赵 帮 轩

(中铁十八局集团第五工程有限公司，天津 300459 )

随着西部地区基础设施建设不断推进，大量的铁路、公路工程在高海拔寒冷地区修建[1-2]。高海拔地区具有气压和气温低、昼夜温差大、日照时间长、紫外线大等特点，这种高寒的环境条件对混凝土结构的各项性能和施工关键技术提出了更高的要求[3]，而高海拔寒冷地区混凝土箱梁的配合比设计[4-5]、温度控制、养护措施等研究明显滞后于工程需求[6-7]。这也成为中国公路桥梁工程设计和施工中的一个重大技术问题。

基于工程实践需要，一些学者和工程师对高海拔寒冷地区混凝土配合比进行了研究[8-9]。如陶友海[10]通过掺加少量粉煤灰，提高纤维素纤维混凝土在寒冷环境下养护期的强度增长率和孔隙结构稳定性。王龙志等[11]使用复合型高效外加剂，控制冬季施工含气量在4%～6%，并通过掺入10%的膨胀剂，缓解混凝土内部的温度应力。惠洪义等[12]添加高效减水剂、10%的粉煤灰和降低水胶比，来提高混凝土强度和抗冻耐久性。同时需要在混凝土箱梁施工过程中，通过施工技术控制，减少混凝土强度的损失。孙广滨等[13]使用热水预加热混凝土原材料并控制运输和浇筑时的温度。向敏等[14]根据高强混凝土水化放热规律，提出预制混凝土箱形梁生产过程中蒸汽养护的温度控制参数，有效控制了降温期出现的较大温度梯度而产生的温度拉应力。Li等[15]针对箱梁养护时内部温度过高和冷却速度慢的问题，提出了钻道循环水冷却方法，减小了混凝土箱梁结构内外的温差。赵文斌等[16]通过对低温、大温差地区不同养护方法下混凝土试验箱梁的温度和各龄期强度的比较，证实了45℃恒温蒸汽养护混凝土的抗压强度高。

在高海拔寒冷地区，建筑材料、施工环境、养护条件等因素对混凝土箱梁结构的强度和耐久性有很大影响。为了满足高海拔寒冷地区对混凝土结构的高要求，有必要对混凝土结构的关键施工技术进行系统研究。基于此，本文以S10凤县(陕西)至合作(甘肃)高速公路卓尼至合作段ZH09标段桥梁工程为依托，对高海拔寒冷地区混凝土配合比优化设计、原材料入仓温度、箱梁浇筑过程保温及温度控制、预制箱梁蒸汽养护措施等进行研究，形成一套高海拔寒冷地区预制箱梁施工技术，为更多的工程提供技术支持和参考。

1 工程概况

1.1 项目介绍

S10凤县(陕西)至合作(甘肃)高速公路卓尼至合作段ZH09标段桥梁工程，全长9.050 km，沿线共设置13座桥，其中主线大桥1座共186 m，中桥5座共222.8 m，小桥5座共102.5 m，匝道中桥2座共88.12 m。预制的混凝土箱梁结构长度为30 m和40 m，共804片。

1.2 自然条件

工程项目所在地区海拔在2 500 m～3 600 m之间，具有气压和气温低、日照时间长、昼夜温差大等特点。冬季漫长、干燥、寒冷，最冷月份1月的平均温度为-8.6℃，最低温度为-27℃；全年盛行风向NE，年平均风速2.1 m/s，最大风速17 m/s。这种高海拔寒冷环境对混凝土结构的性能提出了更高的要求，为满足工程环境要求，需要对箱梁的混凝土配合比进行优化设计。同时，为了保证试验结果的可信度，本文中的所有试验均在施工现场进行。

2 高海拔寒冷地区混凝土箱梁配合比确定

2.1 原材料选用

本工程箱梁采用C50混凝土，所用原材料就地取材，水泥采用永登祁连山P.II52.5硅酸盐水泥，未出现受潮结块现象，水泥的物理力学指标见表1；粗骨料取自当地采石场，选用质地坚硬、表面粗糙的石灰岩砾石，粒径5 mm～20 mm，级配良好，含泥量0.6%，泥块含量为0.2%；细骨料是当地砂厂的河砂，选取细度模数为2.98的中砂，其主要技术指标如表2所列；外加剂有2种，采用苏博特公司生产的混凝土高效引气剂和含少量缓凝成份的混凝土高效减水剂。

表1 水泥的基本物理力学性能

表2 细骨料主要技术指标

2.2 试验配合比

根据《普通混凝土配合比设计规程》[17](JGJ55—2011)规定及原材料检测结果，使用混凝土配合比质量法，计算得到高海拔寒冷地区普通混凝土配合比，通过分别掺入减水剂和引气剂、调整其他原材料用量，经过反复调试，进一步确定了如表3所示的高海拔寒冷地区减水混凝土和引气混凝土配合比，并制定基本性能试验方案，用来确定箱梁混凝土配合比。

表3 高海拔寒冷地区混凝土试验配合比

2.3 基本性能试验

在制备混凝土试件时，使用仪器对3种高寒混凝土的坍落度和含气量进行测定；试件成型后放入标准养护室内养护，将立方体试样每3块分为1组，共计3组，分别对应标准养护龄期7 d、14 d和28 d，测试试件抗压强度，取平均值；长方体试样3块为1组，测试试件标准养护28 d的抗折强度，试验结果见表4。

表4 混凝土基本性能试验结果

从试验过程来看，掺加减水剂和引气剂可以提高高寒混凝土的坍落度和含气量。与高寒普通混凝土相比，掺入减水剂的高寒减水混凝土的坍落度和含气量分别提高了100%和50%，掺入引气剂的高寒引气混凝土的坍落度和含气量分别提高了75%和213%，使混凝土的和易性得到改善。从表4的试验结果看，在标准养护条件下养护7 d后，高寒普通混凝土、高寒减水混凝土和高寒引气混凝土的立方体抗压强度平均值分为43.9 MPa、47.6 MPa、42.4 MPa，与高寒普通混凝土相比，高寒减水混凝土的立方体抗压强度增加了8.43%，而高寒引气混凝土的立方体抗压强度却减小了3.42%，表明掺入减水剂的高寒减水混凝土早期强度增长较快。

从试验结果看，在标准养护条件下，混凝土试块养护28 d后，3种配合比高寒混凝土的抗压和抗折强度均能达到设计强度值。高寒普通混凝土、高寒减水混凝土和高寒引气混凝土的立方体抗压强度平均值分为53.7 MPa、55.4 MPa、51.9 MPa，3种高寒混凝土的抗折强度平均值分别为8.66 MPa、10.44 MPa、8.18 MPa。与高寒普通混凝土相比，高寒减水混凝土的立方体抗压强度和抗折强度分别增加了2.40%和20.55%，而高寒引气混凝土的立方体抗压强度和抗折强度分别降低了4.07%和5.54%。上述结果表明，在本次试验中掺入减水剂可使混凝土强度增大，掺入引气剂虽然可改善混凝土和易性，但一定程度会降低混凝土强度。根据施工场地的自然环境条件和混凝土基本力学性能试验结果，本项目选取掺入减水剂的高寒减水混凝土配合比作为箱梁配合比。

3 混凝土浇筑温度控制及箱梁制作工艺

3.1 混凝土浇筑温度控制

在高海拔寒冷地区冬季施工时，外部环境温度过低。混凝土拌合前，需对原材料进行预加热处理，采取直接加热水的方法，当无法达到搅拌温度时，骨料应预热，加热后的原材料温度不应大于60℃；确保混凝土拌合料的出料温度控制在20℃左右，以避免混凝土坍落度损失过大或混凝土进入模具的温度过低；运输过程中采取在混凝土罐车上加保温隔热层的措施，同时避免长时间静停，确保入模混凝土温度大于15℃；对箱梁模板进行预热，控制混凝土入模后梁体上下温差小于5℃。

3.2 混凝土箱梁的制作工艺

箱梁底模采用8 mm厚钢板作为底板，与支座焊接。侧模、内模、端模采用定型钢模板。考虑到地理位置和环境的特殊性，侧模采用彩钢板封闭，内模采用棉篷布包裹保温。沿内模纵梁、侧模两侧和顶板对称布置蒸汽管道和散热器，采用高压锅炉蒸汽加热养护。梁的钢骨架采用定型钢结构工作台均匀安装在模板外，并用吊具整体吊入模板内，以保证钢骨架在运输过程中稳定不变形。

混凝土拌合时，需对骨料与水进行加热，运输过程中要采取有效的保温措施，浇筑采用10 t龙门吊配1.5 m3料斗，混凝土入模前不得发生离析。预制箱梁混凝土浇筑可采取连续浇筑，当浇筑至距另一端4 m～5 m时，反方向再由另一端开始浇筑，以此避免砂浆全部堆积在梁端预应力锚具位置影响张拉。考虑到高海拔寒冷地区特殊的气候环境，有必要改善低温引起的预应力损失。锚具、钢绞线应放在供热的库房里，每天按时开始张拉，同一应力区的钢绞线要在同一天完成张拉，尽量选在白天气温高的时间进行，保证张拉时环境温度不低于-15℃。孔道压浆应在张拉后1 d内完成，管道灌浆必须密实，水泥浆等级不低于M50。封端钢模采用钢管、木楔等材料支撑加固，确保在施工过程中不跑模，且便于拆卸。预制箱梁施工工艺流程如图1所示。

图1 预制箱梁施工工艺流程图

4 高海拔寒冷地区混凝土箱梁养护技术

4.1 箱梁的蒸汽养护系统结构组成

高海拔寒冷地区混凝土箱梁智能蒸汽养护系统主要由动力、控制、供汽管道、养护罩等系统组成。

(1) 动力系统使用型号为4 t/h的蒸汽锅炉。根据蒸汽锅炉罐体内的压力，使用水泵自动对锅炉注水。

(2) 智能控制系统是计算机程序根据接收到的智能温度仪数据，控制每个支水管上的电磁阀，实现智能控制蒸汽养护，减少梁体各部位的温差。

(3) 箱梁蒸汽养护管道布置，主蒸汽管内径为150 mm，支蒸汽管内径为80 mm。制梁台座里布置1根蒸汽管内径为50 mm，模型两侧、内腔及顶板对称布置8根蒸汽管道直径为50 mm。

(4) 养护罩系统由养护基座和养护罩组成。

4.2 高海拔寒冷地区箱梁的蒸汽养护方案

在蒸汽养护初期，蒸汽锅炉传递出高温水蒸气对混凝土箱梁进行供热升温，蒸汽在混凝土构件上凝结放热，将蒸汽热传给混凝土。预制混凝土箱梁长度为30 m和40 m，在蒸养过程中，智能温度计布置在箱梁内箱和侧模上，内箱上的温度仪器布置在跨中和梁端4 m处，侧模上均匀布置4个温度仪器，蒸汽养护升、降温阶段每隔0.5 h自动测温一次，恒温养护阶段每1 h自动测温一次。根据实测温度的变化情况，采取调节蒸汽放入量来控制升降温速度，进而保证蒸汽到达梁体各处的温差较小，使混凝土内部空隙较少产生。养护中的箱梁如图2所示。

图2 养护中的混凝土箱梁

智能管理器根据预先设定的程序控制梁体混凝土静停、升温、恒温、降温四阶段，并与智能温度仪相结合，使蒸汽养护自动化，有效控制梁体裂纹产生及强度损失。当蒸汽均匀到达梁体各处时，由程序自动静停，在静停期间，智能温度仪保证棚温不低于5℃。混凝土浇筑完4 h～6 h后，自动再次送入蒸汽，进入升温阶段。智能管理器通过控制小型散热扇保证升温速率不超过10℃/h，混凝土芯部温度最高不得超过65℃。进入恒温阶段时，温度不得超过45℃，并使蒸汽罩内各部位的温差不大于10℃，这有助于箱梁快速达到强度要求。降温时保温棚与智能温度仪共同工作，必要时使用通风扇调节通风，降温期的降温速度根据预制混凝土箱梁的尺寸大小，选择降温速度不超过10℃/h，防止降温速度过快，造成混凝土预制构件产生收缩裂缝和温度拉应力裂缝；梁体温度与外部环境相接近时，撤除养护罩，如图3。

图3 养护后的混凝土箱梁

5 混凝土箱梁强度现场测试

5.1 测试方案

随机抽取20块浇筑满28 d的高寒减水混凝土箱梁，使用混凝土数显回弹仪HD-225D对混凝土箱梁的强度进行验证。在箱梁两侧各选取5个测区，测区应避开钢筋密集区和预埋件，并在每个测区画出4×4的网格测点，现场检测如图4。箱梁表面擦拭干净后进行回弹测试，回弹仪和被测面垂直，同一点不可弹击两次，每一测区弹击16次，将每一测区所测回弹值去掉3个最大值与3个最小值之后取平均值得到该测区的回弹值，取各测区回弹平均值作为该箱梁的回弹值。

图4 混凝土箱梁回弹测试

5.2 测试结果对比分析

将箱梁回弹测试结果，根据《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》[18](JGJ/T 23—2001)，查表得出混凝土箱梁的抗压强度。按照每个箱梁为一组进行列表整理，如表5。

表5 混凝土箱梁回弹测试结果

从表5可见，本次试验的高海拔寒冷地区混凝土箱梁回弹值在44.7～50.9范围，折算后的混凝土抗压强度在52.0 MPa～60.0 MPa，平均强度为56.8 MPa，远高于混凝土设计规范规定的C50混凝土强度标准值52.5 MPa。因此，本次测试的28 d后龄期混凝土箱梁的抗压强度完全达到设计要求。

从S10凤县(陕西)至合作(甘肃)高速公路卓尼至合作段ZH09标段桥梁工程混凝土箱梁施工过程和测试结果来看，首先通过室内试验优化了高寒减水混凝土配合比，在浇筑过程中进行温度控制，并采用蒸汽养护措施进行养护以及其他施工措施，生成的混凝土箱梁能够满足高海拔寒冷环境条件下混凝土结构的强度和稳定性要求。

6 结 论

(1) 对比不掺外加剂和掺入不同外加剂得到的3种高寒混凝土配合比，掺入减水剂或引气剂均可改善混凝土的施工性能。从结果看，高寒减水混凝土后期的立方体抗压强度和抗折强度高于高寒普通混凝土和高寒引气混凝土，且高寒减水混凝土早期立方体抗压强度值比高寒普通混凝土和高寒引气混凝土分别大8.43%和12.26%。本工程根据试验结果选用高寒减水混凝土作为施工配合比，有助于提高高海拔寒冷地区混凝土箱梁的早期抗裂性、保证结构安全和可靠性。

(2) 混凝土搅拌前，对骨料和水进行加热，将混凝土混合料的出料温度控制在20℃左右，运输过程中在混凝土罐车上包裹保温隔热层，降低热量流失，避免混凝土坍落度损失过大或混凝土进入模内温度过低。

(3) 采用智能管理器和智能温度仪协同工作，通过严格控制蒸养管道各处的温度，使梁体内部受热均匀，有效减少了混凝土凝固时裂隙的产生，保证了箱梁梁体达到强度设计要求，并通过现场回弹测试得到验证。