，出現(xiàn)質(zhì)量問題。

2 依托工程概況

大古水電站位于西藏自治區(qū)山南地區(qū)桑日縣境內(nèi)，為Ⅱ等大(2)型工程，以發(fā)電為主，水庫(kù)正常蓄水位3447.00m，相應(yīng)庫(kù)容0.5528億m3，電站壩址控制流域面積15.74萬km2。多年平均流量1010m3/s，電站裝機(jī)容量660MW。電站樞紐建筑物由擋水建筑物、泄洪消能建筑物、引水發(fā)電系統(tǒng)及升壓站等組成。

大古水電站工程位于高海拔寒冷地區(qū)，基本特性為氣溫低、空氣稀薄、紊亂強(qiáng)風(fēng)、氣候干燥、晝夜溫差大、太陽輻射強(qiáng)烈。大古電站工程區(qū)多年平均氣溫9.3℃，極端最低氣溫-16.6℃。每年的12月初至翌年2月底為低溫季節(jié)，招投標(biāo)階段低溫季節(jié)期間暫停大體積混凝土施工，并作好各暴露面的越冬保護(hù)，施工圖階段受工期制約，需安排低溫季節(jié)施工。

低溫季節(jié)氣溫低、干燥、風(fēng)大，再出現(xiàn)氣溫驟降、寒潮、晝夜溫差等都很容易使混凝土表層形成溫度梯度，從而引起很大的拉應(yīng)力，容易導(dǎo)致表面裂縫的產(chǎn)生。

3 低溫季節(jié)混凝土施工技術(shù)

在低溫季節(jié)進(jìn)行混凝土施工需保證澆筑溫度，實(shí)踐表明澆筑溫度>6℃時(shí)，混凝土能夠保持正常的活性，混凝土質(zhì)量能夠得到保證；當(dāng)澆筑溫度在0～6℃時(shí)，水化反應(yīng)速率降低，凝結(jié)時(shí)間增加；當(dāng)澆筑溫度趨近0℃時(shí)，游離水開始凍結(jié)，水化反應(yīng)停止。

國(guó)內(nèi)低溫季節(jié)混凝土施工始于豐滿水電站的修復(fù)與改建工程，經(jīng)過多年的探索，逐步形成以暖棚法、蓄熱法以及二者結(jié)合的低溫季節(jié)施工技術(shù)。

3.1 暖棚設(shè)計(jì)

低溫環(huán)境下，為提高混凝土施工質(zhì)量，采用暖棚施工法進(jìn)行混凝土施工，用φ48腳手架管搭設(shè)支撐架，間排距3m，頂部鋪設(shè)三防布進(jìn)行防風(fēng)，每隔3m開設(shè)下料口，當(dāng)溜槽、膠帶機(jī)、泵送地泵下完料后，應(yīng)及時(shí)將下料口采用三防布進(jìn)行遮蓋，防止棚內(nèi)熱量散失。

根據(jù)澆筑倉(cāng)面大小，按照1000m3/臺(tái)配置暖風(fēng)機(jī)，在混凝土澆筑前2h開始棚內(nèi)升溫，使暖棚內(nèi)溫度快速達(dá)到6℃以上。

為便于泵車下料，在暖棚頂部鋪設(shè)保溫被時(shí)，每3m設(shè)置一個(gè)下料口，下料口大小50cm×50cm。在實(shí)際施工時(shí)，當(dāng)下完料需挪動(dòng)泵管時(shí)，應(yīng)及時(shí)將下料口采用保溫被及防風(fēng)三防布進(jìn)行遮蓋，防止棚內(nèi)熱量散失[2]。

3.2 暖棚內(nèi)耗熱量計(jì)算

假設(shè)澆筑體積為1000m3，澆筑高度為3m，根據(jù)《建筑工程冬期施工規(guī)程》(JGJ/T 104-2011)、《建筑施工計(jì)算手冊(cè)》(江正榮著)，暖棚在單位時(shí)間內(nèi)的耗熱量按下列公式計(jì)算：

Q0=Q1+Q2

Q1=∑A×K(Tb-Ta)

Q2=V×n×Ca×ρa(bǔ)(Tb-Ta)/3.6

式中：Q0——暖棚總耗熱量(W)；

Q1——通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)各部位的散熱量之和(W)；

Q2——由通風(fēng)換氣引起的熱損失(W)；

A——圍護(hù)結(jié)構(gòu)的總面積(m2)；

K——圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)(W/m2·K，此處K可用℃代替)，取3.6計(jì)算；

Tb——棚內(nèi)氣溫(℃)；

Ta——室外氣溫(℃)；

V——暖棚體積(m3)；

ρa(bǔ)——空氣的表觀密度，取1.37kg/m3；

Ca——空氣的比熱容，取1kJ/kg·K；

n——每小時(shí)換氣次數(shù)。

通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)各部位的散熱量之和為Q1，在進(jìn)行本工程計(jì)算時(shí)，棚內(nèi)氣溫要求達(dá)到Tb=6℃，室外氣溫按照允許施工階段的最低氣溫Ta=-10℃，則：

Q1=∑A×K(Tb-Ta)=1000/3×3.6×[6-(-10)]=19200(W)

通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)各部位的散熱量之和為Q2，在進(jìn)行本工程計(jì)算時(shí)，換氣次數(shù)n按照每10min換氣一次，每小時(shí)換氣次數(shù)為6，Q2計(jì)算如下：

Q2=V×n×Ca×ρa(bǔ)(Tb-Ta)/3.6=1000×6×1×1.37×[6-(-10)]/3.6=36533(W)

Q0=Q1+Q2=19200+36533=55733(W)

經(jīng)上述計(jì)算，1000m3暖棚每小時(shí)內(nèi)的耗熱量為55733W，考慮施工現(xiàn)場(chǎng)保溫材料密封性無法達(dá)到理想狀態(tài)、風(fēng)大等特殊情況，采用120kW的暖風(fēng)機(jī)進(jìn)行加熱時(shí)，可滿足要求。暖風(fēng)機(jī)暖棚法施工示意如圖1所示。

圖1 暖風(fēng)機(jī)暖棚法施工示意

無煙煤燃燒熱值25.12MJ/kg～32.65MJ/kg，折算系數(shù)0.857～1.114，按照平均值計(jì)算，無煙煤熱值為(25.12+32.65)/2×(0.857+1.114)/2=28.47MJ/kg，1kW.h=3.6MJ。

無煙煤按照20kg/5h添加，平均每h耗煤4kg，發(fā)熱量為28.47×4/3.6=31.63kW·h，滿足1000m3倉(cāng)面耗熱量，且采用特制煤爐。煤爐大暖棚法施工示意如圖2所示。

圖2 煤爐大暖棚法施工示意

3.3 支撐結(jié)構(gòu)安裝

采用架設(shè)腳手架管并綜合利用鋼模板搭設(shè)支撐架。暖風(fēng)機(jī)暖棚法由于頂部需覆蓋三防布，采用4m×4m×1.5m(間距×排距×步距)的滿堂腳手架搭設(shè)作為支撐架。煤爐大暖棚法由于頂部無覆蓋，僅需搭設(shè)四周防風(fēng)圍護(hù)，一般采用模板即可作為支撐架，對(duì)于模板支撐不滿足的情況下，增設(shè)4m×1.5m×1.5m(間距×排距×步距)雙排腳手架作為支撐。

腳手架施工需滿足《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ 130-2011)的規(guī)定。

3.4 制熱設(shè)備安裝

制熱設(shè)備均根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況在廠家定制，運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)后，人工配合25t吊車吊裝到位。

暖風(fēng)機(jī)暖棚法采用120kW大型暖風(fēng)機(jī)，安裝在澆筑倉(cāng)面外，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況配置風(fēng)管，對(duì)倉(cāng)面內(nèi)進(jìn)行熱交換。

煤爐大暖棚法施工時(shí)，煤爐安裝在暖棚內(nèi)不需澆筑混凝土的空腔部位，為確保施工人員作業(yè)條件并較少大氣污染，全部采用無煙煤，并設(shè)專人看護(hù)。

3.5 敷設(shè)防風(fēng)保溫材料

暖棚均使用具備防風(fēng)、防雨、阻燃特性并可重復(fù)利用的三防布。

為便于泵車下料，在暖風(fēng)機(jī)暖棚頂部鋪設(shè)三防布時(shí)，每3m設(shè)置一個(gè)下料口，下料口大小50cm×50cm。煤爐暖棚法只需鋪設(shè)倉(cāng)面四周，采用扎絲固定在腳手架上即可。

3.6 混凝土生產(chǎn)

通過對(duì)成品砂倉(cāng)堆場(chǎng)預(yù)埋地暖對(duì)成品砂進(jìn)行預(yù)熱和破冰，輔以半封閉料倉(cāng)，確保低溫環(huán)境下骨料溫度>2℃。

因水的比熱容大，提前對(duì)拌合用水進(jìn)行加熱成為預(yù)熱混凝土最直接、經(jīng)濟(jì)和有效的控制手段。若采用60℃的熱水拌和低溫骨料在低溫環(huán)境下拌和仍不能滿足最低出機(jī)溫度要求時(shí)，則需采取預(yù)埋管預(yù)熱和暖風(fēng)機(jī)風(fēng)熱等方式對(duì)骨料預(yù)熱。砂顆粒小，流動(dòng)性好，熱交換面積大。以控制出機(jī)口溫度滿足設(shè)計(jì)要求。環(huán)境溫度與出機(jī)口溫度對(duì)比見圖3所示。

圖3 環(huán)境溫度與出機(jī)口溫度對(duì)比

3.7 混凝土運(yùn)輸

在低溫環(huán)境下采取合理的保溫措施，減少混凝土從拌和站至入倉(cāng)過程中的熱量損失也是混凝土溫控的關(guān)鍵，合理的措施不但可以避免熱量損失甚至可以提高入倉(cāng)溫度[3]。

低溫環(huán)境下水平運(yùn)輸一般采用罐車、皮帶機(jī)等，罐車保溫采用在罐體上加裝專用保溫罩的方式，皮帶機(jī)采用搭設(shè)蓋棚保溫的措施；垂直運(yùn)輸一般采用梭槽、溜桶、各類吊裝設(shè)備配合吊罐入倉(cāng)和各類混凝土泵泵送入倉(cāng)，在吊罐、管路四周均采用各類保溫材料覆蓋保溫。

根據(jù)倉(cāng)面一次性澆筑面積、混凝土運(yùn)輸距離、路況、卸料及入倉(cāng)強(qiáng)度配置罐車用于混凝土運(yùn)輸，保證運(yùn)輸車輛在拌和站不等待接料，在施工現(xiàn)場(chǎng)不等待卸料，減少運(yùn)輸過程中受環(huán)境氣候影響。環(huán)境溫度與入倉(cāng)溫度對(duì)比如圖4所示。

圖4 環(huán)境溫度與入倉(cāng)溫度對(duì)比

3.8 混凝土澆筑

國(guó)內(nèi)混凝土低溫季節(jié)施工技術(shù)主要有如下三大類：

(1)提高環(huán)境溫度，使混凝土在正常情況下硬化。典型的技術(shù)為暖棚法，適用于環(huán)境溫度-25℃～0℃。

(2)在混凝土配合比中加入防凍劑，使其具有在負(fù)溫下硬化的性能。適用于環(huán)境溫度<-15℃。

(3)提高混凝土入倉(cāng)溫度，使混凝土在受凍前達(dá)到臨界抗壓強(qiáng)度。典型的技術(shù)為蓄熱法，適用于環(huán)境溫度>-5℃。

早在1929年前，蘇聯(lián)建設(shè)德聶泊水電站時(shí)，冬季混凝土施工量約占總混凝土施工量的16%，主要采用暖棚法施工并取得了良好的效果[4]。吉林臺(tái)、吉前、金河等水電站均采用暖棚法施工，澆筑溫度在為7℃～9℃之間，有效避免混凝土凍害的發(fā)生。拉西瓦水電站、西藏直孔水電站采用蓄熱法或暖棚法與蓄熱法相結(jié)合的方法，均取得了較好的施工效果。

大古水電站混凝土根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況采用40m混凝土天泵入倉(cāng)，具備采用膠帶機(jī)+溜槽入倉(cāng)的條件，入倉(cāng)的泵管采用3cm厚橡塑海綿進(jìn)行包裹，膠帶機(jī)和溜槽外側(cè)及頂部采用三防布進(jìn)行包裹。

暖風(fēng)機(jī)暖棚法施工時(shí)，混凝土入倉(cāng)前提前2h進(jìn)行倉(cāng)內(nèi)預(yù)熱，澆筑完成48h后關(guān)閉暖風(fēng)機(jī)。當(dāng)下完料需挪動(dòng)泵管時(shí)，應(yīng)及時(shí)將下料口采用保溫被及防風(fēng)三防布進(jìn)行遮蓋，防止棚內(nèi)熱量散失。

煤爐大暖棚施工時(shí)煤爐長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)運(yùn)行，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員舒適的作業(yè)環(huán)境有利。

澆筑層厚50cm，每層施工寬度2m左右，每澆筑完一個(gè)條帶，立即采用薄膜和3cm厚橡塑海綿覆蓋保溫保濕，棚內(nèi)溫度可以防止?jié)仓瓿傻幕炷潦軆觥?/p>

澆筑溫度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況或按照每4h測(cè)量一次確定，溫度計(jì)插入深度不小于10cm?；炷翝仓囟鹊臏y(cè)量，每100m2倉(cāng)面面積取1～2個(gè)測(cè)點(diǎn)，每澆筑層3～4個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)應(yīng)均勻分布在澆筑層面上[5]。

3.9 倉(cāng)面澆筑效果

2019年12月8日，在大古水電站消力池左邊墻2#塊(壩下0+114.50～壩下0+134.50、壩左0+116.00～壩左0+120.60)采用蓄熱法結(jié)合暖棚法施工。冷卻水管布置在高程3381.50m、3382.50m、3383.50m，按1m水平間距、1m豎向間距“S”形布置，埋設(shè)時(shí)水管距上、下游混凝土面為1m～1.5m，距橫縫及施工縫0.8m～1.5m，距孔洞1m～1.5m。在高程3382.00m埋設(shè)1支溫度計(jì)(編號(hào)：TLC-114#-3382.00-1)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)澆筑情況，該倉(cāng)實(shí)際開倉(cāng)時(shí)間為2019年12月7日15∶00，封倉(cāng)時(shí)間為2019年12月8日11∶50?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)倉(cāng)外環(huán)境、倉(cāng)內(nèi)環(huán)境、澆筑溫度、出機(jī)口和入倉(cāng)溫度曲線詳見圖5。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)溫度曲線

根據(jù)溫度曲線，倉(cāng)外最低溫度為-6℃，在暖棚內(nèi)溫度最低為3℃，入倉(cāng)溫度受水化反應(yīng)影響，有一定回升，澆筑溫度在14.31℃～17.56℃之間，能夠確保施工質(zhì)量滿足規(guī)范要求。

澆筑期間對(duì)混凝土拌和物指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，棍度為上、黏聚性較好、中等含砂、無析水，檢測(cè)指標(biāo)準(zhǔn)滿足要求。

根據(jù)該倉(cāng)同等條件下混凝土抗壓強(qiáng)度檢測(cè)報(bào)告顯示，混凝土28d齡期抗壓強(qiáng)度分別為28.5MPa、30.5MPa、29.5MPa，達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的118%，滿足質(zhì)量要求。

3.10 封倉(cāng)

封倉(cāng)時(shí)，在大體積混凝土上游埋設(shè)排水槽，同時(shí)將完成面適當(dāng)向排水槽方向按2%坡度收面。利于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定同時(shí)確保沖倉(cāng)水能夠自流到排水槽內(nèi)，使用水泵抽排，避免受低溫影響水流漫流至已澆筑倉(cāng)面，使混凝土面凍結(jié)。

3.11 表面保溫保濕

在壩體表面覆蓋保溫保濕材料可以減少施工期外界環(huán)境溫度變化的影響、減小表面溫度梯度，改善混凝土變形和受力條件，提高混凝土耐久性。同時(shí)，表面保溫保濕也能避免混凝土凍害和產(chǎn)生干縮裂縫。

傳統(tǒng)混凝土表面保溫保濕工藝為粘貼聚苯乙烯板或者噴涂聚氨酯，經(jīng)大古水電站工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施后發(fā)現(xiàn)這兩種工藝存在著保濕效果不佳、不能適應(yīng)藏區(qū)的特殊氣候條件及環(huán)保要求等問題。通過科技創(chuàng)新研發(fā)了新型保溫保濕工藝，采用橡塑海綿作為保溫層，薄膜和通水花管形成保濕層，采用壓條和螺栓加固的方式，能夠使混凝土表面達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件，取得了極好的保溫保濕效果。

在低溫季節(jié)施工的混凝土盡量不進(jìn)行拆模，在鋼模板外側(cè)嵌貼10cm厚聚苯乙烯板，確?；炷帘砻鏈囟龋瑴p小混凝土內(nèi)外溫差。

4 效益分析

4.1 工期效益

大古水電站在低溫環(huán)境下，按照本技術(shù)施工完成了混凝土澆筑13.16萬m3，施工的內(nèi)容處于關(guān)鍵線路上，最終提前完成施工任務(wù)和節(jié)點(diǎn)工期目標(biāo)，混凝土施工質(zhì)量?jī)?yōu)良，實(shí)現(xiàn)提前下閘蓄水6個(gè)月，低溫環(huán)境下施工完成情況詳見表1。

表1 西藏DG水電站低溫環(huán)境下施工完成情況統(tǒng)計(jì)

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

低溫環(huán)境下施工期間增加了投入成本，主要為暖棚、制熱設(shè)備費(fèi)用，主要統(tǒng)計(jì)如表2。

表2 低溫環(huán)境下施工期間投入成本增加統(tǒng)計(jì)

大古水電站提前蓄水發(fā)電6個(gè)月：多年平均發(fā)電量32.045億kW·h，在節(jié)約工期一年的情況下，按0.05元/kW·h的利潤(rùn)計(jì)算，可增加收益32.045×0.05×6/12/10000=8011.25萬元。

該技術(shù)實(shí)施后能增加收益8011.25-92.47=7918.78萬元。

5 結(jié)語

工程實(shí)踐表明，在寒冷地區(qū)低溫季節(jié)進(jìn)行混凝土施工時(shí)，通過合理使用暖棚法與蓄熱法相結(jié)合的澆筑方法，在混凝土拌和、運(yùn)輸、入倉(cāng)、澆筑、養(yǎng)護(hù)等方面采取具體的措施，控制施工過程中的熱量損失，采用新型保溫保濕材料加強(qiáng)混凝土表面養(yǎng)護(hù)等施工措施可以保證混凝土各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范要求，該技術(shù)可供類似工程參考。