高寒地区水利工程混凝土冬季施工措施与方法研究

和仕云

(云南省迪庆州香格里拉市水务局,云南 迪庆 674499)

高寒地区的混凝土施工工程是混凝土工程质量事故的多发地区，而且所存在的大部分施工质量隐患在时间上往往具有滞后性，通常无法在第一时间发现并解决，而且由于发现问题不及时，解决问题的难度亦随着时间增大。香格里拉市处于云南省西北部、青藏高原横断山脉的腹地，冬季漫长而寒冷，将每年11月—次年3月中旬定义为施工冬期，如何在冬期施工保证混凝土的强度质量使施工顺利完成是我们需要思考并明确的，在施工过程中分析问题，提出优化方案，确保施工顺利进行。

1 冬季混凝土施工的问题

由于香格里拉市的冬季比较漫长，对我们的水利工程乃至所有建筑工程都带来相当大的影响，比如近几年我们已建与正在建的水利项目小中甸水库、康思水库、毕桑谷水库以及硕多岗河、达拉河河道治理等项目，在一定程度上，无论在工期或者工程质量上都受到了一定的影响。

为满足工期需要，要求必须在冬季进行混凝土施工，在香格里拉的冬天平均气温接近-10 ℃，混凝土在生产过程中经常出现砂石结冰、外加剂凝固、搅拌机机口温度过低以及搅拌机无法运转等问题。这些问题都会从根本上影响混凝土后期成型的强度质量,急需要一种科学合理的低温混凝土施工方案确保混凝土工程的顺利进行。

2 冬季混凝土施工方案

2.1 混凝土质量控制

混凝土主要是由凝胶材料、砂石骨料还有水按一定比例混合搅拌而成的，其中骨料的选取具有严格的要求，要选取经过预先生产，含水量低并经过保温处理的骨料，混凝土骨料具有粗骨料和细骨料两种选择，粗骨料宜选择坚实级配的碎石，且粒径选择在5～40 mm范围内最佳，并保证骨料含泥率低于1%，同时减少风化颗粒的掺入，细骨料宜选择粒径0.35～0.50 mm的中砂粒，保证选择细骨料或粗骨料时其颗粒级配与其他指标均满足质量要求。水泥采用32.5R普通硅酸盐水泥，且水泥用量不少于300 kg/m3。在室外所采用的搅拌的水的温度应保持在50～60 ℃之间，如若温度过高，可以适当的改变物料顺序，先使水与骨料混合，最后再加入水泥搅拌，这样做的目的是为了防止温度过高导致水泥假凝影响后期混凝土的强度质量。冬季混凝土原料配比的方法步骤与常温下相同。混凝土的孔隙率和孔结构特征对抵抗冻害有显著效果。混凝土的水灰比直接影响混凝土的孔结构。因此，冬季施工混凝土的水灰比应不大于0.6，且实际施工中混凝土的水灰比要大于预期设计。混凝土本身具有水化作用，它在浇筑完成之后逐渐凝结硬化，强度增加并达到预期强度，水化作用的速度还与环境温度有关，并且随着环境温度的变化而变化，当环境温度在零下时，水开始结冰，此时水化作用也基本停止，此时混凝土的强度也不再增长。而在水凝结成冰的过程中，水的体积相较于冰的体积会增长9%，此时混凝土所承受的压力远远大于其内部结构初期形成的压力，压力的增大使混凝土的内部结构遭受破坏，使强度变低。最后当冰融化成水后，还会在混凝土内部遗留下不同程度的空隙，从而会导致混凝土的耐久性变差。因此在混凝土施工时应加入适量的外加剂降低混凝土中的冰点，外加剂的掺量严格遵照(钢筋混凝土施工及验收规范)规定范围使用[1]。

2.2 混凝土施工过程控制

冬季施工混凝土的原材料一般需要加热，通过对混凝土原材料的加热，使得混凝土在搅拌、运输、浇筑后，还具有一定的热量，并在一定的养护条件下硬化，逐步增长到所需的强度。由于施工地区处于高原、高寒山区，最低气温已经达到-20 ℃,根据实际情况我们首先采用水加热法，水加热法最为简便，且易于控制，为防止混凝土“假凝”影响混凝土强度，要求水的温度最高不超过80 ℃，如果水加热至规定温度尚不能使搅拌的混凝土达到规定的温度时则考虑对砂、石加热的方法，混凝土原材料的加热需要通过严格的热工计算来确定加热温度。另外这时我们可以通过搭建保温棚的办法来对混凝土浇筑过程进行保温，因为混凝土的浇筑过程需要保证的温度在10 ℃以上，所以保温棚的搭建应采用合适的保温隔热材料，同时保温棚的搭建必须牢固，不透风。由于温度的传导，混凝土的搅拌、运输和浇筑过程中热量损失很大，混凝土浇筑过程一定注意以下几点：(1)需要保证混凝土出机口的温度不小于10 ℃，浇筑入模时的温度不小于5 ℃，并尽量减少热量损失；(2)混凝土施工的浇筑工作应尽量在白天进行，浇筑前应先做好模具以及钢筋的清洁工作，确保没有积雪和杂物，还要充分了解制作混凝土的各原材料性能，做好相应的保温防冻措施。(3)冬季混凝土的转运过程应尽量减少周转次数，混凝土的运输应该采用混凝土专用运输罐车，并且在运输前还要对运输设备进行预热以减少热量的损耗[2]。

2.3 浇筑后混凝土的养护控制

施工地区处于高原、高寒地区，最低气温已经达到-20 ℃，我们也可以通过搭建保温棚的办法来对混凝土的养护进行保温。混凝土施工结束后，应至少再置于保温棚中15 d，直到混凝土强度增长到75%以上。还要根据温度的变化，正确应对混凝土的脱模时间，由于地处高原、高寒山区，低温下混凝土的浇筑凝结时间高于常温下的凝结时间，如在-4～0 ℃的混凝土凝结时间相较常温时要延长3倍左右，温度越低则需要保证混凝土的凝结时间越长。另外保温棚的拆除过程要注意不要立即将混凝土暴露在室外低温环境中，应给予相应的温度缓冲，防止因为温度骤降而导致混凝土内部结构强度破坏。在保温棚拆除后，要迅速将保温被和塑料薄膜覆盖在混凝土表面，防止温度流失，还要设定专人对浇筑好的混凝土进行温度测试，在遭遇温度骤降或是寒流时，立即进行人工加热[3]。

3 质量要求

从混凝土施工过程中工程机进水口(表1)以及工程仓面(表2)的各项温度指标记录可以看出混凝土施工过程中各项指标均能满足质量要求。

表1 工程机进水口温度统计表

表2 工程仓面温度统计表

4 热工计算

混凝土冬季施工热工依据《建筑施工冬期施工规》，根据相关规定进行计算，需要保证混凝土出机口的温度(Ti)不小于10 ℃，浇筑入模时的温度(即浇筑温度Tj)不小于5 ℃。各个边界条件如下所示：

(1)混凝土运输至浇筑完成时间Xt为：

Xt=X1+X2

(1)

式中：X1为运输时间，取值0.4 h；X2为浇筑时间，取值0.4 h，代入计算Xt为0.8 h。

(2)混凝土浇筑温度Tj为：

Tj=Ti-(aXt+0.032n)×(Ti-Tn)

(2)

式中：Tj为浇筑温度，因为Tj≥5 ℃,取值5℃；n为混凝土转运次数，取值4次；Tn为运输时的环境气温Tn，取值0 ℃；a为混凝土运输过程中损失温度参数，取值0.25 h-1；Ti为混凝土出机温度，经计算得Ti=7.4 ℃，同时因为Ti≥10 ℃，因此Ti=10 ℃。

(3)混凝土的搅拌温度为To：

To=(Ti-0.16Tp)/0.84

(3)

其中：Tp为保温棚内部的温度，取值12 ℃；代入计算To为9.6 ℃。

假设水的热量为Qw则有：

To=∑TkWk/∑Wk

(4)

根据表3搅拌温度热量计算表有：∑Wk为2660.97 kJ/℃，代入计算得∑TkWk=25 595.95 kJ,Qw=13 779.98 kJ。

假设混凝土搅拌过程需要水的温度为Tw则有：

Tw=Qw/Ww

(5)

Qw=13 779.98 kJ；最终计算得Tw=23.4 ℃。此条件下施工需要保证水温在25 ℃以上。

表3 搅拌温度热量计算表

注：k表示第k种材料。

5 结 语

通过实践证明，在混凝土浇筑过程中，通过对原材料预热和搭建混凝土保温棚等方法可以有效地防止混凝土施工中的热量的流失。在此期间，我们还要严控各项温度参数，确保施工稳定正常。高原、高寒地区的特殊环境对我们水利工程进行混凝土施工造成极大的难度，这就需要我们技术人员认真钻研，细心观察，谨慎实验，最终保质保量的完成高寒地区水利工程冬季混凝土施工。