水利工程混凝土施工技術及其質(zhì)量控制策略研究

祁 曉

(中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450001)

0 引 言

水利工程項目中，混凝土施工屬于一項不可忽視的工程環(huán)節(jié)。此環(huán)節(jié)具有以下幾個方面的特點：混凝土施工的季節(jié)性較強，季節(jié)對于施工工藝的影響較大，在不同的季節(jié)進行施工，其效果和工期也會有很大的差異，尤其是在夏、冬兩個極端的季節(jié)，由于季節(jié)的溫差，很有可能導致工程質(zhì)量的問題；大多數(shù)水利工程混凝土施工具有工程量大的特點，主要是由于大部分水利工程的規(guī)模較大，有些大型的水利工程甚至可以跨越省份，因此混凝土施工往往會比較復雜；施工工藝比較繁雜，混凝土施工技術本身就包含著振搗、澆筑、配比等多項技術，加之水利水電工程施工的技術標準與需求較高，因此施工中對于混凝土技術的要求也相對較高。

1 水利工程實例

所選的水利工程項目位于該地區(qū)水庫上游，通過對現(xiàn)場的勘查與土體采樣校驗，該工程屬于危險工段。河岸邊坡的地質(zhì)結構是粉細沙土，穩(wěn)定性較差，容易被水流沖刷，尤其是靠近兩個村莊的一段河段，由于其主干向岸邊傾斜，導致連續(xù)多年崩塌。根據(jù)統(tǒng)計，河床每年大約向內(nèi)移動2 m，此種現(xiàn)象不僅造成了大量土地的流失，還導致了村內(nèi)居民連續(xù)兩次搬遷，嚴重威脅沿途人民的生命和財產(chǎn)。

針對這些問題，從20世紀80年代初期到90年代后期，該地區(qū)先后建成了土石壩和漿砌塊石護岸水利工程，但由于一些危險地段尚未治理，居民反應強烈，急需對其進行治理。

原設計護坡采用漿砌塊石進行護砌，但由于現(xiàn)場土體為具有很強透水性的粗砂混合土，在試驗段的施工中因滲水太大多次發(fā)生邊坡崩塌事故，導致無法在現(xiàn)場進行立模施工。同時，在水利工程所在區(qū)域，距離工地約600 m的位置，原來的一條運輸式滾水壩，由于修建了一條施工圍堰，堤防水位升高，使得基底墻不能按照原設計施工。

為了保證施工能順利進行，施工單位向上級部門提交了工程項目重大變更的申請，將原方案中的漿砌塊石護層改為混凝土護坡。經(jīng)技術人員設計與計算，項目投資總額在變更后不會增加。這種施工方式既能滿足工程的實際地質(zhì)要求，又能克服由于地質(zhì)條件的特殊性而增加施工難度等問題，同時還能在汛期施工，可以確保施工任務在預期內(nèi)完成。因此，下文將對此水利工程項目的施工展開研究。

2 水利工程混凝土施工技術

2.1 混凝土配合比設計

在水利工程項目中，根據(jù)結構特點、使用環(huán)境、工期、供給源等多種因素選擇，不同品種的水泥的水化熱和收縮率有一定的差別，隨著水泥的活性和強度等級的增加，其收縮率和收縮時間也會增加，所以選擇水化熱較低的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，并適當?shù)乜刂朴昧?，盡量避免使用高強或早強型水泥。水泥強度等級不小于32.8 MPa，使用量不得少于300 kg/m3。另外，在摻合料選擇混凝土時，要特別注意混凝土與外加劑的相容性，禁止采用高鋁水泥[1]。水泥運輸至大棚，然后再使用?；炷恋呐浔纫燥嬘盟疄榧?，使用其他水源時，其質(zhì)量必須達到《混凝土用水標準》(JGJ 63—2006)中的相關要求。攪拌水中不能包含能延遲混凝土凝固和使混凝土發(fā)生腐蝕的粒子；如果是用溶解水做攪拌水，則必須進行過濾和清理[2]。在集料中不得摻入有機材料，防止水化后溶解或延遲水化時間；集料必須干凈，不得含有土塊以及其他雜質(zhì)；集料內(nèi)不得含有具有高活性的硅酸鹽，從而避免因二者結合后出現(xiàn)絮凝體腐蝕產(chǎn)生體積膨脹而失效。混凝土的配合比設置必須滿足國家相關的規(guī)范要求。冬季施工中，混凝土的水灰比應該是0.6，但若遇有凍害的濕潤環(huán)境，則水灰比最大值為0.5；水泥強度等級不得小于32.5，使用量不得少于300 kg/m3；采用摻入防凍劑的混凝土，其含沙量可減少2%～3%；摻入混凝土的試驗，應當按照產(chǎn)品的質(zhì)量和出廠時間進行試驗；冬季施工混凝土時，要根據(jù)不同的結構、施工情況，選擇合適的施工坍落度，使其具有一定的流速，便于搗實。

2.2 混凝土拌制與運輸

在按照上述內(nèi)容確定混凝土的配合比后，為確保水利工程混凝土施工的質(zhì)量，需要嚴格控制混凝土的拌制和運輸，具體而言，在拌制和運輸時需要按照下述規(guī)范要求完成：

(1) 在混凝土中摻有防凍劑的原料，要按溫度高低分別進行：溫度在-5 ℃以下時，可用熱水混合；在溫度超過65 ℃時，應先將熱水與集料混合，然后再加水泥；在10 ℃以下時，可以將集料放進溫室或進行保溫處理[3]。對集料進行預熱，但不能超過60 ℃，防止燒焦。用蒸汽直接加熱集料所帶來的水分，應從拌和水中扣除；在不小于8 ℃的情況下，為了降低攪拌工作，僅對混合水進行加熱即可達到攪拌溫度的要求，攪拌時可采用熱水或蒸汽進行攪拌。

(2) 為了防止產(chǎn)生假凝結，在投入水泥、外加劑之前，必須加入骨料、水，充分攪拌。不能用80 ℃以上的水和水泥接觸[4]。防凍劑由專業(yè)人員調(diào)配，并嚴格控制其用量。水灰比例要嚴格控制。

(3) 將最后一種物料倒入攪拌器中，混合的時間應該比正常情況下的混合時間延長50%。

(4) 混凝土出料口溫度不能低于100 ℃，在凍區(qū)或采用凍結法施工時，可以根據(jù)試驗確定出料的出料點，進料溫度不能低于5 ℃。

(5) 混凝土從預拌場地運送至現(xiàn)場，不超過30 min。冬季混凝土的運輸，應盡可能縮短運輸距離，減少裝卸數(shù)量，并采用保溫運輸?shù)确椒?，將半路損耗降到最低[5]。在運輸過程中，混凝土的平均溫度下降幅度不得大于5攝氏度。

(6) 夜間運輸車輛宜放置于溫室大棚，運輸設備每日使用前，應將集裝箱內(nèi)的冰塊清理干凈。

2.3 混凝土澆筑

在混凝土澆筑之前，要把混凝土模板、鋼筋表面的雜質(zhì)、灰塵等清理干凈，但不要用水蒸氣將積雪融化，防止再次凍結?；炷翝仓臅r間應選擇在白天溫度高的時段，以防止出現(xiàn)強風、雨、雪等氣候條件下的混凝。在卸貨前應充分攪拌，每次攪拌至少要180 s，不可隨意添加水分[6]。如果出現(xiàn)離析，則在澆筑之前要進行二次攪拌。在澆筑之前，請專業(yè)人員對混凝土表面的溫度進行檢測，以保證在5 ℃以下。在澆筑混凝土時，應迅速澆筑，并盡可能減小工作面的面積，以減少熱量的損耗。澆筑完成后，在裸露的混凝土表面上涂上塑料布和保溫材料，并保證膠布中有凝結水[7]。冬季混凝土應增加兩組試驗塊：一組測試其抗凍臨界強度，并與測溫相結合，在其溫度下降至要求的溫度之前進行試驗，以確定其是否超出4 MPa的抗凍強度，若低于4 MPa，應采取保溫、加熱養(yǎng)護等措施，以保證其強度大于4 MPa；一組用于檢測進入室溫下28 d的試樣強度[8]。在混凝土澆筑過程中，還需要按照如圖1所示的方式完成對混凝土澆筑施工縫的留置。

圖1 混凝土澆筑施工縫留置

澆筑完畢后，應隨時進行入模溫度的測定，并做好保溫工作。在模具拆除后，由于混凝土面上的溫度與周圍環(huán)境溫度相差超過1 ℃，因此必須使用隔熱材料進行保護[9]?；炷恋酿B(yǎng)護期不得少于14 d?；炷翝仓?，在結構最脆弱、最容易凍結的地方，要采取保溫、防凍的措施，設置測溫孔，以測量混凝土表面的溫度，測溫點的埋設深度為2～3 cm，每2小時測量1次，然后每6小時測量1次，周圍溫度也要測量。

2.4 溫度控制與養(yǎng)護

混凝土的溫度與水化放熱的水泥有著直接聯(lián)系，而溫度是影響施工質(zhì)量的關鍵因素。因此，基于這一特點，需要在完成混凝土澆筑后對其溫度進行嚴格控制。溫度升高后的冷卻，使混凝土體積減小。如果這種體積減小是由基層所限定的，則會在其上形成張應力，而該張應力大于凝聚時的抗張強度。對溫度升高、下降速度進行調(diào)控以避免裂紋的出現(xiàn)，稱為溫度調(diào)控[10]。而在目標溫度上，溫度升高、下降速度往往需要考慮環(huán)境、施工條件等相關因素。

針對水利工程項目，對其進行溫度控制時，可采取下述幾種方式：

(1) 預冷，控制混凝土拌和溫度，通過將骨料冷凍或與水攪拌的方式控制溫度。

(2) 采用冷管法，降低混凝土硬化升溫量，達到控制溫度升高的目的。在混凝土的水平方向上，事先在接合面上每隔1.5～2 m放置一根直徑為25.4 mm的導管，然后將冷卻水循環(huán)到管路中，以控制溫度升高。

(3) 選用發(fā)熱量較低的水化水泥或具有抑制加熱效果的礦物摻合劑。

在實現(xiàn)對溫度的控制后，需要對完成澆筑的混凝土進行養(yǎng)護管理。在開展初期養(yǎng)護時，需要進行到強度達到不會再發(fā)生初期凍害的程度，即將混凝土的抗壓強度控制在3.5～5.0 N/nm2范圍內(nèi)。雖然土木工程協(xié)會將最低溫度定在5 ℃，但如果天氣很冷，或者木材很薄，最好不要超過10 ℃。此外，由于截面過厚，或受到水化熱的影響，養(yǎng)護的溫度也會超過20 ℃，所以在養(yǎng)護完成后要注意避免氣溫的驟降。為了安全起見，在養(yǎng)護2 d后，必須將混凝土的溫度維持在0 ℃以上。在溫度管理中還需要記錄累計溫度，其公式為：

M=∑(θ+A)△t

(1)

式中：M為累計溫度；θ為混凝土溫度；A為常數(shù)，通常為10；△t為時間。根據(jù)累計溫度數(shù)值的變化采取合理的養(yǎng)護方式，從而實現(xiàn)對施工質(zhì)量的控制。在上述論述基礎上，可按照圖2所示內(nèi)容，設計混凝土的養(yǎng)護結構。

圖2 混凝土養(yǎng)護結構示意圖

3 實證分析

3.1 施工前準備

根據(jù)業(yè)主要求，結合工地實際，施工前需要及時解決水電、道路、場地平整等問題。要迅速組織施工隊伍、機械設備，按照進度，逐步進場，爭取早日建成。為避免施工中涉及冬季作業(yè)，對混凝土性能造成影響，還要配備對應的鍋爐、電熱、煤炭、大棚薄膜等供暖設備，以避免原料制備無法達到質(zhì)量標準。

施工單位應根據(jù)施工圖紙及地質(zhì)勘察資料，建立質(zhì)量管理體系，并對每個崗位進行質(zhì)量管理。

3.2 混凝土原材料質(zhì)量抽樣檢測

設計混凝土制備后的質(zhì)量驗收標準，見表1。

表1 混凝土制備后的質(zhì)量驗收標準

根據(jù)混凝土制備與配比過程，對各項原材料進行進場質(zhì)量驗收。首先進行水泥材料的質(zhì)量驗收。其質(zhì)量驗收標準及結果見表2。

表2 水泥材料的質(zhì)量驗收標準及結果

在此基礎上，設計混凝土制備原材料中的細骨料驗收標準，如果混凝土混合料的黏性差，容易產(chǎn)生離析和泌水現(xiàn)象；如果砂太細，就會使表面變得孔隙過大，又會增加水泥的消耗。因此，在設置細骨料時，不能設置太厚的砂粒，并進行沙礫的粒度檢驗，以確保制備材料符合質(zhì)量驗收標準。對混凝土細骨料進行質(zhì)量驗收，其結果見表3。

表3 細骨料材料的質(zhì)量驗收標準與結果

完成上述檢驗后，對混凝土坍落度進行測試，測試結果如圖3所示。

圖3 混凝土坍落度測試結果

3.3 施工成果質(zhì)量驗收

設定施工后作業(yè)面的質(zhì)量驗收指標為混凝土強度，在各個測點進行混凝土強度質(zhì)量檢測，檢測結果見表4。

表4 混凝土施工作業(yè)面強度檢測結果

4 結 論

經(jīng)過上述研究，得到如下幾個方面的結論：

(1) 根據(jù)表2水泥材料的質(zhì)量驗收標準與結果、表3細骨料材料的質(zhì)量驗收標準與結果可知，在制備混凝土時，所選用的原材料質(zhì)量符合標準，即制備材料可以通過質(zhì)量驗收。在此基礎上，根據(jù)圖3混凝土坍落度測試結果，發(fā)現(xiàn)所有樣品的坍落度均在55～70 mm，滿足或符合混凝土制備后的質(zhì)量驗收標準，證明制備的混凝土可以用于項目施工。

(2) 根據(jù)混凝土施工作業(yè)面強度檢測結果，所選的No1～No10測點的實測強度均>設計值，說明此工程在完成施工后，作業(yè)面強度得到有效提升，即該施工方法可以起到提高混凝土施工質(zhì)量的良好效果。

(3) 為了提高混凝土施工質(zhì)量，應在每一道工序施工前，在做好人員、材料、機械等一系列的施工配置，將配置結果向監(jiān)理部門報告，經(jīng)驗收合格后方可進行施工。同時，在施工過程中，不同參與方要規(guī)范其個人施工行為，有必要的情況下，可采取自檢的方式進行施工行為的階段性質(zhì)量驗收，以確保施工行為符合章程。在工序結束后，如果出現(xiàn)質(zhì)量問題，監(jiān)理單位應當組織分析缺陷部位、過程，查找影響質(zhì)量的各種原因，并將質(zhì)量問題反饋給施工單位，督促其整改。此外，組織業(yè)主、第三方質(zhì)量控制機構對整改結果進行評估，只有評估結果達到質(zhì)量要求后，才能繼續(xù)進行施工，否則需要停工整改，以避免階段性問題對工程施工整體質(zhì)量造成影響。