寒冷地区低温季节混凝土施工技术研究

2022-07-08武绍元沈国武

四川水利 2022年3期

武绍元，熊涛，沈国武

(中国水利水电第九工程局有限公司，贵阳，550081)

1 研究背景

高寒地区冬季较长而且寒冷干燥，受环境温度影响，水泥水化反应减缓，严重影响到混凝土施工质量。同时在出现气温骤降、寒潮、昼夜温差等都很容易使混凝土内外形成温度梯度，并引起很大的拉应力，容易导致表面裂缝的产生。

在高寒地区低温环境下施工，建筑物应采取减少外露面积，加强冬季密闭性并考虑冬季寒冷期较长的特点。在西藏高海拔地区每年的12月初至翌年2月底为低温环境，通常做法是暂停大体积混凝土施工，并作好暴露面的越冬保护。目前国内难度相对较低的水电项目即将开发殆尽，水电开发重心已逐渐转移到开发难度大，制约因素多的西南地区。受工期制约，往往需要在低温季节安排混凝土施工，低温、低气压、低湿度、强辐射、大温差、氧气含量稀薄等区域环境给混凝土施工带来了巨大的挑战。

我国水工混凝土低温季节施工探索始于1949年的丰满水电站的修复与改建工程，之后在桓仁、撒多、李家峡、积石峡、小石峡、吉林台一级、直孔、边坝县二级等水利水电工程建设中均进行了低温季节施工。随着混凝土低温施工技术水平的不断提高，暖棚法、蓄热法等混凝土低温季节施工技术逐步被水电行业规范所借鉴，并被广泛采用[1]。但升温手段主要采用电暖炉、热风机、燃煤等，电暖炉和燃煤都对现场防火不利，存在安全隐患，热风机则会造成混凝土表面失水干燥，出现质量问题。

2 依托工程概况

大古水电站位于西藏自治区山南地区桑日县境内，为Ⅱ等大(2)型工程，以发电为主，水库正常蓄水位3447.00m，相应库容0.5528亿m3，电站坝址控制流域面积15.74万km2。多年平均流量1010m3/s，电站装机容量660MW。电站枢纽建筑物由挡水建筑物、泄洪消能建筑物、引水发电系统及升压站等组成。

大古水电站工程位于高海拔寒冷地区，基本特性为气温低、空气稀薄、紊乱强风、气候干燥、昼夜温差大、太阳辐射强烈。大古电站工程区多年平均气温9.3℃，极端最低气温-16.6℃。每年的12月初至翌年2月底为低温季节，招投标阶段低温季节期间暂停大体积混凝土施工，并作好各暴露面的越冬保护，施工图阶段受工期制约，需安排低温季节施工。

低温季节气温低、干燥、风大，再出现气温骤降、寒潮、昼夜温差等都很容易使混凝土表层形成温度梯度，从而引起很大的拉应力，容易导致表面裂缝的产生。

3 低温季节混凝土施工技术

在低温季节进行混凝土施工需保证浇筑温度，实践表明浇筑温度>6℃时，混凝土能够保持正常的活性，混凝土质量能够得到保证；当浇筑温度在0～6℃时，水化反应速率降低，凝结时间增加；当浇筑温度趋近0℃时，游离水开始冻结，水化反应停止。

国内低温季节混凝土施工始于丰满水电站的修复与改建工程，经过多年的探索，逐步形成以暖棚法、蓄热法以及二者结合的低温季节施工技术。

3.1 暖棚设计

低温环境下，为提高混凝土施工质量，采用暖棚施工法进行混凝土施工，用φ48脚手架管搭设支撑架，间排距3m，顶部铺设三防布进行防风，每隔3m开设下料口，当溜槽、胶带机、泵送地泵下完料后，应及时将下料口采用三防布进行遮盖，防止棚内热量散失。

根据浇筑仓面大小，按照1000m3/台配置暖风机，在混凝土浇筑前2h开始棚内升温，使暖棚内温度快速达到6℃以上。

为便于泵车下料，在暖棚顶部铺设保温被时，每3m设置一个下料口，下料口大小50cm×50cm。在实际施工时，当下完料需挪动泵管时，应及时将下料口采用保温被及防风三防布进行遮盖，防止棚内热量散失[2]。

3.2 暖棚内耗热量计算

假设浇筑体积为1000m3，浇筑高度为3m，根据《建筑工程冬期施工规程》(JGJ/T 104-2011)、《建筑施工计算手册》(江正荣著)，暖棚在单位时间内的耗热量按下列公式计算：

Q0=Q1+Q2

Q1=∑A×K(Tb-Ta)

Q2=V×n×Ca×ρa(Tb-Ta)/3.6

式中：Q0——暖棚总耗热量(W)；

Q1——通过围护结构各部位的散热量之和(W)；

Q2——由通风换气引起的热损失(W)；

A——围护结构的总面积(m2)；

K——围护结构的传热系数(W/m2·K，此处K可用℃代替)，取3.6计算；

Tb——棚内气温(℃)；

Ta——室外气温(℃)；

V——暖棚体积(m3)；

ρa——空气的表观密度，取1.37kg/m3；

Ca——空气的比热容，取1kJ/kg·K；

n——每小时换气次数。

通过围护结构各部位的散热量之和为Q1，在进行本工程计算时，棚内气温要求达到Tb=6℃，室外气温按照允许施工阶段的最低气温Ta=-10℃，则：

Q1=∑A×K(Tb-Ta)=1000/3×3.6×[6-(-10)]=19200(W)

通过围护结构各部位的散热量之和为Q2，在进行本工程计算时，换气次数n按照每10min换气一次，每小时换气次数为6，Q2计算如下：

Q2=V×n×Ca×ρa(Tb-Ta)/3.6=1000×6×1×1.37×[6-(-10)]/3.6=36533(W)

Q0=Q1+Q2=19200+36533=55733(W)

经上述计算，1000m3暖棚每小时内的耗热量为55733W，考虑施工现场保温材料密封性无法达到理想状态、风大等特殊情况，采用120kW的暖风机进行加热时，可满足要求。暖风机暖棚法施工示意如图1所示。

图1 暖风机暖棚法施工示意

无烟煤燃烧热值25.12MJ/kg～32.65MJ/kg，折算系数0.857～1.114，按照平均值计算，无烟煤热值为(25.12+32.65)/2×(0.857+1.114)/2=28.47MJ/kg，1kW.h=3.6MJ。

无烟煤按照20kg/5h添加，平均每h耗煤4kg，发热量为28.47×4/3.6=31.63kW·h，满足1000m3仓面耗热量，且采用特制煤炉。煤炉大暖棚法施工示意如图2所示。

图2 煤炉大暖棚法施工示意

3.3 支撑结构安装

采用架设脚手架管并综合利用钢模板搭设支撑架。暖风机暖棚法由于顶部需覆盖三防布，采用4m×4m×1.5m(间距×排距×步距)的满堂脚手架搭设作为支撑架。煤炉大暖棚法由于顶部无覆盖，仅需搭设四周防风围护，一般采用模板即可作为支撑架，对于模板支撑不满足的情况下，增设4m×1.5m×1.5m(间距×排距×步距)双排脚手架作为支撑。

脚手架施工需满足《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》(JGJ 130-2011)的规定。

3.4 制热设备安装

制热设备均根据现场实际情况在厂家定制，运输至现场后，人工配合25t吊车吊装到位。

暖风机暖棚法采用120kW大型暖风机，安装在浇筑仓面外，根据现场实际情况配置风管，对仓面内进行热交换。

煤炉大暖棚法施工时，煤炉安装在暖棚内不需浇筑混凝土的空腔部位，为确保施工人员作业条件并较少大气污染，全部采用无烟煤，并设专人看护。

3.5 敷设防风保温材料

暖棚均使用具备防风、防雨、阻燃特性并可重复利用的三防布。

为便于泵车下料，在暖风机暖棚顶部铺设三防布时，每3m设置一个下料口，下料口大小50cm×50cm。煤炉暖棚法只需铺设仓面四周，采用扎丝固定在脚手架上即可。

3.6 混凝土生产

通过对成品砂仓堆场预埋地暖对成品砂进行预热和破冰，辅以半封闭料仓，确保低温环境下骨料温度>2℃。

因水的比热容大，提前对拌合用水进行加热成为预热混凝土最直接、经济和有效的控制手段。若采用60℃的热水拌和低温骨料在低温环境下拌和仍不能满足最低出机温度要求时，则需采取预埋管预热和暖风机风热等方式对骨料预热。砂颗粒小，流动性好，热交换面积大。以控制出机口温度满足设计要求。环境温度与出机口温度对比见图3所示。

图3 环境温度与出机口温度对比

3.7 混凝土运输

在低温环境下采取合理的保温措施，减少混凝土从拌和站至入仓过程中的热量损失也是混凝土温控的关键，合理的措施不但可以避免热量损失甚至可以提高入仓温度[3]。

低温环境下水平运输一般采用罐车、皮带机等，罐车保温采用在罐体上加装专用保温罩的方式，皮带机采用搭设盖棚保温的措施；垂直运输一般采用梭槽、溜桶、各类吊装设备配合吊罐入仓和各类混凝土泵泵送入仓，在吊罐、管路四周均采用各类保温材料覆盖保温。

根据仓面一次性浇筑面积、混凝土运输距离、路况、卸料及入仓强度配置罐车用于混凝土运输，保证运输车辆在拌和站不等待接料，在施工现场不等待卸料，减少运输过程中受环境气候影响。环境温度与入仓温度对比如图4所示。

图4 环境温度与入仓温度对比

3.8 混凝土浇筑

国内混凝土低温季节施工技术主要有如下三大类：

(1)提高环境温度，使混凝土在正常情况下硬化。典型的技术为暖棚法，适用于环境温度-25℃～0℃。

(2)在混凝土配合比中加入防冻剂，使其具有在负温下硬化的性能。适用于环境温度<-15℃。

(3)提高混凝土入仓温度，使混凝土在受冻前达到临界抗压强度。典型的技术为蓄热法，适用于环境温度>-5℃。

早在1929年前，苏联建设德聂泊水电站时，冬季混凝土施工量约占总混凝土施工量的16%，主要采用暖棚法施工并取得了良好的效果[4]。吉林台、吉前、金河等水电站均采用暖棚法施工，浇筑温度在为7℃～9℃之间，有效避免混凝土冻害的发生。拉西瓦水电站、西藏直孔水电站采用蓄热法或暖棚法与蓄热法相结合的方法，均取得了较好的施工效果。

大古水电站混凝土根据现场实际情况采用40m混凝土天泵入仓，具备采用胶带机+溜槽入仓的条件，入仓的泵管采用3cm厚橡塑海绵进行包裹，胶带机和溜槽外侧及顶部采用三防布进行包裹。

暖风机暖棚法施工时，混凝土入仓前提前2h进行仓内预热，浇筑完成48h后关闭暖风机。当下完料需挪动泵管时，应及时将下料口采用保温被及防风三防布进行遮盖，防止棚内热量散失。

煤炉大暖棚施工时煤炉长时间持续运行，对现场作业人员舒适的作业环境有利。

浇筑层厚50cm，每层施工宽度2m左右，每浇筑完一个条带，立即采用薄膜和3cm厚橡塑海绵覆盖保温保湿，棚内温度可以防止浇筑完成的混凝土受冻。

浇筑温度根据现场实际情况或按照每4h测量一次确定，温度计插入深度不小于10cm。混凝土浇筑温度的测量，每100m2仓面面积取1～2个测点，每浇筑层3～4个测点，测点应均匀分布在浇筑层面上[5]。

3.9 仓面浇筑效果

2019年12月8日，在大古水电站消力池左边墙2#块(坝下0+114.50～坝下0+134.50、坝左0+116.00～坝左0+120.60)采用蓄热法结合暖棚法施工。冷却水管布置在高程3381.50m、3382.50m、3383.50m，按1m水平间距、1m竖向间距“S”形布置，埋设时水管距上、下游混凝土面为1m～1.5m，距横缝及施工缝0.8m～1.5m，距孔洞1m～1.5m。在高程3382.00m埋设1支温度计(编号：TLC-114#-3382.00-1)。

根据现场浇筑情况，该仓实际开仓时间为2019年12月7日15∶00，封仓时间为2019年12月8日11∶50。现场实测仓外环境、仓内环境、浇筑温度、出机口和入仓温度曲线详见图5。

图5 现场实测温度曲线

根据温度曲线，仓外最低温度为-6℃，在暖棚内温度最低为3℃，入仓温度受水化反应影响，有一定回升，浇筑温度在14.31℃～17.56℃之间，能够确保施工质量满足规范要求。

浇筑期间对混凝土拌和物指标进行检测，棍度为上、黏聚性较好、中等含砂、无析水，检测指标准满足要求。

根据该仓同等条件下混凝土抗压强度检测报告显示，混凝土28d龄期抗压强度分别为28.5MPa、30.5MPa、29.5MPa，达到设计强度的118%，满足质量要求。

3.10 封仓

封仓时，在大体积混凝土上游埋设排水槽，同时将完成面适当向排水槽方向按2%坡度收面。利于结构稳定同时确保冲仓水能够自流到排水槽内，使用水泵抽排，避免受低温影响水流漫流至已浇筑仓面，使混凝土面冻结。

3.11 表面保温保湿

在坝体表面覆盖保温保湿材料可以减少施工期外界环境温度变化的影响、减小表面温度梯度，改善混凝土变形和受力条件，提高混凝土耐久性。同时，表面保温保湿也能避免混凝土冻害和产生干缩裂缝。

传统混凝土表面保温保湿工艺为粘贴聚苯乙烯板或者喷涂聚氨酯，经大古水电站工程现场实施后发现这两种工艺存在着保湿效果不佳、不能适应藏区的特殊气候条件及环保要求等问题。通过科技创新研发了新型保温保湿工艺，采用橡塑海绵作为保温层，薄膜和通水花管形成保湿层，采用压条和螺栓加固的方式，能够使混凝土表面达到标准养护条件，取得了极好的保温保湿效果。

在低温季节施工的混凝土尽量不进行拆模，在钢模板外侧嵌贴10cm厚聚苯乙烯板，确保混凝土表面温度，减小混凝土内外温差。