水利工程冬期混凝土施工研究

韓小東

（內(nèi)蒙古卓泰水利水電工程有限公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

水利工程大多具有建設(shè)任務(wù)多、工期緊、建設(shè)與施工周期長等特點(diǎn)，為保證工程項目在大汛前順利投產(chǎn)或水利工程項目可以在使用中發(fā)揮預(yù)期的作用，使灌區(qū)正常灌溉，部分工程項目需要在冬季施工。在冬季，由于溫度較低，混凝土中的含水量會發(fā)生變化，從而使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，進(jìn)而影響其工作性能[1]。另外，低溫還會使混凝土的水化能力明顯降低，從而影響混凝土強(qiáng)度，拖延施工進(jìn)度、降低質(zhì)量，因此，混凝土施工是冬灌施工的重點(diǎn)。

在大壩和堤防等水利工程中，應(yīng)用混凝土較多?；炷潦┕な芾瓚?yīng)力的影響，硬化后的混凝土呈現(xiàn)明顯的脆性。為保證混凝土的抗拉性能和整體穩(wěn)定，上部結(jié)構(gòu)在設(shè)計和施工過程中，將面對混凝土內(nèi)部水化作用引起的溫升和收縮開裂等問題[2]。在嚴(yán)寒氣候條件下，凝結(jié)層上部結(jié)構(gòu)受水季節(jié)的影響，表面會產(chǎn)生裂隙和剝落，嚴(yán)重影響了結(jié)構(gòu)的耐久性。針對該問題，需要及時采取有效的措施，對工程項目進(jìn)行規(guī)范化管理與科學(xué)化施工，控制施工中原材料的質(zhì)量，規(guī)范施工行為與施工過程，才能保證混凝土冬季施工可以達(dá)到預(yù)期。為滿足以上需求，本文將對此進(jìn)行研究。

1 冬期混凝土選材與配比

針對水利工程冬期混凝土施工項目，可按照圖1所示流程，完成施工[3]。

圖1 混凝土冬期施工流程圖

當(dāng)冬期混凝土選材與配比時，選擇的水泥要經(jīng)過初凝時間、抗壓強(qiáng)度的測試，通常選擇普通的硅酸鹽水泥，粗骨料的選擇要以與之相適應(yīng)的鵝卵石為主，最大尺寸不超過鋼筋最小間距的1/4，必須＜40mm，要確保當(dāng)混合時其級配有較好的工作性能，而細(xì)骨料最好是中粗砂或粗砂。拌合上水灰比選用0.5～0.6，為改善拌合上的和易性，應(yīng)使用外加劑，并應(yīng)通過試驗來決定所用的摻合料、摻入量及摻合次序。

快干水泥是一種較好的施工材料，可根據(jù)不同的條件，選用材料，還可以采用速凝劑，但在混凝上不能用帶有氯離子的材料[4]。此外，可以將不含氯、不含堿的抗凍劑作為寒冷地區(qū)混凝土施工的專用外加劑。防凍劑由亞硝酸類和硝酸類組成，根據(jù)有無減水效果，可分為I型和II型。II型常與AE類減水劑等配制而成，如果與含硫類化合物的外加劑發(fā)生反應(yīng)，則會生成毒性氣體，因此，使用時應(yīng)注意與外加劑的兼容性。在新拌混凝土中加入抗凍劑，加入抗凍劑后，混凝土的結(jié)冰溫度會有所提高[5]。

當(dāng)配制混凝土?xí)r，加熱水化骨料，嚴(yán)禁加熱水泥，在混凝土攪拌完成后，計算水泥漿的溫度，如公式（1）所示。

式中：T為混凝土攪拌完成后水泥漿的溫度；Ta為骨料溫度；Wa為骨料質(zhì)量；Tc為水泥溫度；Wc為水質(zhì)量；Tm為水溫度；Wm為水質(zhì)量。

2 混凝土生產(chǎn)、運(yùn)輸與澆筑

在混凝土的制備過程中，需要預(yù)先計算混凝土的溫度。必須考慮輸送過程中混凝材料的熱損失，保證混凝材料具有足夠的溫度，避免過早凝結(jié)，同時也要保證混凝土材料溫度不能過高，否則會對其強(qiáng)度發(fā)展產(chǎn)生不利影響[6]。隨著新拌混凝土處理溫度升高，新拌混凝土處理效果下降，熱收縮增加。當(dāng)加熱材料時，應(yīng)該按照熱容先加水，再加骨料的順序。當(dāng)用蒸氣加熱骨料時，要盡可能讓骨料整體同時受熱，受熱的溫度要保持一致，不能讓局部的含水量有變化。由于水泥在受熱后會迅速硬化，因此絕不能進(jìn)行受熱作業(yè)。在使用攪拌器前，必須將高溫水化的骨料與混凝土攪拌在一起，當(dāng)其溫度低于40℃時，才能加入水泥[7]。

混凝土不能澆筑在凍結(jié)的路基或混凝土地基表面，可采用圖2的方法對地基土進(jìn)行保溫防凍處理。

圖2 地基土保溫防凍

在進(jìn)行澆筑前，要把附在模板上的冰雪徹底清除掉，當(dāng)進(jìn)行解凍時，可以采用蒸氣解凍的方法，并且要注意防止解凍部位再次結(jié)冰。當(dāng)澆注混凝土?xí)r，要注意避免溫度迅速降低，在有游離水的情況下，不要進(jìn)行后期平整。澆筑完畢后，不要讓混凝土長期在室外曝曬或處于冷風(fēng)中。采用混凝土泵施工，若輸送管道的溫度太低，則會導(dǎo)致流入管道內(nèi)的水泥漿局部凍結(jié)[8]。因此，在建設(shè)過程中，必須采用保溫或加熱水的方法來加熱管線。當(dāng)澆筑結(jié)束時，計算混凝土溫度，如公式（2）所示。

式中：T2為澆筑結(jié)束時混凝土溫度；T1為攪拌結(jié)束時混凝土的溫度；T0為周圍環(huán)境溫度；t為運(yùn)輸時間。

3 嚴(yán)寒條件下混凝土養(yǎng)護(hù)

為保證滿足混凝土澆筑強(qiáng)度要求，養(yǎng)護(hù)時間見表1。

表1 混凝土目標(biāo)養(yǎng)護(hù)天數(shù)

在寒冷天氣的混凝土工作中，保持水分和養(yǎng)護(hù)是必不可少的。養(yǎng)護(hù)溫度、養(yǎng)護(hù)時間均與表1中的暴露狀態(tài)A相同。要結(jié)合混凝材料的配合比、外部空氣的溫度、構(gòu)件的截面尺寸以及養(yǎng)護(hù)方法等來確定養(yǎng)護(hù)溫度。雖然要求最低的養(yǎng)護(hù)溫度是5℃，但很冷的情況下或者材料很薄的情況下，最好為10℃。此外，斷面很厚或受到水化熱的影響，也有可能導(dǎo)致養(yǎng)護(hù)溫度高于20℃，在養(yǎng)護(hù)完成后要注意避免溫度驟降。養(yǎng)護(hù)完成2d后，混凝上部的溫度必須高于0℃。在養(yǎng)護(hù)過程中，應(yīng)當(dāng)對溫度進(jìn)行管理，明確混凝土累計溫度與強(qiáng)度間的關(guān)聯(lián)，計算累計溫度，如公式（3）所示。

式中：M為累計溫度；θ為混凝土的溫度；A為常數(shù)，取值為10℃；Δt為時間。

在混凝上覆一層絕熱材料，利用水泥的水化熱效應(yīng)進(jìn)行保溫。該方法適合在-3℃以下的微凍期使用。若溫度較低，則須同時使用絕緣材料等制成的具有較高保溫性能的模具。當(dāng)保溫養(yǎng)護(hù)時，在溫度降至0℃以下的過程中，混凝土的溫度會對強(qiáng)度有很大的影響，因此，要注意不能將澆筑溫度設(shè)定太低。在最低氣溫接近-15℃的情況下，也要考慮使用抗凍劑。在混凝土表面用薄板或保溫薄板進(jìn)行簡單地覆蓋，冷卻至0℃的冷卻時間要超過12h，以此提高強(qiáng)度。

4 施工中的質(zhì)量控制與分項環(huán)節(jié)質(zhì)量驗收

4.1 施工中的溫度控制

水泥水化放熱，會導(dǎo)致混凝土澆筑結(jié)構(gòu)中的中心區(qū)域溫度升高。結(jié)構(gòu)中心點(diǎn)快速升溫后的快速降溫會使凝結(jié)水體積縮小，如果體積縮小受到基層約束，那么在絮凝劑上就會產(chǎn)生張力，張力一旦超過絮凝劑的抗張強(qiáng)度，就會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂紋。因此，需要在施工中對混凝土的溫度進(jìn)行控制，在此過程中，應(yīng)明確溫控是指對溫度上升量、降溫速度進(jìn)行控制，以防止結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不可逆的裂紋。在工程項目設(shè)計、施工的過程中，通常需要考慮環(huán)境條件和施工條件等有關(guān)因素，并以此為依據(jù)，對混凝土溫度應(yīng)力進(jìn)行細(xì)致分析。為更直觀、清晰地掌握施工中結(jié)構(gòu)溫升的變化情況，可按照圖3設(shè)計混凝土施工中的測溫點(diǎn)布置方式。

圖3 混凝土施工中的測溫點(diǎn)布置方式

通過這種方式，掌握施工中混凝土的溫度變化情況，當(dāng)內(nèi)外溫差超出預(yù)設(shè)值時，需要采取技術(shù)措施，對其進(jìn)行溫度控制?？刂品绞桨A(yù)冷法、低發(fā)熱水泥法、保溫養(yǎng)護(hù)法。其中預(yù)冷是指可以用冰凍的骨料與水混合、用薄冰塊混合等方法來降低混凝土拌合溫度的方法。低發(fā)熱水泥法是指采用低水合物熱效應(yīng)或有抑制熱效應(yīng)的礦物質(zhì)摻合料代替原有的水泥材料，其中波特蘭水泥是目前應(yīng)用最廣泛的一種水泥，這種水泥由鐵素體與粉煤灰體混合制成。在施工中，絮凝劑層數(shù)越厚，每層的澆注間距越短，升溫幅度越大，因此，可以通過控制絮凝劑層數(shù)和澆注間距的方式來降低升溫幅度。保溫養(yǎng)護(hù)法是指在寒冷的氣候條件下，混凝土的內(nèi)部和外部溫度相差很大，很容易造成混凝土表層開裂。為避免產(chǎn)生裂縫，在澆筑的混凝土上鋪設(shè)或增加絕緣類材料，輔助電熱墊的方式，進(jìn)行結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)保溫，以此縮小混凝土內(nèi)外溫差。

4.2 混凝土配合比設(shè)計與檢驗

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)冬季工程項目施工的具體需求，對施工中混凝土配合比進(jìn)行設(shè)計與檢驗，對混凝土中不同原材料的物理性能進(jìn)行檢驗，具體內(nèi)容見表2、表3。

表2 水泥原材料檢驗（單位：MPa）

表3 細(xì)骨料原材料檢驗

按照上述步驟，對混凝土制備中其他原材料質(zhì)量進(jìn)行驗收。根據(jù)工程項目的具體要求，對原材料質(zhì)量進(jìn)行檢驗，檢驗結(jié)果表明，所選的混凝土制備原材料質(zhì)量均符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

確保相關(guān)工作符合技術(shù)規(guī)范后，應(yīng)明確冬季施工后，由于氣溫較低，因此混凝土坍落度需要達(dá)到10cm～15cm，以此為標(biāo)準(zhǔn)，對混凝土質(zhì)量進(jìn)行驗收，其結(jié)果如圖4所示。

圖4 混凝土坍落度的質(zhì)量驗收

從圖4可以看出，制備后的混凝土坍落度符合設(shè)計規(guī)范，能保證混凝土冬季施工可以達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)語

在水利工程項目施工中大量使用混凝土結(jié)構(gòu)，使其具有獨(dú)特的社會、經(jīng)濟(jì)價值。如果不重視混凝土在冬季的施工，就會對工程方與施工方造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。目前，我國的水利工程正在進(jìn)行一次大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，因此，對混凝土冬期施工進(jìn)行深入研究，避免在混凝士冬期施工過程中產(chǎn)生問題，有助于工程業(yè)主方、技術(shù)方和管理方更好地了解混凝土冬期施工的方法。在規(guī)范混凝土施工過程中，保證混凝土材料在施工過程中的可靠性，對延長建設(shè)項目與建造工程的使用壽命、縮短施工周期具有十分重要的意義。

為落實此項工作，本文進(jìn)行了研究，完成設(shè)計后，以某地區(qū)大型水利工程項目為例，對施工后的質(zhì)量進(jìn)行驗收，驗收后發(fā)現(xiàn)澆筑并養(yǎng)護(hù)后的混凝土無裂縫，說明該項技術(shù)施工應(yīng)用效果良好。