水利工程混凝土施工技术及其质量控制策略研究

祁 晓

(中国水利水电第十一工程局有限公司，河南 郑州 450001)

0 引 言

水利工程项目中，混凝土施工属于一项不可忽视的工程环节。此环节具有以下几个方面的特点：混凝土施工的季节性较强，季节对于施工工艺的影响较大，在不同的季节进行施工，其效果和工期也会有很大的差异，尤其是在夏、冬两个极端的季节，由于季节的温差，很有可能导致工程质量的问题；大多数水利工程混凝土施工具有工程量大的特点，主要是由于大部分水利工程的规模较大，有些大型的水利工程甚至可以跨越省份，因此混凝土施工往往会比较复杂；施工工艺比较繁杂，混凝土施工技术本身就包含着振捣、浇筑、配比等多项技术，加之水利水电工程施工的技术标准与需求较高，因此施工中对于混凝土技术的要求也相对较高。

1 水利工程实例

所选的水利工程项目位于该地区水库上游，通过对现场的勘查与土体采样校验，该工程属于危险工段。河岸边坡的地质结构是粉细沙土，稳定性较差，容易被水流冲刷，尤其是靠近两个村庄的一段河段，由于其主干向岸边倾斜，导致连续多年崩塌。根据统计，河床每年大约向内移动2 m，此种现象不仅造成了大量土地的流失，还导致了村内居民连续两次搬迁，严重威胁沿途人民的生命和财产。

针对这些问题，从20世纪80年代初期到90年代后期，该地区先后建成了土石坝和浆砌块石护岸水利工程，但由于一些危险地段尚未治理，居民反应强烈，急需对其进行治理。

原设计护坡采用浆砌块石进行护砌，但由于现场土体为具有很强透水性的粗砂混合土，在试验段的施工中因渗水太大多次发生边坡崩塌事故，导致无法在现场进行立模施工。同时，在水利工程所在区域，距离工地约600 m的位置，原来的一条运输式滚水坝，由于修建了一条施工围堰，堤防水位升高，使得基底墙不能按照原设计施工。

为了保证施工能顺利进行，施工单位向上级部门提交了工程项目重大变更的申请，将原方案中的浆砌块石护层改为混凝土护坡。经技术人员设计与计算，项目投资总额在变更后不会增加。这种施工方式既能满足工程的实际地质要求，又能克服由于地质条件的特殊性而增加施工难度等问题，同时还能在汛期施工，可以确保施工任务在预期内完成。因此，下文将对此水利工程项目的施工展开研究。

2 水利工程混凝土施工技术

2.1 混凝土配合比设计

在水利工程项目中，根据结构特点、使用环境、工期、供给源等多种因素选择，不同品种的水泥的水化热和收缩率有一定的差别，随着水泥的活性和强度等级的增加，其收缩率和收缩时间也会增加，所以选择水化热较低的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，并适当地控制用量，尽量避免使用高强或早强型水泥。水泥强度等级不小于32.8 MPa，使用量不得少于300 kg/m3。另外，在掺合料选择混凝土时，要特别注意混凝土与外加剂的相容性，禁止采用高铝水泥[1]。水泥运输至大棚，然后再使用。混凝土的配比以饮用水为佳，使用其他水源时，其质量必须达到《混凝土用水标准》(JGJ 63—2006)中的相关要求。搅拌水中不能包含能延迟混凝土凝固和使混凝土发生腐蚀的粒子；如果是用溶解水做搅拌水，则必须进行过滤和清理[2]。在集料中不得掺入有机材料，防止水化后溶解或延迟水化时间；集料必须干净，不得含有土块以及其他杂质；集料内不得含有具有高活性的硅酸盐，从而避免因二者结合后出现絮凝体腐蚀产生体积膨胀而失效。混凝土的配合比设置必须满足国家相关的规范要求。冬季施工中，混凝土的水灰比应该是0.6，但若遇有冻害的湿润环境，则水灰比最大值为0.5；水泥强度等级不得小于32.5，使用量不得少于300 kg/m3；采用掺入防冻剂的混凝土，其含沙量可减少2%～3%；掺入混凝土的试验，应当按照产品的质量和出厂时间进行试验；冬季施工混凝土时，要根据不同的结构、施工情况，选择合适的施工坍落度，使其具有一定的流速，便于捣实。

2.2 混凝土拌制与运输

在按照上述内容确定混凝土的配合比后，为确保水利工程混凝土施工的质量，需要严格控制混凝土的拌制和运输，具体而言，在拌制和运输时需要按照下述规范要求完成：

(1) 在混凝土中掺有防冻剂的原料，要按温度高低分别进行：温度在-5 ℃以下时，可用热水混合；在温度超过65 ℃时，应先将热水与集料混合，然后再加水泥；在10 ℃以下时，可以将集料放进温室或进行保温处理[3]。对集料进行预热，但不能超过60 ℃，防止烧焦。用蒸汽直接加热集料所带来的水分，应从拌和水中扣除；在不小于8 ℃的情况下，为了降低搅拌工作，仅对混合水进行加热即可达到搅拌温度的要求，搅拌时可采用热水或蒸汽进行搅拌。

(2) 为了防止产生假凝结，在投入水泥、外加剂之前，必须加入骨料、水，充分搅拌。不能用80 ℃以上的水和水泥接触[4]。防冻剂由专业人员调配，并严格控制其用量。水灰比例要严格控制。

(3) 将最后一种物料倒入搅拌器中，混合的时间应该比正常情况下的混合时间延长50%。

(4) 混凝土出料口温度不能低于100 ℃，在冻区或采用冻结法施工时，可以根据试验确定出料的出料点，进料温度不能低于5 ℃。

(5) 混凝土从预拌场地运送至现场，不超过30 min。冬季混凝土的运输，应尽可能缩短运输距离，减少装卸数量，并采用保温运输等方法，将半路损耗降到最低[5]。在运输过程中，混凝土的平均温度下降幅度不得大于5摄氏度。

(6) 夜间运输车辆宜放置于温室大棚，运输设备每日使用前，应将集装箱内的冰块清理干净。

2.3 混凝土浇筑

在混凝土浇筑之前，要把混凝土模板、钢筋表面的杂质、灰尘等清理干净，但不要用水蒸气将积雪融化，防止再次冻结。混凝土浇筑的时间应选择在白天温度高的时段，以防止出现强风、雨、雪等气候条件下的混凝。在卸货前应充分搅拌，每次搅拌至少要180 s，不可随意添加水分[6]。如果出现离析，则在浇筑之前要进行二次搅拌。在浇筑之前，请专业人员对混凝土表面的温度进行检测，以保证在5 ℃以下。在浇筑混凝土时，应迅速浇筑，并尽可能减小工作面的面积，以减少热量的损耗。浇筑完成后，在裸露的混凝土表面上涂上塑料布和保温材料，并保证胶布中有凝结水[7]。冬季混凝土应增加两组试验块：一组测试其抗冻临界强度，并与测温相结合，在其温度下降至要求的温度之前进行试验，以确定其是否超出4 MPa的抗冻强度，若低于4 MPa，应采取保温、加热养护等措施，以保证其强度大于4 MPa；一组用于检测进入室温下28 d的试样强度[8]。在混凝土浇筑过程中，还需要按照如图1所示的方式完成对混凝土浇筑施工缝的留置。

图1 混凝土浇筑施工缝留置

浇筑完毕后，应随时进行入模温度的测定，并做好保温工作。在模具拆除后，由于混凝土面上的温度与周围环境温度相差超过1 ℃，因此必须使用隔热材料进行保护[9]。混凝土的养护期不得少于14 d。混凝土浇筑后，在结构最脆弱、最容易冻结的地方，要采取保温、防冻的措施，设置测温孔，以测量混凝土表面的温度，测温点的埋设深度为2～3 cm，每2小时测量1次，然后每6小时测量1次，周围温度也要测量。

2.4 温度控制与养护

混凝土的温度与水化放热的水泥有着直接联系，而温度是影响施工质量的关键因素。因此，基于这一特点，需要在完成混凝土浇筑后对其温度进行严格控制。温度升高后的冷却，使混凝土体积减小。如果这种体积减小是由基层所限定的，则会在其上形成张应力，而该张应力大于凝聚时的抗张强度。对温度升高、下降速度进行调控以避免裂纹的出现，称为温度调控[10]。而在目标温度上，温度升高、下降速度往往需要考虑环境、施工条件等相关因素。

针对水利工程项目，对其进行温度控制时，可采取下述几种方式：

(1) 预冷，控制混凝土拌和温度，通过将骨料冷冻或与水搅拌的方式控制温度。

(2) 采用冷管法，降低混凝土硬化升温量，达到控制温度升高的目的。在混凝土的水平方向上，事先在接合面上每隔1.5～2 m放置一根直径为25.4 mm的导管，然后将冷却水循环到管路中，以控制温度升高。

(3) 选用发热量较低的水化水泥或具有抑制加热效果的矿物掺合剂。

在实现对温度的控制后，需要对完成浇筑的混凝土进行养护管理。在开展初期养护时，需要进行到强度达到不会再发生初期冻害的程度，即将混凝土的抗压强度控制在3.5～5.0 N/nm2范围内。虽然土木工程协会将最低温度定在5 ℃，但如果天气很冷，或者木材很薄，最好不要超过10 ℃。此外，由于截面过厚，或受到水化热的影响，养护的温度也会超过20 ℃，所以在养护完成后要注意避免气温的骤降。为了安全起见，在养护2 d后，必须将混凝土的温度维持在0 ℃以上。在温度管理中还需要记录累计温度，其公式为：

M=∑(θ+A)△t

(1)

式中：M为累计温度；θ为混凝土温度；A为常数，通常为10；△t为时间。根据累计温度数值的变化采取合理的养护方式，从而实现对施工质量的控制。在上述论述基础上，可按照图2所示内容，设计混凝土的养护结构。

图2 混凝土养护结构示意图

3 实证分析

3.1 施工前准备

根据业主要求，结合工地实际，施工前需要及时解决水电、道路、场地平整等问题。要迅速组织施工队伍、机械设备，按照进度，逐步进场，争取早日建成。为避免施工中涉及冬季作业，对混凝土性能造成影响，还要配备对应的锅炉、电热、煤炭、大棚薄膜等供暖设备，以避免原料制备无法达到质量标准。

施工单位应根据施工图纸及地质勘察资料，建立质量管理体系，并对每个岗位进行质量管理。

3.2 混凝土原材料质量抽样检测

设计混凝土制备后的质量验收标准，见表1。

表1 混凝土制备后的质量验收标准

根据混凝土制备与配比过程，对各项原材料进行进场质量验收。首先进行水泥材料的质量验收。其质量验收标准及结果见表2。

表2 水泥材料的质量验收标准及结果

在此基础上，设计混凝土制备原材料中的细骨料验收标准，如果混凝土混合料的黏性差，容易产生离析和泌水现象；如果砂太细，就会使表面变得孔隙过大，又会增加水泥的消耗。因此，在设置细骨料时，不能设置太厚的砂粒，并进行沙砾的粒度检验，以确保制备材料符合质量验收标准。对混凝土细骨料进行质量验收，其结果见表3。

表3 细骨料材料的质量验收标准与结果

完成上述检验后，对混凝土坍落度进行测试，测试结果如图3所示。

图3 混凝土坍落度测试结果

3.3 施工成果质量验收

设定施工后作业面的质量验收指标为混凝土强度，在各个测点进行混凝土强度质量检测，检测结果见表4。

表4 混凝土施工作业面强度检测结果

4 结 论

经过上述研究，得到如下几个方面的结论：

(1) 根据表2水泥材料的质量验收标准与结果、表3细骨料材料的质量验收标准与结果可知，在制备混凝土时，所选用的原材料质量符合标准，即制备材料可以通过质量验收。在此基础上，根据图3混凝土坍落度测试结果，发现所有样品的坍落度均在55～70 mm，满足或符合混凝土制备后的质量验收标准，证明制备的混凝土可以用于项目施工。

(2) 根据混凝土施工作业面强度检测结果，所选的No1～No10测点的实测强度均>设计值，说明此工程在完成施工后，作业面强度得到有效提升，即该施工方法可以起到提高混凝土施工质量的良好效果。

(3) 为了提高混凝土施工质量，应在每一道工序施工前，在做好人员、材料、机械等一系列的施工配置，将配置结果向监理部门报告，经验收合格后方可进行施工。同时，在施工过程中，不同参与方要规范其个人施工行为，有必要的情况下，可采取自检的方式进行施工行为的阶段性质量验收，以确保施工行为符合章程。在工序结束后，如果出现质量问题，监理单位应当组织分析缺陷部位、过程，查找影响质量的各种原因，并将质量问题反馈给施工单位，督促其整改。此外，组织业主、第三方质量控制机构对整改结果进行评估，只有评估结果达到质量要求后，才能继续进行施工，否则需要停工整改，以避免阶段性问题对工程施工整体质量造成影响。