高寒地区冻融混凝土配合比设计及施工控制研究

2022-05-31张兴旺

科技创新与应用 2022年15期

张兴旺，冯熊

（兰州资源环境职业技术大学，甘肃兰州 730021）

高寒气候条件下的环境温度对土方、混凝土及钢结构等项目影响较大，同时高寒地区施工技术与正常条件下的施工技术差异较大，导致高寒地区冻融混凝土配合比设计及施工控制措施成为广大学者研究的重点。据此，本文以高寒地区冻融混凝土配合比及施工控制展开研究，旨在为我国相关建筑人员提供理论指导及帮助。

1 高寒地区冻融混凝土配合比及施工控制方法分析

1.1 配合比设计

从实质角度来看，高寒地区冻融混凝土配合比及外加剂添加主要以早期强度为核心。混凝土低温受冻的原因是由于混凝土中的水分在受冻时会发生体积膨胀导致其发生破裂，据此可以推导出在高寒环境下混凝土的水灰比应该是关键因素。不同水灰比的混凝土抗压强度试验结果见表1。

表1 不同水灰比的混凝土抗压强度试验结果

试验中水灰比混凝土以冻融实验后抗压强度满足相关工程设计需求为主，但通过试验结果来看，上述3种水灰比混凝土经200次冻融后相对冻弹性模量为81.1%、75%及81.2%，均满足高寒条件下冻融混凝土需求。为进一步探究冻融混凝土配合比抗压强度，通过适当添加粉煤灰进行调配检测，具体见表2。

表2 融入粉煤灰的混凝土抗压强度试验

通过上述分析可以看出，高寒地区下混凝土配合比及具体施工中除要对水灰比进行控制外，还应对粉煤灰进行考虑。

1.2 外加剂

在高寒气候条件下混凝土施工中常用外加剂主要有以下类型。

1.2.1 防冻剂

防冻剂作用机理是通过添加物的物理特性来减少混凝土的凝点，保证混凝土内部在一定的温度范围内存在大量的自由液相水，保证混凝土的水化过程，防止由于液相水的凝固而停止混凝土的水化作用，破坏混凝土内部的结构。据此，必须保证所加入的防冻剂在一定的范围内。同时，要注意的是，在室外气温下降的时候，要适当提高防冻剂的浓度。在高寒地区，一般使用的抗冻剂是一种可以减少水分凝结的无机盐[1]。

1.2.2 早强剂

由于混凝土在达到临界抗冻强度后，会受到高寒天气的影响，所以可以在高寒地区加入适量的早强剂，以加快混凝土的早期水化和硬化速率，使混凝土早日达到甚至超越极限抗冻性。在混凝土中加入早期强化剂后，由于其化学活性加快水化反应及混凝土的固化速度，降低混凝土在低温环境下的损伤和影响。

1.2.3 减水剂

减水剂的主要功能是降低水泥水灰比，降低混凝土中的自由液相水含量，降低混凝土中的液相水凝固后的体积变化，减少引起混凝土冻害的因素。同时，减少水泥用量，可以改善其强度，改善其抗冻性。

1.2.4 引气剂

混凝土中加入的引气剂会在混凝土中形成大量的气泡，这些气泡在混凝土中的分布是均匀的，这些气泡彼此独立，为混凝土中的水汽凝固提供一个扩张的空间，防止因湿度的增加而造成的冻胀对混凝土结构造成损伤。同时，由于引气剂的作用，形成一个封闭的、彼此独立的气泡，堵住混凝土中的毛细孔，阻止混凝土中的湿气进入，降低混凝土中的渗水量，增强混凝土的防渗性能。常用的引气剂有松香热聚物、皂荚素等。北欧和北美等国家都提出，在高寒天气下，要在混凝土中加入加气剂，或采用加气混凝土，可以改善混凝土的含气率。

1.3 施工措施

1.3.1 混凝土预热

为使混凝土在浇筑过程中的温度达到标准规定，必须在混凝土混合之前先进行预热。目前，预热方法主要是加水、集料预热。加热器混合水的主要做法是准备一个较大的水箱，水箱应按工程需要≥10 m3，水箱应选用金属材料，如果采用蒸汽加热，可以在水箱外面安装隔热棉，并用铁皮包裹，加热时可以通过明火加热罐体，或者用高压电热丝进行加热，水的加热温度通常在40~60℃左右。砂料、骨料的预热主要是蒸汽加热，将砂料和骨料的仓库封闭起来，布置蒸汽加热管，提高砂料、骨料的温度；砂料、骨料的底部可设置加热炉，并在砂料、骨料堆的底部设置蒸汽加热管，并在砂堆、骨料的顶部铺上一层帆布，在砂堆、骨料之间形成一个密闭的空间，将砂料和骨料进行密闭，如果不能进行砂料、骨料的密闭，也可采取覆盖堆放的方法，将砂料、骨料覆盖在上面，并在储料斗中装入蒸汽，将砂料、骨料加热。为确保混凝土的拌和温度，可以将水泥预先储存在大棚内，并通过电加热等方法来增加水泥的温度，从而达到稳定的混凝土温度。

1.3.2 混凝土输送

混凝土搅拌后的温度随周围气温的变化而变化，其热量容易损失，为确保其在输送过程中的温度，必须对其进行保温。采用水泥罐车进行运输，由于混凝土在罐车内部密封，与外界接触少，有利于维持温度[2]。

1.3.3 混凝土浇筑

在混凝土浇筑过程中，由于与周围的热交换，导致大量的热量损失，必须采取相应的隔热措施来降低其热损失。在进行混凝土浇筑之前，必须做好以下工作：清理工地上的冰块，避免不必要的热量损失；检查模板外保温措施的完整性，用钢丝将保温棉等保温材料固定，以防混凝土局部冻结[3-4]。

1.4 养护措施

在施工期间进行保温是保证混凝土施工质量的关键。在高寒地区采用的最多的是蓄热法、暖棚法和蒸汽养护法。水泥水化反应产生的热量很大，如果在混凝土上涂一层隔热层，可以防止混凝土的入模温度和水化热的热量溢出，而且还能防止外界的自然寒冷，而蓄热法就是在混凝土的表面覆盖一层隔热材料[5]。

1.4.1 蓄热法

采用蓄热法，通过在混凝土中加入外加剂，可以在一定程度上提高混凝土的抗冻性，从而确保在一定的温度下，保持混凝土的强度持续增长。采用一体化蓄热技术具有操作简便、运行费用低等特点。

1.4.2 暖棚法

暖棚法和蓄热法的应用范围类似。它是利用外界的热源来提升混凝土的养护温度，使混凝土在正常的环境下得到增强。具体的施工方法是在建筑工地架设隔热、加温暖棚，利用蒸汽管道、暖风机等外部热源进行供暖，确保大棚的温度在0~5℃左右，以满足混凝土在正温环境中浇筑和养护。但暖棚法施工成本较高，其成本主要包括两个部分：第一，建筑暖棚需要大量结构及保温材料，并与其他季节不同，且施工劳动条件良好，可确保高劳动生产率；第二，热棚法是一种适合于地下建筑和混凝土构件密集的施工方法。为确保大棚法的养护效果，防止由于缺乏热量而产生负温，在大棚施工中，要在具有代表性的部位设立测温点，每天测温不能少于4次，而且每处的温度不能低于5℃[6]。同时，在保温过程中要注意保持室内的相对湿度，避免混凝土的水分流失。

1.4.3 蒸汽养护法

蒸汽养护法是以水蒸气为外热源，通过对新浇筑的混凝土进行直接或间接的传递，使其在混凝土周边形成一种具有一定温度的湿润和高温环境，从而加速其固化。蒸汽养护技术的作用与水泥中的矿物组成和混合料类型有关。蒸汽养护方法适合于矿渣、火山灰、硅酸盐水泥。因为铝土矿的固化环境温度不能超过30℃，因此不能使用蒸汽养护。它的优势为水蒸气的含水率高、湿度大、造价低、不易引起火灾。

2 高寒地区冻融混凝土配合比设计及施工控制实践——以西藏A项目为例

西藏A项目占地面积7 669 m2，总面积27 651 m2，建筑地下1层，地上25层，建筑高度103.6 m。项目所处地海拔高度为2 980 m，高寒气候条件下施工周期为每年10月15日至次年4月15日。结合施工组织设计计划，项目冻期施工组要以地下结构施工、地下防水工程、支付工程为主。因工程中动机混凝土施工工程量较大，同时施工所处高寒地区，如何对冻融混凝土配合比设计及施工质量控制成为此次工程亟待解决的重要问题。

2.1 冻融混凝土配合比设计及外加剂添加

2.1.1 水泥

选择西藏一厂家生产的P.O42.5级水泥，按GB 175—2007《通用型硅酸盐水泥标准》，对其比表面积、凝结时间、安定性、标准稠度用水量、胶砂强度等指标进行测试。结果符合高寒地区冻融混凝土强度、抗冻性、抗渗性等标准[7]。

2.1.2 粗骨料

粗集料以西藏出产的细粒径5~20 mm、20~40 mm为主要原料，对粗集料的表观密度、泥量、泥块含量、针状颗粒含量、超逊径颗粒含量等进行测试，均符合相关标准。

2.1.3 细骨料

细集料为西藏出产的自然砂，按SL 352—2006《水工混凝土试验规程》标准对细集料的表观密度、堆积密度、泥块含量、含泥量、孔隙率及细度模数等进行测试，均符合相关标准。

2.1.4 添加剂

添加剂是西藏一家企业研制的SJ-1型导气式减水剂，推荐用量为1.0%。根据GB 8076—2008《混凝土外加剂》，对减水率、泌水率、含气量、凝结时间差、抗压强度比等指标进行测试，均符合相关标准。

2.2 混凝土运输保温措施

A工程采用本地厂家供应的商品混凝土，并与施工场地相距3 km。为保证在混凝土输送期间采取适当的保温措施，施工单位应对3条可能到达的线路进行分析，并对其进行合理的运输路线设计，从而缩短运输时间，降低运输途中的热量损失。同时，在最优运输路线遇到阻碍时，制定应急路线，实现在15 min内完成混凝土从搅拌站到工地。并对混凝土输送车进行相应的改装，在罐体外侧安装30 mm厚的隔热棉片，以降低运输期间的混凝土热量损失，确保混凝土到达工地的温度满足热工计算的要求[8]。

根据工程的热力计算，在施工过程中，混凝土的出料点应该在15℃以上，然后在10℃以上。在混凝土浇筑之前，将50 mm的保温棉包裹在混凝土泵管道内，在棉被外面包上一层彩色条布，并用钢丝将条布捆绑牢固，实现降低混凝土在泵送时的热量损失[9]。

2.3 混凝土浇筑温控措施

浇筑前在墙、柱模板上再加10 cm的隔热棉，四边用钢丝绑紧，并在浇筑之前检查是否有疏漏。为确保浇筑的质量，根据相关的热力计算，在施工过程中，混凝土的出料点不小于15±2℃，下料口的入模温度不得低于10±2℃。

混凝土浇筑时尽可能地减小在同一时间内浇筑的工作面，当梁、板段同时浇筑时，应采取“赶浆法”，由一头到另一头进行分段浇筑[10]。混凝土浇筑后应立即振捣致密，并应及时进行平整。在抹光处理结束后，应及时进行保温处理，在混凝土表层温度下降到2℃以前，先用塑料膜覆盖，再用10 cm厚的保温棉，以减少混凝土的直接暴露时间，并保证保温时间不少于72 h。在浇筑施工之前，先检查墙、柱模板覆盖的隔热棉，如果有遗漏，要立即进行包扎，以免模板不覆盖部位出现局部冻伤。在垂直混凝土施工之前，除在模板外面加一层隔热棉布，还要采用外脚手架搭建一个暖棚，以避免冷风与施工混凝土接触面直接接触，降低浇筑过程中的热量损失。柱子和墙壁的混凝土必须持续进行每隔2 h的浇筑。

2.4 保温养护

在承台处进行混凝土浇筑时，最小的温度不能低于－5℃，白天最低温度在0℃以下，通过热力学计算，可以通过蓄热的方法来保证混凝土的强度。通过对不同工况下的试验，结果表明，在3 d龄期混凝土试块抗压强度达设计强度的60%，7 d龄期混凝土试块抗压强度达设计强度的60%，7 d龄期混凝土试块抗压强度达设计强度90%以上。在此工程中，由于在高寒地区的工程箱梁部位进行工程质量控制，其强度为C50、水灰比W/C0.35、表面系数接近5 m-1，由于不适合进行大棚保温，为防止水分的快速流失，也不宜采用蒸气养护，根据历年同期气温变化趋势，咨询气象部门得知，施工近期温度不低于-15℃，故优先蓄热法养护。通过热力学计算，得出在15℃以下或10℃以下的混凝土中，混凝土的冷却时间为139.18 h，根据不同龄期的混凝土生长强度表，发现在139 h后，其强度可以达到设计强度60%，超过设计强度30%。