水利工程混凝土冬季施工技術研究

摘要：新時期，加強我國水利工程建設至關重要。為確保水利工程在灌溉期前投入使用，滿足防汛條件，冬季施工就不可避免。在北方一些地區(qū)，水利工程冬季工期長達半年，而混凝土施工受到氣候影響因素較大，因此必須予以重視。本研究結(jié)合混凝土施工的優(yōu)勢和缺陷，系統(tǒng)地研究了凍融循環(huán)發(fā)生的機理、危害，分析了水利工程冬季混凝土施工存在的問題，提出了最新的施工技術方案。以期給水工程在冬季施工提供理論依據(jù)。

關鍵詞：水利工程；冬季；混凝土；施工技術

近幾年來，我國極端天氣頻發(fā)，各類水旱災害給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，人民生活和群眾生命財產(chǎn)都造成了巨大的損失，嚴重影響了人民的安居樂業(yè)。在此背景之下，加強水利工程建設就至關重要。受到極寒天氣影響，冬季混凝土施工進度緩慢，技術復雜度高，受到凍融循環(huán)作用的影響大，在冬季高寒天氣中，施工質(zhì)量隱患具有滯后性[1]。這是由于冬季低溫會影響混凝土的水分狀態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低其水化作用，影響其強度提升[2]。加之硬化混凝土存在脆弱性，在冬季受到凍融作用的影響，引發(fā)潛在的嚴重收縮開裂問題，造成飽和水的混凝土的開裂和表面剝落，降低結(jié)構(gòu)的抗拉安全性、耐久性和整體穩(wěn)定性[3]。因此，在冬季必須高度重視水利工程混凝土施工的工作，深入分析其原理，針對冬季施工存在的問題，不斷優(yōu)化施工技術。

1 混凝土施工的優(yōu)勢和缺陷

1.1 混凝土施工的優(yōu)勢

（1）混凝土強度高，在硬化后和石頭一樣堅硬、耐磨、耐久而且耐風化，混凝土和其他材料相比，耐火性更強，遠遠強于普通鋼結(jié)構(gòu)。（2）混凝土可塑性強，凝固前是流塑體，可以根據(jù)水利工程的實際需求，澆制成不同規(guī)格的構(gòu)件和結(jié)構(gòu)物。（3）混凝土適用范圍廣，在熱帶、寒帶，夏季、冬季都可以施工。而且隨著品種的增加和技術的創(chuàng)新，其復合性更強，比如鋼筋混凝土、纖維混凝土、樹脂復合成聚合物混凝土，其物理學性能更卓越。（4）混凝土成本低，90%左右是砂和石骨料，開采容易，方便就地取材，還可以充分利用廢渣、廢液制造膠凝材料、骨料和外加劑。（5）混凝土施工方便，一般不需要復雜設備，使用的多是工業(yè)副產(chǎn)品，運輸、攪拌、振搞工藝設備和技術相對簡單，降低了施工難度。（6）混凝土施工能耗較低，與鋼材、塑料相比，污染低，還能夠充分利用廢渣和廢料，實現(xiàn)資源的再生利用。

1.2 混凝土施工的缺陷

（1）混凝土是非均質(zhì)材料，盡管抗壓強度很高，但是，不抗沖擊、折和拉，這需要使用鋼筋或者其他復合型材料提升其均勻性。（2）混凝土施工工期較長，需要在一定溫度條件下進行養(yǎng)護，才能夠達到需要的硬化強度。在冬季施工過程中，必須進行保溫和促凝，因此，工期又比平時更長。（3）混凝土在硬化過程中會產(chǎn)生干縮，一旦超過極限收縮值，就會產(chǎn)生裂縫。因此，一般都需要采用膨脹水泥補償收縮，以提升其抗裂性能。（4）水利工程混凝土長期承受巨大負荷，久而久之產(chǎn)生塑性變形，從而發(fā)生徐變現(xiàn)象，進而造成應力松弛，引起預應力的損失。

（5）水泥作為混凝土施工的重要原料，水化過程中會產(chǎn)生水化熱，從而發(fā)生溫度應力，當超過一定范圍，就會產(chǎn)生裂縫。（6）普通混凝土的密度較大，可達

2 500 kg/m3，導熱系數(shù)較高，這樣會增加負荷，降低其保溫性，因此需要外加保溫措施。

2 凍融循環(huán)發(fā)生的機理、危害

在冬季寒冷天氣，氣溫長期在5℃以下，在冰點以下水分就會凍結(jié)成冰，當溫度提升就會溶解，長期反復這種作用下，就會產(chǎn)生混凝土凍害，破壞其組織結(jié)構(gòu)[4]。由于混凝土的導熱效率較高，孔隙水中可溶鹽的濃度增加，毛細管內(nèi)冰體表面張力加強，讓凍體從大孔隙向小孔隙擴散，導致冰體形成和膨脹。膨脹壓由兩種因素引發(fā)，一是水結(jié)冰導致體積增大9%，二是在水分擴散過程中，產(chǎn)生滲透壓，造成冰晶分層的破壞現(xiàn)象。在長期反復作用下，水分向易結(jié)冰區(qū)遷移，冰壓力讓裂隙不斷擴大?？傮w來說，大粗骨料更容易發(fā)生凍害，凍融與荷載通過疊加，會加劇凍害[5]。在凍融作用下，混凝土會產(chǎn)生如下凍害：（1）裂縫：一般源自水分凍結(jié)膨脹，常存于混凝土接縫或構(gòu)造裂縫中。（2）侵蝕脫皮：在完全水化階段從空隙開始，一般在2 nm到10μm左右，要解決這一問題，需要降低水灰比，增加養(yǎng)護天數(shù)。（3）粗骨料露出：在水利工程中，由于水泥和粗骨料的界面剝離，產(chǎn)生凍結(jié)作用而膨脹。（4）崩出：一般也是由水分凍結(jié)導致的多孔質(zhì)骨料膨脹，因膨脹壓力擠壓骨料而產(chǎn)生。外側(cè)此外，混凝土本身也具有抗凍融性，其抗凍性好，受到凍融作用的影響就越小。

3 冬季混凝土施工存在的問題

水利工程混凝土施工本身要求更高，要更多地考慮將來投入使用的質(zhì)量，以及受到水侵蝕等影響[6]。由于溫度較低，在施工過程中會導致砂石結(jié)冰等現(xiàn)象，參與水泥水化作用的水就會相應減少，強度增長相應減緩。如果溫度持續(xù)降低，那么水化作用就會完全停止，混凝土的強度就不再增長[7]。水凝固的過程會導致體積增大9%，產(chǎn)生巨大的膨脹壓力，給施工帶來困難。此外，極度低溫也會導致外加劑凝固、骨料和鋼筋表面上產(chǎn)生冰凌、混凝土內(nèi)部形成各種空隙、攪拌機機口溫度過低、混凝土密實性低以及攪拌機無法正常工作等問題。此外，大型混凝土構(gòu)件在冬季施工較為困難，主要是因為內(nèi)外溫差較大，溫度越低，外部降溫越快，內(nèi)外溫差越大，這樣在內(nèi)部積累大量水分，就容易產(chǎn)生裂縫[8]。由于溫度越高，水化越快，在冬季混凝土施工中，硬化過程大大減緩，強度和質(zhì)量都會降低。在外界溫度降低時，水和礦物質(zhì)分離，產(chǎn)生廢水，對混凝土的性能造成不利影響，在加載點和壓縮點增加大量裂縫。在水利工程冬季施工中，既受到溫度的影響，又受到工期的限制，因此，工程質(zhì)量就面臨較大的壓力。在頻繁的凍融狀態(tài)下，水的形態(tài)反復變化，因此，對強度影響很大。另外，在冬季施工還要考慮混凝土鋼筋銹蝕，結(jié)晶腐蝕以及表面起灰等問題。比如，在農(nóng)業(yè)節(jié)水工程中，混凝土表面經(jīng)常出現(xiàn)霜層，這就是典型凍害損傷問題[9]。

4 混凝土冬季施工的技術優(yōu)化

4.1 引氣技術的應用

4.1.1 引氣的原理和要求

引氣技術的原理是利用眾多的微小氣泡消除膨脹壓力，讓水分套利到充氣孔中，避免破壞現(xiàn)象產(chǎn)生。氣泡膜壁也能消耗水分，由于氣泡直徑小、分布均勻，能夠提高混凝土的抗?jié)B性，減少內(nèi)部水量，降低凍脹程度。在水利工程中，由于水分侵蝕量較大，如果能夠提高抗?jié)B性，就能夠有效控制侵蝕水的滲入。在反復凍融條件下，水分存在于氣孔中，即使在融化之后也不會產(chǎn)生凍害。具體技術優(yōu)化措施為通過外加劑引入空氣，形成近似球形、直徑50μm的氣泡，從而截斷水流通道，降低混凝土的滲透性。在引氣過程中應該注意，要確保毛細孔體積的最小化，保證水灰比足夠小，氣泡盡量小，更好地抵御凍害。將混凝土和薄板的水灰比控制在0.5和0.45以下，確保其強度超過24 MPa。為確保引入氣泡起作用，氣孔間距應該控制在200μm和250μm左右，從而限定逸出水流的最遠距離。

4.1.2 引氣劑的使用

使用先進的引氣劑進行處理，比如復合減水劑或引氣減水劑，使之快速生成細小、穩(wěn)定的氣泡，在聚合與排斥的過程中，形成一層薄膜。為提升其性能，應該摻用其他外加劑，并且不能與引氣劑直接接觸。一般來說，引氣劑的摻量和氣泡量成正比，因此，還需要控制最大摻量。使用前，水泥應完全分散、攪拌均勻。摻入引氣劑，能夠提高混凝土的強度，改善其工作性能，提高了其抗侵蝕性。

4.1.3 施工要點

必須采用機械攪拌方式，控制攪拌時間，以確保引氣量；控制混凝土溫度，以增大引氣量；適當增加坍落度，以提升引氣量；提高砂率，確保砂的細度，提高引氣量；充分溶解后，再進行配置，對絮凝進行加熱溶解；在冬季環(huán)境下，要有規(guī)律地測試含氣量；保持振搗均勻，適當降低頻率，確保試驗室和現(xiàn)場一致；加入微量穩(wěn)泡劑，比如蛋白質(zhì)、明膠；根據(jù)不同品種確定摻和量，比如松香熱聚物和皂角粉分別控制在0.003%～0.02%和0.005%～0.02%。

4.2 施工前期準備

4.2.1 原材料選擇

考慮到冬季極寒的特殊環(huán)境，混凝土施工必須選擇耐寒的材料，比如，強硅酸鹽成分的水泥。為保證快速硬化，可以采用快速強化型水泥，同時，搭配速凝劑提高效果。骨料要經(jīng)過嚴格選擇，而且進行預處理，具有一定的保溫性。粗骨料在5～40 mm，含泥率低于1%，細骨料在0.35～0.5 mm。在50～60℃的室外溫度下進行攪拌。其水灰比應該在0.6以下，甚至可以達到0.5，這樣才有利于后期施工。為了提升原料的質(zhì)量，需要對原材料進行加熱，比如，采用水加熱方法，以確保水加熱效果達到10℃以上。水利工程中有大量的大體積混凝土施工，對于這一部分的施工應該考慮使用中熱型水泥以及混合水泥。在鋼筋混凝土工程中應該避免氯化物的使用，比如，無氯化物、無堿性防凍劑。一般可使用硝酸化合物，可通過加大劑量提高強度。針對外加劑容易凍結(jié)的狀況，可以采用加熱基材或模板，或者選擇防凍防水合金粉等。采用水灰比較低的富拌和物，控制早期溫度。對骨料的加熱需要通過管道蒸汽，避免造成含水量的變化，溫度控制在52℃以內(nèi)。冬季施工尤其需要注意的是骨料中不能含冰，這樣不但會改變水分含量，而且加熱溫度大量提升也會影響混凝土性能。

4.2.2 混凝土生產(chǎn)和澆筑

提前計算混凝土的生產(chǎn)溫度，同時，減少運輸次數(shù)，充分考慮運輸過程中的熱損失。先加熱熱容量大的水，然后對骨料進行蒸汽管道加熱，確保受熱均勻，不發(fā)生含水率發(fā)生局部變化。在攪拌骨料后，再加入水泥，避免水泥過早受熱而馬上凝固，因此，需要溫度降低40℃以下再加入?；炷翝仓仨氃趦鼋Y(jié)溫度之上，而且，在作業(yè)之前需要將模板和鋼筋上的冰雪及時清除，同樣采用蒸汽清除的方式，確保這些地方不凍結(jié)?？刹捎眉訜岚暹M行澆筑，避免溫度下降過快。通常應該采用施工棚等確保澆筑后的混凝土不能過久暴露在寒冷空氣中。針對混凝土泵會凍結(jié)等問題，要對輸送管道以及各類設備進行加熱。

4.3 混凝土養(yǎng)護

根據(jù)溫度量計算養(yǎng)護天數(shù)，在極寒天氣下，應該將溫度控制在10℃以上，在養(yǎng)護2 d以后，將溫度控制在0℃以上。冬季施工最重要的是進行溫度管理，準確記錄生產(chǎn)全過程中的溫度，一旦發(fā)生溫度異常，要及時采用有效措施進行處理。隨時使用溫度測試裝置進行強度測試，實時記錄積累溫度數(shù)據(jù)，精準計算養(yǎng)護停止等時間。如果實際氣溫較低，那么就要相應增加養(yǎng)護時間。在現(xiàn)場多設供試體，對溫度和強度等指標進行多重測試。一般可使用隔熱材料覆蓋進行保溫，在15℃以下，需要使用防凍劑。配合蓄熱法進行保溫，根據(jù)實際不同狀況采用燒水鍋爐、蒸汽或電極加熱。冬季氣溫特低的情況下，可采用供熱養(yǎng)護方法，比如通過室內(nèi)、篷罩、隧道、立窯等方法進行保護[10]。對蒸養(yǎng)制度進行優(yōu)化，調(diào)節(jié)預養(yǎng)期，這非常有利于后期混凝土性能的提高。在升溫期對升溫速度進行控制，比如預養(yǎng)時間長，強度較高，那么應該慢升溫、短熱養(yǎng)。在恒溫期將溫度控制在75～95℃左右。降溫期要從各方面均衡降溫，避免產(chǎn)生較大收縮。

4.4 質(zhì)量控制

水利工程作為大型工程，必須做好質(zhì)量計劃與控制，認真進行圖樣會審和技術交底，實施“4M1E”的控制。同時優(yōu)化施工現(xiàn)場質(zhì)量保證體系，嚴格各項工序，按照混凝土工程質(zhì)量管理卡進行施工。利用現(xiàn)場智能化和信息化設備，做好巡回施工檢查。并且及時對成品進行保護、包裹、覆蓋、局部封閉，防止污染和損壞。

5 結(jié)語

為確保水利工程主體結(jié)構(gòu)安全，在冬季應該采用低溫混凝土施工方案，避免在反復凍融條件下造成裂縫、侵蝕脫皮、崩出等損害。因此在施工過程中，因此采用引氣等技術防止凍害，合理配比原材料，做好保溫等措施進行澆筑和養(yǎng)護，并且嚴格進行質(zhì)量控制，以確保水利工程混凝土的工作性能。

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