高寒地区大体积混凝土的特殊施工措施研究

张铁骑 陈 杰

（中国水利水电工程建设咨询中南公司 长沙市 410014）

老虎嘴水电站位于西藏自治区东南部林芝地区工布江达县巴河干流上。巴河干流是雅鲁藏布江的二级支流，发源于念青唐古拉山脉东端，河流全长约89km，工程区多年平均降雨量948mm，多年平均气温7.77℃，最高气温30.3℃，最低气温-16.4℃，多年平均蒸发量1085.2mm，多年平均最大风速为16.6m/s。

施工区位于老虎嘴峡谷内，施工场地狭窄。大坝采用混凝土重力坝，最大坝高84m，混凝土工程量30万m3。混凝土单仓浇筑面积970m2，最大浇筑方量2000m3。根据工期安排和实际施工进度，大部分坝体混凝土需要在冬季施工。因此，本工程积极开展了大体积混凝土冬季施工方法及防冻保温措施研究，有力地保证了工程顺利建设和工程建设质量，为工程按期投入运行奠定了良好条件。

1 混凝土冬季施工受冻破坏的内部机理

混凝土的凝结是一个很复杂的过程，主要包括结晶和水化过程，逐步由塑性变为固性，强度逐步增加。混凝土强度的增长过程与骨料品质、水灰比、水泥用量、用水量、养护条件、施工条件、环境温度等有直接关系，其中养护条件、施工条件等都与环境温度有关，对混凝土性能影响较大。

混凝土受冻破坏主要表现在两方面：其一、刚浇筑的混凝土是由未水化水泥、水泥水化产物、集料、水、空气共同组成的气—液—固三相平衡体系，随着环境温度的降低，混凝土强度增长变得缓慢，环境温度低于0℃时，内部孔隙中的水分将发生从液相到固相的转化，混凝土强度增长几乎停止，随着环境温度进一步降低，混凝土内的固相水体积增大，导致混凝土冻胀破坏。据相关理论，水结冰后体积约增大9%，在约束条件下将产生较大的冰胀应力。如果这个应力值大于混凝土的初期强度，则混凝土遭受冻胀破坏（即早期受冻破坏）。其二、初凝和终凝不久的混凝土由于混凝土内部水泥水化热的作用，混凝土内部温度急剧升高，可达30℃以上，而后逐步缓慢降低，而混凝土表面接近环境温度，由于内外温差大，导致混凝土内部与表体收缩不一致而出现开裂导致混凝土结构破坏。混凝土冻结前，应使其在正常温度下加速水泥的水化作用，可使混凝土获得不遭受冻害的最低强度，这个强度一般称为临界强度，我国规范规定的临界强度不低于设计强度的30%。

老虎嘴大坝混凝土强度等级为C15，受冻临界强度应达到4.5MPa。根据以上机理，混凝土的凝结过程以及初凝、终凝不久的混凝土对环境温度要求较高，因此加强混凝土冬季防冻保温措施，对于确保结构混凝土的耐久性、结构性能满足设计要求意义重大。

根据以上机理防止混凝土低温冻胀破坏施工措施主要从两方面考虑：一是混凝土凝结过程中的保温；二是凝结后一定时期的保温。

2 环境温度对混凝土性能的影响

根据相关规程和设计要求，大坝混凝土设计除重点考虑混凝土耐久性、抗冻性能、抗渗性能、抗侵蚀性能外，结合环境情况和坝体结构特征，还应考虑抗碱-骨料反应性能、抗裂性能等。以上各项性能都与混凝土施工环境温度有直接或间接关系。混凝土施工环境温度适宜、养护到位，混凝土强度正常增长快，对于后期抗冻性能、抗渗性能、抗侵蚀性能有利。

水泥是混凝土中最重要的原材料，水泥用量多少关系到工程成本、混凝土质量好坏及耐久性。在大体积混凝土中，水泥用量适中为宜，以降低混凝土内部温度，节约成本，甚至可掺加活性掺料以控制水泥用量。混凝土初凝和终凝后不久，混凝土内外温差大，如果不加强混凝土表面保温，混凝土外露面容易开裂，抗裂性能受影响，因此混凝土抗裂性能与环境温度关系密切。实践证明，在冬季混凝土施工过程中，掺加防冻剂可以起到增强混凝土初期抗冻性能的作用。据有关资料，掺加某些防冻剂后，在零下30℃的环境下，混凝土强度仍能继续增长。但是根据笔者多年实践，对于防冻剂使用应持谨慎态度，尤其不赞成在大体积混凝土中大量使用防冻剂替代保温施工措施。目前国内防冻剂生产厂家为销售其产品，往往过分夸大其使用功能而忽视不利影响。诸如对钢筋的锈蚀、混凝土碱含量、混凝土耐久性等影响。另外在大体积混凝土中添加外加剂还会对混凝土和易性、凝结时间、强度增长、后期强度等产生较大影响。混凝土防冻剂主要通过增加早期强度来达到防冻的效果，这样一来往往使得具有耐久性要求的混凝土掺气量达不到要求而影响其后期抗冻性能，早期强度急剧增加，导致水化热大量产生，内外温差增加，保温不当时，混凝土表面容易裂缝，影响其后期抗冻、抗渗性能。大体积混凝土掺加必要的诸如增加和易性和耐久性的外加剂是必要的，但是由于水泥用量少，再添加防冻剂对于大体积混凝土性能必将产生难以预料的影响，对此值得深入研究。

3 老虎嘴大坝混凝土冬季施工的特征

（1）气候特征。

老虎嘴水电站坝址冬季最低气温较低，为-16.4℃，昼夜温差大，据施工期2007年、2008年、2009年3个冬季实测昼夜温差最大达30℃。冬季气候干燥、少雨，蒸发量大，多年平均蒸发量1085.2mm。冬季多风、风大，多年平均最大风速为16.6m/s。主要气象特种统计见附表。

附表 老虎嘴坝区气象特性统计表

（2）工程特征。

仓面面积较大，单仓浇筑方量多，属于大体积混凝土，需保温仓面大。混凝土拌合物水泥用量少，塌落度低，和易性差。

（3）施工特征。

根据工期安排，冬季混凝土浇筑量大，冬季缺氧加剧，劳动者劳动效力降低，有效工作时间缩短。缺氧所致施工机械燃料不充分，导致机械效力降低，气温低导致机械设备器件冻坏，故障增多，机械设备保障率降低。

（4）环境特征。

由于西藏地区后勤保障线长，冬季道路运输条件恶劣，大部分原材料主要依赖内地供应，后勤保障难度增大。2008年“3.14”事件后藏区社会环境变差，对冬季施工造成较大影响。

4 老虎嘴冬季混凝土施工的特殊防冻保温措施

冬季大体积混凝土施工需要考虑以下因素：

（1）选择合适的防冻保温措施；

（2）控制混凝土入仓温度和进行仓内保温；

（3）慎重选用外加剂。

4.1 调整混凝土配合比

根据试验研究结果，在日平均气温为负温时，应采用冬季混凝土施工配合比。冬季混凝土施工配合比即适当增加水泥用量、掺加防冻剂、提高塌落度、增加和易性。防冻剂的掺量，在日平均气温低于-5℃、-10℃，添加不同的比例，实行动态调整。

4.2 骨料干燥

砂石料场位于右岸坡台地，地势较高，避免了集料水下开采的问题。但为避免低温季节进行集料筛洗工作，故在冬季前生产完成冬季施工所需的全部混凝土骨料，进行堆存，充分干燥，储备骨料按计划使用量的1.5倍考虑。在骨料进入拌和站骨料仓前及时清除料堆上的骨料，后用篷布覆盖，防止雨雪浸入骨料冻结。装载机取料时，只揭开取料部位的棚布，取料完毕后立即进行覆盖。

4.3 混凝土拌和

拌和站保温措施包括对上料仓及搅拌系统用保温棚进行封闭。保温棚以钢结构作骨架，墙体及顶棚采用双层结构，外层为彩钢瓦，内层为竹夹板，上料一侧不封闭。保温棚内设暖气、煤炉或碘钨灯供暧，室内温度保持在5℃以上。

拌和物保温措施包括设置热水锅炉，拌和混凝土前，用热水或蒸汽冲洗拌和机，并将积水或冰水排除。根据经验和试验，混凝土拌和时间比常温季节延长20%～25%；根据气候特征及热工计算，本工程不需要预加热骨料，只需热水拌和即可满足混凝土出机口温度和入仓温度要求。

工地设3套拌和站，其中两套可用于冬季混凝土拌合，并采用2套锅炉烧热水用于混凝土拌和。根据热工计算分析，本工程不同气温阶段采用不同的热水温度，每日按3个阶段控制热水温度：10：00～16：00热水温度35℃，16：00～22：00热水温度45℃，22：00～次日10：00热水温度60℃。在最寒冷的1月中旬，拌制水温在以上基础上再增加（3～4）℃。用热水拌和混凝土需要改变加料顺序，将骨料与水先拌和，然后加水泥拌和，以免水泥假凝。

4.4 混凝土出机口和入仓温度控制

本工程混凝土从拌和站至浇筑仓面水平运距800m，水平及垂直运输最长时间约40min，混凝土水平及垂直运输过程中温度下降为（4～6）℃，其它温度损失为（1～2）℃，混凝土入仓温度按不低于5℃考虑，则出机口温度定为（10～13）℃。若水平及垂直运输时间缩短为20min，混凝土运输及浇筑过程中温度损失为1.5℃，入仓温度按不低于8℃考虑，则出机口温度定为（10～12）℃。

4.5 混凝土水平运输保温

混凝土水平运输设备为混凝土搅拌车及自卸车，对运输车辆的罐体采用棉棚布或棉毡包裹。混凝土运输保温是难以控制的一个环节，在浇筑过程中，可能因突发事件耽误混凝土料的入仓时间，使本已加温的混凝土料在空气中逐渐冷却，致使达不到混凝土浇筑温度要求。因此，在浇筑前要配置足够的性能良好的运输设备，在运输过程中，合理调配运输车辆，缩短运输时间，尽量减少转运次数，减少混凝土停于槽内时间，降低混凝土运输、吊运过程中的温度损失。在施工停顿或结束时，要立即用热水对运输设备及混凝土拌和机进行清洗。恢复运输时应先给运输设备混凝土容器罐预热。

4.6 混凝土垂直运输保温

溜槽或皮带机入仓时，皮带机或溜槽外搭设保温廊道，廊道内设电卤灯供暧；门机吊送混凝土卧罐入仓时，对卧罐的罐体采用棉棚布或棉毡包裹，在包裹罐体的棉棚布或棉毡中间放置电热毯，利用间歇时间通过固定电源对罐体加热，以减少垂直运输的热量散失。

4.7 混凝土浇筑前准备工作

（1）基岩与混凝土表面加热。在严寒条件下基岩或老混凝土表层温度通常呈负温，在这些部位浇筑混凝土时，要将基岩或老混凝土加温至正温，确保表层没有冰霜。

（2）基岩及混凝土面清基。当日均气温高于0℃时，可在白天露天清基。采用在白天气温较高时段清基和冲洗仓面，仓面冲洗干净后，用高压风将仓面积水吹出仓面外，以防止仓面结冰。

当日均气温低于0℃时，采用“干清基“的方法，即用高压风直接将仓内浮碴吹出仓外。

（3）在混凝土浇筑前，清除模板和钢筋上的污垢。

（4）仓位准备。混凝土浇筑前，仓位应提前准备好，混凝土开仓时间选在正午气温较高时段，以利新老混凝土结合。

（5）开仓前混凝土原材料足够，人员、机械准备到位，保温材料装备到位，确保连续浇筑条件。

4.8 混凝土仓面保温

在冬季混凝土施工中，应着力改善混凝土施工条件，采取有效的蓄热保温法和搭设保温棚等施工措施，使新拌混凝土在正温条件下硬化，延长混凝土养护期，尽量降低构件毛细水含量，防止成熟混凝土的受冻，使混凝土性能有效增长，这是混凝土冬季施工中最重要和最关键的环节。

目前国内冬季混凝土施工仓面保温措施主要有两种：“蓄热法”保温和“暖棚法”保温。两种方法各有优缺点，“蓄热法”保温的原理为浇筑完成混凝土初凝后进行覆盖，利用混凝土水化热蓄热保温，其优点是节约生热材料、保温保湿、一次覆盖长期使用，其缺点是必须要在混凝土收仓初凝后才能进行覆盖，初凝前混凝土暴露在外，容易受冻破坏。“暖棚法”保温的原理为浇筑前就在仓面上空搭设暖棚，施工人员在暖棚内作业，暖棚内主要通过火炉供热，通过火炉的个数控制仓内温度，确保仓内温度不低于5℃，其优点为仓内温度较高，容易控制，保温效果好，其缺点为搭设和拆除暖棚需要花费大量人力、物力、财力和时间，拆除后在浇筑下一仓混凝土前还需要在混凝土表面重新覆盖保温材料。

比较两种保温法优缺点，根据仓面结构形式、施工手段、环境温度状况等，本工程采用“蓄热法”保温和“暖棚法”保温相结合的方式。暖棚搭设采用钢管脚手架作为支撑材料，具有一定的刚度和稳定性，防止被风刮翻，暖棚外采用3～5层的保温篷布覆盖，内生火炉调节仓内温度。“蓄热法”保温主要通过覆盖3～5层的保温篷布，具有保温绝热、保湿透气的性能，满足了本工程施工保温的需求。

4.9 拆模与表面保温

（1）低温季节混凝土拆模的原则。混凝土强度必须大于允许受冻临界强度；避免在夜间或气温骤降期间拆模；冬季施工期承重结构一般不拆模。

（2）拆模时间。蓄热法保温，至少养护5天后才能拆模。暖棚法保温，至少养护7天后才能拆模。

（3）表面保温措施。混凝土拆模后，为防止混凝土表面出现裂缝，混凝土顶面和侧面仍要采取保温措施：

① 混凝土表面用各种层状材料覆盖，并应将其连接成不透风的保护层。

② 保温模板如不影响下一道工序，可不拆除，直至寒冷天气结束。

③ 浇筑块侧面未达到受冻临界强度的，拆模后应在其表面覆盖保温篷布。

④ 混凝土顶面及四周整个冬季都应采用保温篷布覆盖，以利保温及养护。

（4）保湿措施。暖棚内混凝土初凝后应经常洒水，保持混凝土湿润。蓄热法保温时，在气温较高时段，应洒水湿润保温篷布，以达到保湿作用。

4.10 冬季混凝土施工质量控制

除常规质量检查外，冬季混凝土施工还应防止混凝土早期受冻，出现温度裂缝等。

（1）水泥。水泥进场时，应检查厂家提供的水泥试验报告单，检查水泥生产厂名、品种、强度等级、出厂日期、重量、掺和料的名称和数量等，检查水泥是否受潮变质，是否结块等。

（2）砂石骨料。在混凝土搅拌前，检查砂子和粗骨料的含水量，细骨料的细度模数、含泥量、超逊径，检查砂石骨料是否局部存在冰块。

（3）外加剂。检查外加剂生产厂家所提供的出厂合格证；检查外加剂的性能指标、掺加量；检查配制时是否充分溶化。检查各种外加剂是否存在化学反应；各种外加剂添加顺序是否符合要求。

（4）混凝土拌和。经常性检查混凝土出机温度；拌和材料是否有过热现象；检查水泥是否存在“假凝”等。

（5）混凝土浇筑。保温模板是否符合保温要求，接缝是否严密；混凝土浇筑前仓面是否有结冰，基础面积水是否排干；在混凝土浇筑过程中，经常性测量混凝土浇筑温度，并根据需要及时调整混凝土出机口温度。

（6）混凝土养护。混凝土初期养护要经常检查浇筑块顶面边角处的温度情况，若温度过低应尽快加强保温；采用防冻外加剂混凝土应检查混凝土温度，如混凝土温度可能低于允许最低温度的话，应提早加强保温措施。

（7）拆除模板。一般情况，冬季浇筑的混凝土在冬季期间不宜拆模。如果需要拆除模板，也要满足拆模时混凝土强度和内外温差要求。

（8）温度控制。加强气温和混凝土温度的观测，做好观测记录。根据观测或预测的气温情况，根据需要适时调整保温方式和保温措施。

5 结论

通过冬季全程温度测控，出机口混凝土平均温度达12℃，平均入仓温度7℃，最低入仓温度4.5℃，仓内平均温度（6～8）℃，仓内最低温度4℃。原型观测数据显示，混凝土内部最高温度29.05℃，平均温度28.45℃，满足设计要求。取样试验表明，冬季施工混凝土耐久性指标满足设计要求。

通过采取以上各项冬季施工防冻保温措施，在2009～2010年冬季共浇筑坝体混凝土6万m3，综合分析混凝土外观、取样试验结果以及现场观测数据，老虎嘴大坝混凝土质量良好，各项性能指标符合设计要求。采取特殊保温措施，保证了高寒条件下混凝土浇筑的连续性，加快了工程进度。