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大體積混凝土冬季施工措施淺析

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本文主要論述了高位大體積混凝土在北方冬季低溫條件下施工中通過對混凝土抗凍理論的應用對混凝土施工進行多方面的控制，保證混凝土施工質(zhì)量的實例。

配合比；灌注；養(yǎng)護

1、混凝土受凍害損傷

混凝土受凍害損傷可以區(qū)分為兩種情況：（1）剝落脫皮是由于凍融引起的混凝土表面材料的損傷；（2）內(nèi)部損傷是表面沒有可見效應而在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的損害，它導致混凝土性質(zhì)改變（如動彈性模量降低）。至于新拌混凝土受凍害損傷后則會導致混凝土凍脹破壞。黃延高速公路第六合同段位于陜北地區(qū)，常年負溫為130d左右，防治混凝土受凍害損傷在冬季施工中具有重大意義。

2、混凝土受凍害損傷的原因

2.1 新拌水泥混凝土的受凍害損傷的原因

新拌混凝土的強度低、空隙率高、含水多，極易發(fā)生凍脹破壞。凍脹破壞的外觀特征是材料體內(nèi)出現(xiàn)若干的冰夾層，彼此平行而垂直于熱流方向。其過程為：結構物表面降溫冷卻時，冷流向材料體內(nèi)延伸，在深處某水平位置開始凍結，一般從較粗大孔穴中水分開始，冰晶形成后從間隙吸水，發(fā)育增長，且是不可逆轉的過程，水分從材料未凍水或從外部水源補給，并進行宏觀規(guī)模的移動。第一層孔穴中冰凍后，在冰晶生長的過程中，材料質(zhì)體受到拉應力σt，如果超過抗拉強度即破壞。

2.2 成熟混凝土的受凍害損傷的原因

混凝土構件中的孔徑分為三個范疇，即凝膠孔、毛細孔及氣泡，在某一固定負溫下混凝土構件中水分只有一部分是可凍水，可凍水產(chǎn)生多余體積直接衡量冰凍破壞威力。

可凍水（即冰）主要集中在水泥石及骨料顆粒的毛細孔中，凝膠水由于表面的強大作用不大可能就地凍結，氣泡水易凍結?；炷翗嫾懈鞣N孔徑的空隙可認為連續(xù)分布，分布在這些空隙中的水在降溫過程中將按順序逐步凍結，不可能同時凍結。凍水一般是溫度的逆函數(shù)，溫度愈低，可凍水愈多。

連續(xù)的毛細管溝網(wǎng)絡體系破壞過程；隨著水化進展凝膠體生成，網(wǎng)絡的聯(lián)系被破壞、分成個別孤立的毛細孔（水在其中凍結的容器），而凝膠連同其特征性凝膠孔和少數(shù)細小毛孔就構成透水器壁。隨著水化深入，材料質(zhì)地致密及溫度的下降，將有更多細小空間的水參與冰凍，作為器壁的凝膠的滲水性也不斷減小。

當冰凍多余水受水壓力推動向附近氣泡（逃逸邊界）排除時，材料本身將受到推移水分前進的后應反作用力導致受拉破壞。材料組織愈致密水流宣泄不及，疏導不暢引起的動水壓力增大。

水泥漿中包含的一般是鹽類稀溶液，一旦冰凍后變?yōu)榧儽蜐舛雀叩娜芤海浑S著溫度下降，濃度不斷提高。另一方面鄰近凝膠中水分始終保持不凍，其溶液濃度保持原有的水平，于是在毛細孔溶液和凝膠水之間出現(xiàn)濃度差。濃度差使得溶劑向溶液中自發(fā)擴散滲透，即溶質(zhì)向凝膠水中擴散，而凝膠水向毛細孔中濃溶液轉移。其結果毛細孔中水分增加，和冰接觸的溶液稀釋，冰晶逐漸生長，長大。當毛細孔穴充滿冰和溶液時，冰晶進一步生長必將產(chǎn)生膨脹壓力，導致破壞。

另一方面在水壓的情況下，水分凍結膨脹，多余水在壓力推動下外流，流向可能消納水分的未凍地點；作為水流的結果壓力消失，析冰情況正好相反：水分不是從冰凍地點外流，而是從未凍地點（凝膠）流向已凍冰地點（毛細孔），方向恰好相反。未凍地點的水移動一定距離后，最后以冰凍結束，作為水流運動的結果產(chǎn)生壓力。

以上兩點可以綜合為：第一階段毛細孔中始發(fā)的冰凍，向所有方向產(chǎn)生的水壓力，引起內(nèi)應力；第二階段較大毛細孔中水分首先生成冰晶，可從小孔中吸引未凍結水使自身增長，產(chǎn)生靜應力。

骨料作為一個組分，如果冰凍膨脹同樣會成為導致混凝土破裂的應力來源；為了保證混凝土完好，必須要求骨料和水泥凈漿兩者都不破壞。由于引氣混凝土的廣泛使用，水泥凈漿的抗凍性較易保證；從這個意義上來說，骨料抗凍性更具有突出意義。如顆粒大到一定限度以上，核心存在的距離任何逃逸邊界均在臨界尺寸以上的保水區(qū)域，此時將因超過骨料破裂強度的內(nèi)部水壓力而破裂，這就是臨界儲存效應。凡屬中等吸水、細孔結構、滲透較低的巖石，這種危險較突出；空隙多、滲透性強的骨料臨界尺寸也很大。在特殊情況巖石吸水率極低（如重量吸水在0.5%以下的石英巖），可凍水極少，冰水是無滲應力出現(xiàn)；根據(jù)施工經(jīng)驗應避免使用高度吸水骨料，小顆粒石?？梢缘玫捷^大抗凍保證。

綜上所述，混凝土材料的抗凍性是以下三方面的變函數(shù)即：（1）材料的性質(zhì)（強度、變形、空隙情況）；（2）氣候條件（凍融循環(huán)次數(shù)、最低溫度、降溫速度、降水量、空氣相對濕度等）；（3）材料使用方式（降水量、自由水及跨越材料的蒸氣壓梯度與溫度梯度）。區(qū)分這幾方面變數(shù)將構成研究這一復雜問題的一個根本方式的轉變，這樣我們就有可能正確預言材料在指定環(huán)境中的抗凍能力。

3、混凝土抗凍理論在工程上的應用

根據(jù)材料的抗凍性上述的函數(shù)，在施工實踐中采取的抗凍施工措施如下：

采取摻用防凍劑以降低新拌水泥混凝土的內(nèi)部水溶液冰點以及干擾冰晶生長，有效保護未成熟混凝土不受凍脹破壞，在負溫條件下能夠繼續(xù)水化。

采取摻用引氣劑，引氣不僅在表面無冰時減輕大體積冰誘導冰凍的出現(xiàn)，并且在過程中也減輕了冰擠出的損害，消納更多的毛細孔中冰凍所產(chǎn)生的多余體積，有助于保護成熟混凝土免于傷害。

配合比設計采取高效減水劑盡量降低水灰比并經(jīng)過充分水化，就有可能做出實際上不包含可凍水的飽和混凝土構件。不包含毛細水（或數(shù)量很少）的混凝土構件，由于凝膠中空間極微細，結晶的始發(fā)十分困難，并不發(fā)生凍結，故施工中盡量不使用粉煤灰作為外摻料加入混凝土。

選用巖石吸水率較低（如重量吸水在0.5%以下的巖石），可凍水極少，骨料表現(xiàn)安全，不受冰凍傷害，同時使用小顆粒石粒可以得到較大抗凍性保證。

改善混凝土的氣候條件以及使用方式，在地面以上的混凝土結構的冬季施工中，采取棉氈包裹等有效的蓄熱保溫措施，使新拌混凝土在正溫條件下水化，強度達到設計強度后采取棉氈包裹繼續(xù)保溫，以此延長混凝土養(yǎng)護周期，保證成熟混凝土充分水化，盡量降低構件毛細水含量，防止成熟混凝土的受凍。

混凝土的冬季施工要求：

（1）混凝土冬季施工的材料儲備保溫。為避免入冬以后進料困難、砂石料在料場或運輸過程中受凍，砂石料應在入冬前組織進場；砂石料應在入冬前進行蓋上10cm以上的草袋以及棉氈或采取其他措施，必須保證砂石料不受凍、溫度在0℃以上，同時防止出現(xiàn)冰雪、凍塊進入攪拌機內(nèi)，給混凝土溫度帶來損失；防止過大的凍塊堵塞砂石料輸送帶；防止部分凍塊進入攪拌機內(nèi)會很難被粉碎、溶化，嚴重影響混凝土質(zhì)量；水泥、外加劑應在庫房或暖棚內(nèi)進行保溫，禁止對其進行直接加溫；冬季溫度過低，應提前做好水源儲備并防止污染。

（2）混凝土拌和料的加溫。在對攪拌站進行搭設溫棚保溫、砂石料保持正溫的情況下，混凝土拌和料要加溫，拌和水加熱溫度根據(jù)混凝土拌和物混合溫度和計算控制。

（3）混凝土的拌和?；炷涟韬土系耐读享樞颍?）砂石料進拌和機加90%的水進行攪拌1min；2）水泥、外加劑進拌和機進行攪拌1.5min以上并補充剩余10%的水分；砂石料與水泥、外加劑分開進料斗，必須以此防止水泥、外加劑接觸熱水發(fā)生水泥“假凝”現(xiàn)象；拌和時間適當延長，以防止出現(xiàn)：a）混凝土顏色不均勻、外觀質(zhì)量問題；b）防止材料間熱交換時間過短，混凝土和易性和施工性能差。

（4）混凝土的運輸。各種混凝土運輸車、混凝土輸送泵以及管道在使用前必須用熱水清洗加溫；保證運輸過程順暢、運輸速度快速；混凝土泵安裝后要加保溫采暖棚，管道用棉氈包裹保溫；管道在使用前后用熱水沖洗干凈，防止混凝土殘料在管道內(nèi)凍結、影響暢通。

（5）混凝土的澆筑。舊混凝土要沖洗干凈，并進行加溫，包括模板、鋼筋均必須采取有效措施如暖棚進行加溫至10℃以上方可進行混凝土澆筑；盡量減少因施工操作引起的混凝土拌和物溫度損失，如減少混凝土暴露時間、及時對混凝土予以保溫。

（6）混凝土的溫度監(jiān)控。建立溫度檢測制度、指定專人負責，建立完整的檢測記錄。在老樁和特大橋冬季施工中外加劑的選用具有防凍、引氣、減水等功能的復合性外加劑，采用5～25mm連續(xù)級配碎石粗集料與水泥配合，施工中防凍效果良好，能夠滿足現(xiàn)場冬季施工的要求。

4、施工應用實例

4.1 工程概況

北同蒲朔州—寧武增建二線工程新建石湖河大橋全長348米，10～32米后張法預應力混凝土梁單線橋、T型橋臺、圓端型橋墩、挖井和擴大基礎。橋墩高5.0m～18m之間，墩臺身C30混凝土，2800方。

橋所在區(qū)域?qū)僦袦貛лp半干旱氣候。氣候基本特征：冬長寒冷、夏短多雨，主要氣候要素如下：年平均氣溫6.2℃,極端最高氣溫34.8℃，極端最低氣溫-27.2℃，最大凍土深度169cm。按對鐵路工程影響的氣候分區(qū)，該地區(qū)屬于寒冷地區(qū)。

混凝土冬季施工，根據(jù)《橋涵施工規(guī)范》的定義，是指“室外日平均氣溫連續(xù)5d低于5℃”條件下的施工，一般情況下，野外現(xiàn)場露出地面的混凝土由于采取蒸汽養(yǎng)護十分困難，為防止混凝土受凍，冬季一般不安排施工，但工期很緊的情況下，就不得不進行冬季混凝土施工。該橋墩身施工就位于冬季施工階段。

4.2 施工工藝

（一）工藝流程

圖1

（二）施工工藝

1、冬季施工一般規(guī)定及控制目標

根據(jù)《建筑工程冬季施工規(guī)范》（JGJ104-97）和《鐵路橋梁施工規(guī)范》結合本項目特點，當工地晝夜氣溫連續(xù)3d低于5℃或最底氣溫低于-3℃應采用冬季施工措施，并能滿足以下規(guī)定或要求：（1）、冬季施工的混凝土在入模后，混凝土強度未達到設計強度30%以前不得受凍。（2）、混凝土出廠及入模溫度在10℃以上，但不得大于35℃。3）、砼入模時，模板溫度不低于2℃。（4）、從施工工藝及工期考慮，砼在10天內(nèi)達到設計強度。

2、制定冬季施工措施

根據(jù)現(xiàn)場施工條件，制定了混凝土施工過程的各個保證措施：

（1）、在進入冬季施工以前，及時和氣象部門聯(lián)系，掌握當年冬季天氣趨勢，并根據(jù)天氣預報在施工中根據(jù)氣候變化隨時調(diào)整措施，確保冬季施工達到要求。

（2）、混凝土攪拌采取對原材料保溫防凍或加熱的方法保證混凝土溫度，同時為了保證質(zhì)量摻加防凍劑。

（3）、混凝土運輸時對運輸設備進行保溫。

（4）、混凝土灌注前、灌注后采取保溫措施。

3、冬季施工有關計算

混凝土冬季施工一定要在科學技術指導下，有計劃、有步驟、有組織的進行，不能盲目蠻干。因此，我們結合當?shù)貧v年氣溫情況及以前積累的相關施工經(jīng)驗，經(jīng)過一系列反復計算，最終取得在當?shù)氐貐^(qū)混凝土冬季施工中各施工工序的控制溫度數(shù)據(jù)，作為指導具體施工的最可靠依據(jù)。當當?shù)囟谕饨鐪囟?10℃時，經(jīng)計算拌和物出機溫度T1≥24.7℃，混凝土拌和物溫度T0≥27.5℃。要滿足此控制溫度，拌和用水要加熱至70℃，砂、石加熱至20℃；當環(huán)境溫度為-5℃時，T0應不小于21.2℃，此時水、砂石料加熱溫度分別為55℃、15℃、15℃方能滿足施工要求。為此，對于砂、石料的加熱，我們經(jīng)過計算，暖棚（設計為40m×40m×5m）每小時耗熱量Qh=174000W（相當于150000大卡），考慮溫度變化及蒸汽針法加熱砂石料的要求，選用LSS0.5-0.8-Y 型低壓蒸汽鍋爐（每小時供熱量35萬大卡）；對于拌和用水，根據(jù)拌和站施工能力，每小時需要熱水8噸，每次施工需要70噸熱水，采用預先加熱并儲存一定數(shù)量（20噸）的辦法，每小時需供熱水5噸，選用CLHS0.47MW-95/70Y型常壓熱水鍋爐可滿足要求；對于橋墩養(yǎng)生鍋爐的選擇經(jīng)過計算選用LHS0.06型立式汽水兩用鍋爐（每小時供熱量5萬大卡）滿足施工要求。

4、混凝土的攪拌

（1）在混凝土中摻加廣州西卡天津分公司生產(chǎn)的HE-200-C 型防凍劑，C25、C30砼的摻量為1.55～2.0%對攪拌站主機采取擋風和保溫措施，采用棉篷布對砂石料進行覆蓋，避免砂石料結冰。

砼的配合比如下：

（2）、攪拌站蓄水池用保溫材料覆蓋并密封，熱水采用40萬大卡熱水鍋爐（每小時出熱水8噸）直接加熱，加熱溫度控制在60℃以內(nèi)（環(huán)境溫度-5℃以上時），當環(huán)境溫度低于-10℃，可將水加熱到70℃，但此時混凝土攪拌時應將水和砂石料攪拌均勻后方可投入水泥，避免水泥和熱水直接接觸。

（3）、砂石料場地分為保溫棚和存料場兩部分，保溫棚采用大型軍用帳篷，計劃40×40×5m大小，確保存混凝土1500m3以上的原材料，帳篷內(nèi)采用鍋爐蒸汽加熱保溫，確保環(huán)境溫度10℃以上，每次混凝土施工前5小時，鍋爐開始供氣。攪拌混凝土前采用蒸汽針法對砂石料重新加熱到需要溫度（環(huán)境溫度-5℃以下時，砂石料加熱到20℃，環(huán)境溫度-5℃以上時，砂石料加熱到15℃），鍋爐采用燃油鍋爐1臺，存材料場40×40m，直接用帳篷覆蓋。

（4）、砂石料上料料斗采用大棚進行封閉，為確保砂石料溫度，攪拌站備用保溫加熱料斗3臺。砂石料加熱裝置和紅外線熱風爐產(chǎn)生的熱風作為熱源，碎石加熱用對流方式在碎石加熱爐內(nèi)進行熱交換，排出具有一定溫度的尾氣通過壓風機引入砂加熱爐，用流化床形式加熱砂。

（5）、用保溫材料對攪拌站進行封閉，棚內(nèi)利用熱風機配合暖氣進行保溫，棚內(nèi)溫度控制在10℃左右。技術人員每小時測量并記錄溫度一次。

（6）、砂石料保溫棚內(nèi)在不同部位放置不少于3個溫度計，工地試驗室，拌和站技術人員在施工期間每小時對保溫棚溫度、砂石料溫度、水溫度、混凝土拌和物溫度測量一次，環(huán)境溫度-5℃以下時確?；炷脸隽蠝囟仍?7.5℃以上（環(huán)境溫度-5℃以上出料溫度應在21.2℃以上）。

（7）、試驗人員每次根據(jù)采用蒸氣保溫后砂石料的含水量調(diào)整施工配合比。

（8）、為確保冬季施工混凝土的和易性和流動性，混凝土攪拌時間應不小于2.5min，但不宜大于3min。

（9）、為提高混凝土的早期強度，混凝土坍落度控制在12cm～14cm范圍內(nèi)，并攙配高效減水劑。

5、混凝土的運輸

混凝土運輸采用攪拌運輸車運送，運送距離3公里以內(nèi)，地泵或泵車進行混凝土的灌注，采用縮短混凝土運輸時間、運輸車保溫、混凝土輸送泵用直管等措施，以減小混凝土運輸過程溫度損失。

6、混凝土的灌注

（1）箱梁砼灌注

暖棚采用多功能腳手架做骨架，外套采用棉棚布、單棚布一層。棉棚布按暖棚布尺寸及相互搭接減小漏風的要求進行特殊加工，棚布中均夾雜毛氈，毛氈厚度為1.5cm，棚底為現(xiàn)澆支架的木板、鐵皮共同構成的保溫層組成。

（2）橋墩砼灌注

灌注前應在墩身模板外懸掛2層草袋，外面用彩條布包裹以達到對墩身進行保溫的作用。并在模板內(nèi)部安裝循環(huán)冷卻水管。對模板內(nèi)部進行清理，清除雜物，并對模板進行潤濕。灌注混凝土前混凝土到達后對混凝土進行測溫，保證混凝土入模溫度不低于10℃。采用插入式振搗棒振動時，應注意振搗質(zhì)量防止超振、漏振。

7、混凝土的養(yǎng)生與溫度測試

（1）混凝土養(yǎng)生

混凝土澆筑完后，及時覆蓋暖棚，通過蒸氣對梁底、腹板加熱進行保溫養(yǎng)護，蒸氣排管的布置根據(jù)暖棚空間所需的熱量進行計算。在靠近底板30cm左右的梁體的四周布設蒸氣排管，底模板下蒸氣排管用膠管連接在一起，各條管線的供熱量由分氣罐控制，分汽缸與排管也用膠管連接，尾氣排至棚外。

蒸氣養(yǎng)護采用低壓飽和蒸汽，其升溫速度每小時不大于10℃。

由于大氣溫度較低，棚內(nèi)外溫差懸殊，棚內(nèi)底部與頂部溫差也較大，按設計要求棚內(nèi)溫差不大于10℃，為達到此目的，可在棚內(nèi)空間設置兩道溫度屏障，以減弱空氣在豎向的對流速度，如棚頂溫度大于40℃時，可掀開部分篷布，散發(fā)部分熱量，尤其注意控制混凝土各部分溫差不大于25℃。

蒸氣防護分升溫—恒溫—降溫3個階段，恒溫控制在50℃以下。當混凝土強度大于30%設計強度后，方可停止供熱保暖，但大棚內(nèi)降溫應滿足《冬季施工規(guī)范》的要求，即降溫速度每小時不大于10℃。

混凝土拆模時，環(huán)境溫度與梁體溫度差應小于15℃。

橋墩的養(yǎng)生中的升溫-恒溫-降溫參照箱梁的養(yǎng)生要求，混凝土強度達到設計強度30%以上后（養(yǎng)護兩天），橋墩暖棚按照降溫要求降溫，當暖棚內(nèi)溫度與環(huán)境溫度差小于10℃時拆除暖棚，當橋墩溫度與環(huán)境溫度差小于15℃后，拆除橋墩模板并用塑料薄膜包裹繼續(xù)養(yǎng)生。

（2）溫度測試

混凝土冬季施工過程中，由試驗室（負責攪拌站、混凝土）和質(zhì)檢工程師（負責墩身溫度控制）按時測量水、骨料，混凝土出罐、入模測量四周的溫度以及混凝土溫度變化情況，尤其注意混凝土養(yǎng)生期的溫度觀測：

①測溫儀器：外界氣溫和棚內(nèi)氣溫及循環(huán)冷卻水溫均用自動溫度計記錄儀觀測，混凝土出罐、入模溫度用旁通溫度計測試，箱梁內(nèi)各觀測點溫度用多頭溫度儀測試。

②觀測點設置：在澆筑后的混凝土上設測溫孔，墩身測溫孔橫向向設置在墩身中心及墩中心到圓端端部1/2處，豎向墩身方向沿上、中、下3個截面設置。循環(huán)冷卻水測溫點設置在水箱中。混凝土梁測溫孔位置設在腹板通風孔和梁底泄水孔位置，每聯(lián)箱梁設12個測溫點。分別設在腹板、底板、頂板。要求各測點溫度接近。

③測溫時間

大棚內(nèi)各觀測點，自混凝土澆筑完畢時間算起，每隔2小時測一次溫度，外界氣溫在每天7時、12時、16時和24時4個時間進行記錄。

④具體做法

A、對測溫孔進行編號，并編制測溫孔布置圖以備查。

B、測溫時，溫度計與外界氣溫隔離，避免冷空氣影響，溫度計在孔內(nèi)停留時間在3min以上。

C、設專人負責測溫工作，當發(fā)現(xiàn)溫度發(fā)生異常變化時，立即向有關人員匯報，以便及時采取措施。

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.042