高寒高海拔地区冬季施工薄壁混凝土早期强度研究

2022-07-14赵海忠陈修华

湖南水利水电 2022年3期

赵海忠，陈修华，黄辉

（1.华能澜沧江水电股份有限公司，云南昆明 650214；2.中国葛洲坝集团路桥工程有限公司，湖北宜昌 443002）

1 概况

果多水电站位于西藏自治区昌都县，电站坝址距离昌都县城公路里程约59 km，海拔3 400 m，根据昌都气象站资料统计，极端最高气温33.4℃（1972年7月8日），极端最低气温-20.7℃（1982年12月26日），多年平均气温2.9℃。该区域昼夜温差较大，最大月平均日温差高达18.8℃，年平均日温差为16℃。该区域冻土主要为季节性冻土，冻土时间一般为12月中旬至次年1月中旬，最大冻土深度90 cm，最大积雪厚度15 cm。最大风速15m/s，风向NW或W。年日照时数为2289h，多年平均降水量499.5 mm，多年平均蒸发量1 637 mm（E-601）。该水电站为扎曲规划的第二个梯级水电站，装机容量160 MW，工程等别为三等，工程规模为中型。

果多水电站砂石加工及混凝土生产系统承担着果多水电站78.8万m3混凝土骨料及混凝土成品的生产任务。砂石加工系统位于大坝右岸下游约4 km处，系统成品骨料生产能力为400 t/h。混凝土生产系统位于坝址右岸下游约0.5 km处，混凝土浇筑高峰期月平均生产强度为6.0万m3/月。

2012年11月，果多水电站砂石拌和系统所在地气温为-10℃，进入冬季施工阶段。

2 高原冬季混凝土施工

果多砂石及拌和系统涉及混凝土施工部位：拌和系统骨料罐廊道及圈梁、120搅拌站及配料器基础、1 500 t胶凝材料罐基础、拌和楼基础、部分房建圈梁及地坪；砂石系统受料坑廊道、半成品堆场廊道、主筛分楼、中细碎调节料仓、立轴制砂调节料仓、检查筛分楼、棒磨制砂调节料仓基础、辐流沉淀池、部分房建圈梁及地坪等。

所有相关混凝土结构设计，垫层混凝土为C10混凝土，结构混凝土为C25、C30混凝土，设计安全系数大于1.5，除拌和楼基础及1 500 t胶凝材料罐基础为板块基础外，其他混凝土结构均为薄壁小型结构（充分考虑本地材料质量问题，混凝土配合比中，水泥掺量相对较大），其中C25混凝土配合比为：中石594 kg/m3、小石598kg/m3、砂651kg/m3、水泥398kg/m3、水175kg/m3；C10混凝土配合比为：中石595 kg/m3、小石600 kg/m3、砂773 kg/m3、水泥266 kg/m3、水170 kg/m3。混凝土均采用现场自拌，拌和设备为JC350移动式搅拌机，搅拌用水抽自扎曲河水，水泥采用复合硅酸盐PC32.5水泥，砂石料为昌都本地天然料。

进入11月中下旬后，工地所在地温度显著下降，最低温度达到-19℃，日间最高温度10℃，日平均温度处于-5℃以下，已处于冬季施工时段。面对严酷现实，编制冬季施工方案，采取多样措施：①调整混凝土配合比，对板梁柱结构加大混凝土标号，将C25混凝土调整为C30混凝土，所有结构混凝土均添加复合型早强防冻剂（按胶凝材料掺量的5%进行掺加）；②采用热水拌和混凝土；③采用暖棚法施工，夜间在暖棚内生煤火，保证暖棚内温度在正温以上，对柱粱等结构采用双层保温被加电热毯进行保温。混凝土加热保温养护7天，覆盖保温养护30天。

在12月11日，对系统部分混凝土结构物进行回弹仪强度检测，检测结果显示，在混凝土7 d龄期时，C25混凝土强度平均为10 MPa，强度为设计强度的40%，14 d强度为设计强度的50%，28 d龄期时，检测一组C25混凝土强度为19.1 MPa，强度为设计强度的75%，由此推测28 d龄期均未达到标准养护条件下混凝土强度比率，出现低强问题。

出现上述问题后，对上述结构混凝土进行回弹仪强度检测追踪，按混凝土龄期统计如表1。

表1 回弹仪检测现场混凝土强度追踪数据表

结果显示，混凝土强度有所增长，增长率远低于正常水平，28d后，混凝土强度增长非常缓慢甚至不再增长。

针对试验结果，在2012年12月22日，在拌和系统骨料罐3#圈梁、2#、5#、6#胶凝材料罐基础进行了破坏性试验，4个部位的混凝土龄期分别为7 d、13 d、6 d、11 d，凿开的混凝土中，各部位混凝土性状如下：

1）7 d龄期的骨料罐3#圈梁强度为10 MPa，养护条件为7 d加热养护，养护温度平均为5℃，混凝土表面微湿，凿开的混凝土内部湿润，无明显受冻迹象，混凝土凝固较差。

2）13 d龄期的2#胶凝材料罐地梁强度为12 MPa，养护条件为7 d加热养护，养护温度平均为5℃，混凝土表面干燥光滑无裂纹，凿开的混凝土内部湿润，无明显受冻迹象。

3）6 d龄期的5#胶凝材料罐地梁强度为9 MPa，养护条件为6d加热养护，养护温度平均为5℃，混凝土表面微湿，凿开的混凝土内部湿润，无明显受冻迹象。

4）11d龄期的6#胶凝材料罐地梁强度为10 MPa，养护条件为6 d加热养护，养护温度平均为5℃，混凝土表面干燥光滑无裂纹，凿开的混凝土内部湿润，无明显受冻迹象。

根据现场实际情况对混凝土低强状况进行分析，首先是混凝土是否受冻。果多水电站工程混凝土浇筑均在白天进行，入仓时无受冻迹象，同时工程混凝土保温养护工作到位，混凝土养护期间亦无受冻迹象，混凝土破坏性试验也表明混凝土内部无受冻情况。《JGJ/T 104-2011建筑工程冬期施工规程》说明冬季混凝土施工时，普通硅酸盐水泥的混凝土受冻临界强度为设计强度的30%，而现场混凝土均达到或超过此限值后，还继续进行了较长的正温保温后才进行负温保温。由此可见，混凝土受冻影响强度的可能性很低。

对于外加剂的掺加分析，根据相关数据显示，加氯盐负温混凝土7 d龄期实际强度为20%～25%（28 d标养）强度，28 d负温混凝土实际强度为40%～50%（28 d标养）强度，180 d方能达到28 d标养强度。现场混凝土强度变化与其类似，但现场使用的JW-3型抗冻剂为新型复合型外加剂，具有高碱水、高早强、无氯低碱的特性，其试验性能良好，早期强度提升很快，因此可判断混凝土低强并非外加剂原因。

在查阅大量资料和咨询相关专家的基础上，认为混凝土低强的主要原因是混凝土入仓温度过低导致。《JGJ/T 104-2011建筑工程冬期施工规程》相关条文要求冬季混凝土施工最低入仓温度必须大于5℃，而现场实际情况是混凝土施工只能加热水搅拌，而骨料及砂无法加热。

在骨料及砂的温度在-4℃时（白天实测温度），加冰水搅拌，出机口温度在-6℃，加50℃热水搅拌出机口温度在2.7℃，均无法满足出机口温度在5℃的要求。根据相关资料显示，当混凝土出机口温度低于5℃时，混凝土中水泥的水化热反应将非常缓慢或停止，混凝土强度增长缓慢或不再增长。

在2012年12月21日，针对混凝土入仓温度做了相关试验，选取砂石系统半成品廊道侧墙及骨料罐廊道侧墙作为试验对象，试验结果如表2。

表2 试验结果

试验数据分析：加热水搅拌后，混凝土出机口温度能够达到5℃以上。项目混凝土均为薄壁钢筋混凝土，钢筋占混凝土体积2.5%左右，板厚最大500 mm，单方混凝土模板耗用大，由于钢筋及模板无法加热，加之骨料冻透，骨料持续吸热，在混凝土入仓后，混凝土内部温度上升缓慢甚至出现下降，5℃的混凝土入仓温度为假象温度，实际温度低于5℃，其温度应参考热力计算温度。试验结果反映混凝土7d强度依然偏低，证实上述分析，但试验数据也显示混凝土在加热水搅拌后，15d强度增长较快，其强度增长率明显高于冷水拌制的混凝土。

在2013年2月中旬，对上述试验又进行了强度追踪检测，结果如表3。