陈志浩，白战鹏，唐文弓

中国石油天然气第一建设有限公司，河南洛阳 471023

1 工程概况

工程项目位于俄罗斯远东地区的阿穆尔州，该地区冬季严寒少雪，1月份平均气温-28℃，极寒温度可达到-45℃，最大冻土深度为3 m，冻土冻结至消融周期为8个多月。工程标段内天然气增压压缩机基础是最为重要的工程基础之一，基础结构为预制桩独立基础，上部基础体积为302.98 m3，混凝土标号为B30、F200、W8。因工期要求在当年12月至次年1月完成基础施工，因此做好严寒季节的混凝土施工成为工程的重点。

2 施工措施的制订

严寒气候环境将降低混凝土的水化反应速率或停止混凝土的水化反应，引起混凝土冻涨，导致混凝土产生不可自愈性的损伤，从而影响施工质量，因此施工中需人为建立混凝土施工所需的温度环境。为此，针对整体施工流程和工序，制订了如表1所示的混凝土施工措施。

3 技术参数计算

施工前依照俄罗斯的相关规定，对冬季施工所需的数据进行计算，为施工提供理论依据。

3.1 混凝土搅拌温度的计算

混凝土混合料的制备按照Г OCT7473要求，需在有加热措施的混凝土搅拌站中进行，搅拌用水温度不高于60℃，砂子和骨料加热解冻温度控制在10℃左右，根据式（1）计算[1]，混凝土搅拌出口的温度约为31℃。

表1 严寒气侯环境下混凝土施工措施

式中：qц、qп、qk.3、qв分别为 1 m3混凝土混合物中水泥、砂、粗骨料和水的质量，kg；iп、ik.з分别为砂和粗骨料的相对湿度，%；tц、tп、tk.з、tв分别为水泥、砂、粗骨料和水装入搅拌机时的温度，℃；数值0.84为水泥、砂和骨料的比热容，kJ/（kg·℃）；数值4.19为水的比热容，kJ/（kg·℃）。

3.2 施工环境加热的计算

3.2.1 热风炮数量计算

施工中暖棚内环境温度最高加热至20℃，同时考虑热风炮的可调节余量，每台热风炮的工作功率按额定功率的50%考虑，根据式（2）[1]计算，需要134 kW的热风炮约3台。

式中：m为热损失系数，m=1.2；F为暖棚外面积，m2；Δt为暖棚内与外界的空气温差，℃；αпрцв为综合导热系数，W/（m2·℃）；qк为单台加热设备的功率，W。

3.2.2 浇筑区地面加热计算

混凝土浇筑前需要对浇筑区与地面接触位置下方0.3～0.5 m的冻土层，利用热风炮加热至10℃，以满足混凝土浇筑温度要求，根据式（3）[1]计算，得到加热约需15 h。

式中：τ为加热时间，h；h为加热土壤深度，m；tH.B为加热阶段室外平均温度，℃；tоб为加热平均温度，℃。

3.3 电加热养护计算

混凝土电加热养护计算是由理论公式计算出混凝土加热、恒温和降温的温度和持续时间。

3.3.1 加热期温度和持续时间计算

混凝土加热升温速度应根据基础的机构表面系数确定，根据压缩机基础的几何尺寸计算，其结构表面系数值MΠ.＜3 m-1，最大加热温升速度5℃/h，为避免局部升温速度快对结构强度产生影响，升温速度控制在3℃/h。本次选用的M400型快速硬化波特兰水泥，其混凝土最高加热温度为60℃，由式（4）[2]和式（5）[2]分别计算，得出加热所需的平均温度为40℃和升温时间约14 h。

式中：tcpeд.Pa3为混凝土预热期平均温度，℃；tнач为混凝土初始温度，℃；tиз为混凝土最高加热温度，℃。

式中：τпод为混凝土恒温时间，h；vнргп为混凝土加热升温速度，℃/h。

3.3.2 恒温期温度和持续时间计算

混凝土养护的恒温期温度保持在40℃，混凝土恒温时间需根据实验室数据确定，根据参考文献[3]，B30标号混凝土在40℃下养护40 h可达到最终强度的70%。在不同温度下养护时，B30混凝土各龄期的强度与最终强度的比值见图1。

3.3.3 降温期温度和持续时间计算

混凝土养护到当其强度达到最终强度的70%后，停止加热并进行冷却。按式（6）[2]和式（7）[2]计算，其冷却期平均温度应控制在36.2℃，降温时间约为223 h（约9 d）。

式中：tб.ср为冷却期温度，℃；MП为结构表面系数，m-1。

图1 不同温度下养护时B30混凝土各龄期的强度

式中：τ为冷却周期，h；C为混凝土比热容，kJ/（kg·℃）；γ 为混凝土密度，kg/m3；tб.н为混凝土要求加热的最高温度，℃；q为混凝土散热量，kJ/kg；Ц为每立方米混凝土的水泥用量，kg；K为模板传热系数，W/（m2·℃）；tб.ср为混凝土的平均温度，℃；tн.в为环境温度，℃。

3.4 电阻丝安装计算

电加热电阻丝选用俄产ПHCB导线，线芯为镀锌钢芯，规格为1.2 mm2，绝缘层为特殊聚乙烯，最高加热温度为75℃±5℃。

3.4.1 电阻丝用量计算

电阻丝用量需根据其加热温度所需的功率及混凝土的水化热计算，根据式（8）[1]计算每立方米混凝土电阻丝的用量，可得到压缩机基础电阻丝总用量约为3.84 km。

式中：L为加热每立方米混凝土所需要的电阻丝用量，m；k为热损失系数，取1.16；ΔP为电热丝负载，W/m。

3.4.2 电阻丝安装间距计算

电阻丝安装根据目前模板设置，对整个基础底面和侧面进行加热，根据式（9）[1]和式（10）[1]可计算出电阻丝安装间距约为120 mm。

式中：Pуд为混凝土单位面积加热功率，W/m2；V为加热混凝土体积，m3；F为受到加热的混凝土面积，m2。

式中：d为电阻丝安装间距，m。

4 施工措施

4.1 混凝土搅拌及运输

针对严寒时期混凝土的拌制，为避免混凝土冻害的发生，根据当地规范要求，在拌制时需加入2%的防冻剂[4]。为确保碎石和砂子的入料温度，搅拌站应设置加热保温库房以保证骨料温度在0℃以上。

混凝土搅拌站的生产过程应全面封闭，搅拌站采用120 mm的夹心彩钢板搭设，以确保其保温效果，内部采用热风系统将储料仓和传送间的温度加热至10℃，搅拌机楼温度加热至25～30℃。搅拌站内设置1台热功率43 Mcal/h（1 cal=4.186 8 J）的锅炉，将搅拌用水加热至80℃后，存储到保温水罐中作为搅拌用水。搅拌时先将热水和骨料进行搅拌，待温度降低至60℃时再加入M500型波特兰水泥，搅拌机出口的混凝土温度应控制在30℃，且不超过35℃。混凝土运输罐车需用40 mm厚保温材料包裹以减小热损失，运输前应根据混凝土用量规划搅拌批次。

4.2 暖棚搭设

暖棚根据压缩机混凝土基础几何尺寸搭设，主体结构采用脚手架搭设，主体结构应牢固，并能够承受最大风和雪的载荷。棚体覆盖物采用保温、柔性好且亲水性差的材料，比如聚合物涂层织物或工业用防火毛毡等，以防止材料因寒冷而变脆，从而发生开裂等。

暖棚整体覆盖物与主体结构以及地面应贴合紧密，以隔绝棚外冷空气侵入暖棚，棚内热风炮均匀布置，为保证热气流的流通性，应让其包裹整个暖棚，棚壁与压缩机基础之间应保持1.0～1.5 m距离。暖棚入口应设置耳房并安装带弹簧的自闭门，以减少人员进出造成热空气流失。棚内设置足够照度的灯具用于日常巡检和维护，并在醒目位置安装干湿温度计，以监控棚内温度。暖棚外观及热风炮布设安装示意见图2～3。

图2 暖棚外观

图3 热风炮布设安装示意

4.3 电加热系统安装

4.3.1 电阻丝安装

电阻丝安装前应对其外观进行检查，并用兆欧表测试绝缘性，电阻丝安装在基础的外侧和底部的外围钢筋上，每段电阻丝长不宜超过25 m，曲率半径不小于3D（D为电阻丝直径），电阻丝应顺序缠绕，避免交叉，与钢筋骨架固定紧密，电阻丝每隔12 cm采用直径1.2 mm的聚丙烯麻线或软针织线固定，捆扎过程应保证电阻丝张力适中，绝缘外皮不被损坏[5]。电阻丝应完全浸没在混凝土中，与模板保持8～10 cm的间距。电阻丝的具体布置及安装示意见图4。

4.3.2 加热设备、导线及测温点安装

与电阻连接的供电导线采用АПВ-4铝芯线，连接点不应暴露在基础结构外侧，连接时应采用绕接接头，并做好绝缘保护。每股АПВ-4铝芯导线根据其功率与加热器分配的母线相连接。发电机和加热器就近布置在基础旁。所有电力设备、配电箱及混凝土钢筋须接地良好。

图4 电阻丝布置安装示意

混凝土浇筑前，在钢筋笼上安装薄壁金属套管以测量温度，管径应尽量小，可保证UT-5测温探头插入即可，深度控制在10～15 cm。

4.4 混凝土浇筑

混凝土浇筑前将保温棚内的空气温度、钢筋和模板温度、浇筑区域地下0.3～0.5 m的温度提升至10℃。混凝土浇筑时应再次确认电阻丝的绝缘性以及母线是否短路等。

浇筑用的混凝土泵车收料端和混凝土输送管应增加保温措施，同时混凝土供应应连续，以保证混凝土的入模温度维持在20℃±5℃，浇筑和混凝土振捣过程中应注意电阻丝的保护，以防止电阻丝绝缘皮受损或砸断。泵车出料口穿越暖棚位置应采用化纤毛毡进行封堵，以降低施工环境温度的损失。

浇筑完成后应使用厚100 μm的聚乙烯薄膜进行覆盖，并在薄膜的上方再覆盖一层厚20 mm的化纤毛毡以对混凝土进行保温。

4.5 混凝土加热养护

养护期暖棚内环境温度控制在20℃±2℃，相对湿度95%±5%，且暖棚内上部与下部的温差不应超过5℃。

4.5.1 准备工作

电加热系统投用前，专职维护电工需对整个加热供电系统设备良好性、接地情况、接头有无松动、测温传感器及导线布置情况进行检查。外部的警示设施牢固运行稳定，并保证加热区内所有施工人员离开。为保证施工安全性，电加热区域应设置1.5 m高的围栏、警示灯和警示牌，严禁与施工无关人员进入。

4.5.2 加热养护

混凝土加热应根据前期计算的升温速度、恒温时间以及降温速度对混凝土进行加热，各阶段温度应根据计算值进行调整。整个加热养护过程中，应安排专人对电加热系统运行稳定性、混凝土温度和湿度、环境温度进行检查，并填写检查记录，巡检频次如下：

（1）升温阶段，前3 h每隔1 h检查1次，其余时间每隔2 h检查1次。

（2）恒温阶段，前8 h每隔2 h检查1次，最后16 h每隔4 h检查1次，在其余时间，检查的次数不低于3次/d。

（3）冷却阶段，每天检查2次，直至结束。

在混凝土加热养护阶段，除了进行以上检查外，还应注意加热导线电流不能超流，导线附近的混凝土水膜不可出现沸腾，定期检查线路接头是否连接良好，使加热系统保持良好的工作状态。

根据施工前期加热计算所得的数值，混凝土恒温40 h时，其强度将会增长至标准强度的70%，因此，在实际施工中需要采用回弹仪检测混凝土的强度，以确定混凝土的加热效果。

在混凝土冷却阶段，保温棚内温度应控制在10℃以上，电加热设备不可全部关闭让其自然降温，而应按照其降温速度将基础的温度降低至环境温度，避免因温度急速下降，导致混凝土产生内应力破坏，从而影响混凝土的强度。

4.6 拆模后保温

基础拆模前需要对同期同条件下养护的试块监测合格后方可进行基础拆模工作，基础拆模需要在保温棚内进行，由于俄罗斯业主对施工质量要求较高，在拆模完成后要求基础在暖棚内继续加温保护1周，其温度要求控制在10～15℃，以保证混凝土内的水分完全蒸发。

5 结束语

以俄罗斯某天然气处理厂项目的天然气增压压缩机混凝土基础施工为例，介绍了根据俄罗斯当地的做法和要求，对混凝土施工各工序制订的相应保温、加热措施及应用效果，重点论述了施工措施的制订；保温及加热技术参数的计算，包括混凝土搅拌温度、施工环境加热、电加热养护、电阻丝安装的计算等；混凝土搅拌及运输、暖棚搭设、电加热系统安装、混凝土浇筑及加热养护、混凝土拆模后的保温等技术措施。

在严寒地区采用该施工方法，不仅能在混凝土搅拌及运输阶段保证混凝土浇筑的温度要求，而且能在养护阶段

提供混凝土强度增长所需的环境温度。在现场对压缩机基础混凝土强度进行实测，7 d及28 d强度均符合Г OCT18105要求，压缩机基础的混凝土质量满足设计要求。经过实践，该施工方法可以满足严寒地区大型混凝土基础的冬季施工要求，并可为类似工程提供借鉴经验。