水利工程冬期混凝土施工研究

韩小东

（内蒙古卓泰水利水电工程有限公司，内蒙古 赤峰 024000）

水利工程大多具有建设任务多、工期紧、建设与施工周期长等特点，为保证工程项目在大汛前顺利投产或水利工程项目可以在使用中发挥预期的作用，使灌区正常灌溉，部分工程项目需要在冬季施工。在冬季，由于温度较低，混凝土中的含水量会发生变化，从而使其内部结构发生改变，进而影响其工作性能[1]。另外，低温还会使混凝土的水化能力明显降低，从而影响混凝土强度，拖延施工进度、降低质量，因此，混凝土施工是冬灌施工的重点。

在大坝和堤防等水利工程中，应用混凝土较多。混凝土施工受拉应力的影响，硬化后的混凝土呈现明显的脆性。为保证混凝土的抗拉性能和整体稳定，上部结构在设计和施工过程中，将面对混凝土内部水化作用引起的温升和收缩开裂等问题[2]。在严寒气候条件下，凝结层上部结构受水季节的影响，表面会产生裂隙和剥落，严重影响了结构的耐久性。针对该问题，需要及时采取有效的措施，对工程项目进行规范化管理与科学化施工，控制施工中原材料的质量，规范施工行为与施工过程，才能保证混凝土冬季施工可以达到预期。为满足以上需求，本文将对此进行研究。

1 冬期混凝土选材与配比

针对水利工程冬期混凝土施工项目，可按照图1所示流程，完成施工[3]。

图1 混凝土冬期施工流程图

当冬期混凝土选材与配比时，选择的水泥要经过初凝时间、抗压强度的测试，通常选择普通的硅酸盐水泥，粗骨料的选择要以与之相适应的鹅卵石为主，最大尺寸不超过钢筋最小间距的1/4，必须＜40mm，要确保当混合时其级配有较好的工作性能，而细骨料最好是中粗砂或粗砂。拌合上水灰比选用0.5～0.6，为改善拌合上的和易性，应使用外加剂，并应通过试验来决定所用的掺合料、掺入量及掺合次序。

快干水泥是一种较好的施工材料，可根据不同的条件，选用材料，还可以采用速凝剂，但在混凝上不能用带有氯离子的材料[4]。此外，可以将不含氯、不含碱的抗冻剂作为寒冷地区混凝土施工的专用外加剂。防冻剂由亚硝酸类和硝酸类组成，根据有无减水效果，可分为I型和II型。II型常与AE类减水剂等配制而成，如果与含硫类化合物的外加剂发生反应，则会生成毒性气体，因此，使用时应注意与外加剂的兼容性。在新拌混凝土中加入抗冻剂，加入抗冻剂后，混凝土的结冰温度会有所提高[5]。

当配制混凝土时，加热水化骨料，严禁加热水泥，在混凝土搅拌完成后，计算水泥浆的温度，如公式（1）所示。

式中：T为混凝土搅拌完成后水泥浆的温度；Ta为骨料温度；Wa为骨料质量；Tc为水泥温度；Wc为水质量；Tm为水温度；Wm为水质量。

2 混凝土生产、运输与浇筑

在混凝土的制备过程中，需要预先计算混凝土的温度。必须考虑输送过程中混凝材料的热损失，保证混凝材料具有足够的温度，避免过早凝结，同时也要保证混凝土材料温度不能过高，否则会对其强度发展产生不利影响[6]。随着新拌混凝土处理温度升高，新拌混凝土处理效果下降，热收缩增加。当加热材料时，应该按照热容先加水，再加骨料的顺序。当用蒸气加热骨料时，要尽可能让骨料整体同时受热，受热的温度要保持一致，不能让局部的含水量有变化。由于水泥在受热后会迅速硬化，因此绝不能进行受热作业。在使用搅拌器前，必须将高温水化的骨料与混凝土搅拌在一起，当其温度低于40℃时，才能加入水泥[7]。

混凝土不能浇筑在冻结的路基或混凝土地基表面，可采用图2的方法对地基土进行保温防冻处理。

图2 地基土保温防冻

在进行浇筑前，要把附在模板上的冰雪彻底清除掉，当进行解冻时，可以采用蒸气解冻的方法，并且要注意防止解冻部位再次结冰。当浇注混凝土时，要注意避免温度迅速降低，在有游离水的情况下，不要进行后期平整。浇筑完毕后，不要让混凝土长期在室外曝晒或处于冷风中。采用混凝土泵施工，若输送管道的温度太低，则会导致流入管道内的水泥浆局部冻结[8]。因此，在建设过程中，必须采用保温或加热水的方法来加热管线。当浇筑结束时，计算混凝土温度，如公式（2）所示。

式中：T2为浇筑结束时混凝土温度；T1为搅拌结束时混凝土的温度；T0为周围环境温度；t为运输时间。

3 严寒条件下混凝土养护

为保证满足混凝土浇筑强度要求，养护时间见表1。

表1 混凝土目标养护天数

在寒冷天气的混凝土工作中，保持水分和养护是必不可少的。养护温度、养护时间均与表1中的暴露状态A相同。要结合混凝材料的配合比、外部空气的温度、构件的截面尺寸以及养护方法等来确定养护温度。虽然要求最低的养护温度是5℃，但很冷的情况下或者材料很薄的情况下，最好为10℃。此外，断面很厚或受到水化热的影响，也有可能导致养护温度高于20℃，在养护完成后要注意避免温度骤降。养护完成2d后，混凝上部的温度必须高于0℃。在养护过程中，应当对温度进行管理，明确混凝土累计温度与强度间的关联，计算累计温度，如公式（3）所示。

式中：M为累计温度；θ为混凝土的温度；A为常数，取值为10℃；Δt为时间。

在混凝上覆一层绝热材料，利用水泥的水化热效应进行保温。该方法适合在-3℃以下的微冻期使用。若温度较低，则须同时使用绝缘材料等制成的具有较高保温性能的模具。当保温养护时，在温度降至0℃以下的过程中，混凝土的温度会对强度有很大的影响，因此，要注意不能将浇筑温度设定太低。在最低气温接近-15℃的情况下，也要考虑使用抗冻剂。在混凝土表面用薄板或保温薄板进行简单地覆盖，冷却至0℃的冷却时间要超过12h，以此提高强度。

4 施工中的质量控制与分项环节质量验收

4.1 施工中的温度控制

水泥水化放热，会导致混凝土浇筑结构中的中心区域温度升高。结构中心点快速升温后的快速降温会使凝结水体积缩小，如果体积缩小受到基层约束，那么在絮凝剂上就会产生张力，张力一旦超过絮凝剂的抗张强度，就会出现结构性裂纹。因此，需要在施工中对混凝土的温度进行控制，在此过程中，应明确温控是指对温度上升量、降温速度进行控制，以防止结构出现不可逆的裂纹。在工程项目设计、施工的过程中，通常需要考虑环境条件和施工条件等有关因素，并以此为依据，对混凝土温度应力进行细致分析。为更直观、清晰地掌握施工中结构温升的变化情况，可按照图3设计混凝土施工中的测温点布置方式。

图3 混凝土施工中的测温点布置方式

通过这种方式，掌握施工中混凝土的温度变化情况，当内外温差超出预设值时，需要采取技术措施，对其进行温度控制。控制方式包括预冷法、低发热水泥法、保温养护法。其中预冷是指可以用冰冻的骨料与水混合、用薄冰块混合等方法来降低混凝土拌合温度的方法。低发热水泥法是指采用低水合物热效应或有抑制热效应的矿物质掺合料代替原有的水泥材料，其中波特兰水泥是目前应用最广泛的一种水泥，这种水泥由铁素体与粉煤灰体混合制成。在施工中，絮凝剂层数越厚，每层的浇注间距越短，升温幅度越大，因此，可以通过控制絮凝剂层数和浇注间距的方式来降低升温幅度。保温养护法是指在寒冷的气候条件下，混凝土的内部和外部温度相差很大，很容易造成混凝土表层开裂。为避免产生裂缝，在浇筑的混凝土上铺设或增加绝缘类材料，辅助电热垫的方式，进行结构养护保温，以此缩小混凝土内外温差。

4.2 混凝土配合比设计与检验

在此基础上，根据冬季工程项目施工的具体需求，对施工中混凝土配合比进行设计与检验，对混凝土中不同原材料的物理性能进行检验，具体内容见表2、表3。

表2 水泥原材料检验（单位：MPa）

表3 细骨料原材料检验

按照上述步骤，对混凝土制备中其他原材料质量进行验收。根据工程项目的具体要求，对原材料质量进行检验，检验结果表明，所选的混凝土制备原材料质量均符合质量标准。

确保相关工作符合技术规范后，应明确冬季施工后，由于气温较低，因此混凝土坍落度需要达到10cm～15cm，以此为标准，对混凝土质量进行验收，其结果如图4所示。

图4 混凝土坍落度的质量验收

从图4可以看出，制备后的混凝土坍落度符合设计规范，能保证混凝土冬季施工可以达到预期标准。

5 结语

在水利工程项目施工中大量使用混凝土结构，使其具有独特的社会、经济价值。如果不重视混凝土在冬季的施工，就会对工程方与施工方造成重大的经济损失。目前，我国的水利工程正在进行一次大规模的基础设施建设，因此，对混凝土冬期施工进行深入研究，避免在混凝士冬期施工过程中产生问题，有助于工程业主方、技术方和管理方更好地了解混凝土冬期施工的方法。在规范混凝土施工过程中，保证混凝土材料在施工过程中的可靠性，对延长建设项目与建造工程的使用寿命、缩短施工周期具有十分重要的意义。

为落实此项工作，本文进行了研究，完成设计后，以某地区大型水利工程项目为例，对施工后的质量进行验收，验收后发现浇筑并养护后的混凝土无裂缝，说明该项技术施工应用效果良好。