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(1.內(nèi)蒙古宏基水泥有限公司，內(nèi)蒙古 通遼 028036；2.錦州北方水泥有限公司，遼寧 錦州 121007；3.錦州市建筑材料研究所，遼寧 錦州 121000；4.葫蘆島市遼西混凝土外加劑有限公司，遼寧 葫蘆島 125018)

引言

水泥基灌漿材料具有可灌注的流動性、微膨脹、早期和后期強度高、不泌水等一系列優(yōu)異性能，可廣泛應用于地腳螺栓錨固、設備基礎或鋼結(jié)構(gòu)柱腳底板的灌漿、混凝土結(jié)構(gòu)加固改造及后張預應力混凝土結(jié)構(gòu)孔道灌漿等工程。

水泥基灌漿材料的冬期施工在某些方面與混凝土具有相同的特點，如易發(fā)生工程質(zhì)量事故，且事故具有隱蔽性、滯后性。但有時水泥基灌漿材料對施工條件、環(huán)境及漿體強度的要求比混凝土更為苛刻，對施工過程提出了更高的要求。本文以水泥基灌漿材料(以硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥為膠凝材料)在水泥生產(chǎn)設備安裝及運行中的應用為例，結(jié)合處理兩起未達到預期目標的施工案例和葫蘆島市遼西混凝土外加劑有限公司(以下簡稱遼西外加劑公司)在冬期施工技術(shù)服務過程中的體會，就水泥基灌漿材料在冬期施工中應注意的一些問題進行探討。

1 兩起未達到預期目標的施工案例

1.1 工程概況

1.1.1 案例1

錦州地區(qū)某冶煉廠(以下簡稱冶煉廠)于2012年11月22日錨固粉碎機地腳螺栓的水泥基灌漿材料，澆灌3天仍未硬化。經(jīng)現(xiàn)場了解，該廠所用灌漿材料由遼西外加劑公司生產(chǎn)，由經(jīng)銷商購進。該廠是在無專業(yè)施工人員、未得到產(chǎn)品說明書，也未向生產(chǎn)廠家進行施工咨詢的情況下，按常溫施工的方法進行施工而導致上述問題的發(fā)生。

具體工程情況為：在主廠房外，只有頂棚而無圍墻的敞開式場所，要在現(xiàn)澆混凝土基礎底座上安裝一臺粉料機，主機地腳螺栓預留孔16個，口徑為200 mm×200 mm，深800 mm，另有口徑較小的輔機底座地腳螺栓孔。

澆灌漿料質(zhì)量情況：用手摸及用細鋼筋棍探查，表面呈硬化狀態(tài)，但強度低，試探孔的中、下段與上段無明顯差別。

施工操作情況：灌漿料澆灌前未提前預熱存放，混凝土基礎也未預熱，拌和水為涼水，人工攪拌，用手推斗車運送漿料，拌料地點離施工現(xiàn)場100 m左右。

綜上分析得出，產(chǎn)生質(zhì)量問題的原因是未按水泥基灌漿料的施工要求施工。時值冬期(施工及養(yǎng)護期的氣溫情況見表1)，再加上該廠地處城外，北風較大，實際溫度比記錄的當?shù)仡A報氣溫還要低，造成了澆灌漿體受凍。根據(jù)混凝土凍害種類的劃分[1]，這種受凍屬于新鮮混凝土受凍，采取措施后可以挽救。經(jīng)討論確定了補救措施：一是將該設備罩起來，在罩棚小環(huán)境加熱，盡量減少散熱，可用火爐加熱，也可在漿料澆灌部位周邊混凝土設置簡易鐵板烘槽，用焦炭對灌漿體進行間接加熱；二是將澆灌口上表面用塑料布蓋嚴，并加蓋巖棉氈或膨脹珍珠巖保溫材料，防止水分散發(fā)，加強保溫保濕養(yǎng)護。

表1 冶煉廠施工及養(yǎng)護初期(11月下旬)天氣預報情況

1.1.2 案例2

距離冶煉廠不足10 km的某煉鐵廠(以下簡稱鐵廠)于11月26日澆灌的烘干機地腳螺栓錨固漿料，3天后仍未硬化。經(jīng)了解，該廠用的灌漿料也是遼西外加劑公司生產(chǎn)，與冶煉廠一樣，購于同一家經(jīng)銷商，施工方法也基本相同。

現(xiàn)場情況為：主機為一臺大型烘干機，露天作業(yè)施工，基礎為混凝土，基礎高約2 m，主機地腳螺栓孔16個，口徑為200 mm×200 mm，深1 000 mm，另有電機及輔機的地腳螺栓孔，口徑與主機的相同，但深度較淺。澆灌孔的上面做了保溫保濕養(yǎng)護，孔周的混凝土表面未做任何保溫處理。經(jīng)檢查，料漿上表面未凝結(jié)硬化，用手可摳出漿料，用細鋼筋棍探查，孔的中、下部有凝固感。

分析認為，料漿入模(預留孔)后溫度降至0 ℃以下，因灌漿料中摻有防凍組分，致使?jié){料雖未達到防凍物質(zhì)水溶液凍結(jié)的狀態(tài)，但不能正常水化、硬化，仍處于塑性狀態(tài)。因工期要求緊迫，決定采取如下措施：一是在混凝土基礎的立面外表預留孔底的高度圍一圈開口向上的半圓鐵皮(由廢油桶沿軸線切成兩半圍接而成)，然后用該廠的熱爐焦或熱爐渣不間斷地徐徐烘烤混凝土基礎，以間接加熱已灌入的漿料；二是加強封閉保溫保濕養(yǎng)護，重新用塑料布封蓋料漿澆注口，其上再蓋一層巖棉保溫氈。

1.2 處理效果

冶煉廠通過在工序架棚下設置小的封閉保溫棚，用火爐加熱設備基礎，并對澆灌料進行保溫保濕養(yǎng)護，使?jié)补嗔匣瘍龊蟆爸匦隆彼?、硬化，強度得以正常發(fā)展，未影響后續(xù)的安裝和使用。

鐵廠到漿料澆灌后第3天，灌漿體的強度發(fā)揮正常，第5天緊固設備螺栓，未影響工期，設備運行至今安全可靠。

2 產(chǎn)品性能驗證、模擬試驗及結(jié)果分析

2.1 產(chǎn)品性能驗證試驗

鐵廠所用灌漿材料雖然在產(chǎn)品出廠時已經(jīng)按JC/T 986—2005《水泥基灌漿材料》[2]進行了性能檢驗，但為了驗證其可靠性，對施工現(xiàn)場的產(chǎn)品樣(已開袋)、該廠未用的庫存樣(未開袋)及遼西外加劑公司同批次的庫存樣進行了全面的驗證性試驗，3類樣品分別記為A、B、C，試驗結(jié)果見表2。

表2 庫存及出廠產(chǎn)品的基本性能試驗結(jié)果

從表2可以看出，該批次產(chǎn)品滿足JC/T 986—2005《水泥基灌漿材料》的性能要求。

2.2 模擬試驗

為進一步分析上述兩個案例中出現(xiàn)的非正常情況的原因，并積累有益的數(shù)據(jù)，進行了如下模擬試驗。

2.2.1 參照正常冬期施工工況的試驗

按照JGJ/T 104—2011《建筑工程冬期施工規(guī)程》[3]和GB/T 50448—2008《水泥基灌漿材料應用技術(shù)規(guī)范》[4]的規(guī)定，在寒冷地區(qū)施工要確保灌漿料漿體澆灌入模溫度>10 ℃，且澆灌后要對漿體裸露部分采用綜合蓄熱法及時進行保溫保濕養(yǎng)護。2012年12月5日，在試驗室標準環(huán)境下成型了A、B、C等3組批試體，記為A1、B1、C1。成型后將試體置于無供熱措施的試驗小磨磨機室，試體(含試模)用塑料布封蓋。當日室內(nèi)溫度為6～8 ℃，整個養(yǎng)護期的室溫為0～8 ℃，測定3組批試體的1 d、3 d和28 d抗壓強度，結(jié)果見表3。

表3 試驗條件下的抗壓強度試驗結(jié)果

由表3可以看出，漿體的1 d強度僅為同齡期標養(yǎng)的15%左右，這是因為溫度較低，水泥水化慢，導致強度較低；3 d強度達到標養(yǎng)的70%左右，說明產(chǎn)品采用高強度等級水泥(P·O 52.5)在漿體終凝后，因水化反應的持續(xù)進行使得漿體的溫度高于環(huán)境溫度，進而使強度得到了較快發(fā)展；28 d強度不足標養(yǎng)的90%，這是由于水泥水化速率在前3天較高，如C3S、C3A和C4AF等3種礦物3 d的水化程度分別為33.2%、78.1%和64.3%，而28 d則分別為65.5%、79.7%和68.8%[5]，所以這種現(xiàn)象是正常的。

2.2.2 以上兩個工程案例的模擬試驗

由表1可知，上述兩個工程的實際施工及發(fā)現(xiàn)問題的時間段在11月22日至12月1日，施工當天的氣溫分別是最低-8 ℃、最高+3 ℃和最低-8 ℃、最高+1 ℃。為模擬這種施工氣溫條件，于12月5日(當天最高氣溫-4 ℃，最低氣溫-10 ℃)在室外通過人工攪拌，以水料比0.15成型了A、C兩組批的試件，記為A2、C2。成型后的試件置于試驗磨磨機室室外的平臺上，用塑料布蓋嚴并加蓋約100 mm厚的袋裝膨脹珍珠巖保溫料進行保溫保濕養(yǎng)護。遼西外加劑公司的屬地為葫蘆島市，試件成型及養(yǎng)護期的氣溫變化情況如圖1所示。

圖1 2012年12月葫蘆島市天氣氣溫變化情況

測定A2、C2在試驗條件下不同齡期的抗壓強度，結(jié)果見表4。

表4 試驗條件下的抗壓強度測試結(jié)果1)

從表4可以看出，冷水拌和的灌漿料成型后即使采用類似綜合蓄熱法的方法進行養(yǎng)護，其早期(1 d、3 d)強度的發(fā)展仍然很慢，14 d強度雖發(fā)展較好，但與標養(yǎng)28 d相比相差較多，達不到JC/T 986—2005《水泥基灌漿材料》的要求，但接近GB/T 50448—2008《水泥基灌漿材料應用技術(shù)規(guī)范》的要求。如果能按該規(guī)范的要求，確保漿料的入模溫度>10 ℃，再采用綜合蓄熱法養(yǎng)護，其抗壓強度將會有較大的提高。

3 機理分析

經(jīng)上述分析，兩個工程案例未達到預期質(zhì)量目標的原因基本相同，但表現(xiàn)的質(zhì)量現(xiàn)象卻不一致。因此，有必要從混凝土遭受凍害的基本機理出發(fā)，進行進一步的分析。

混凝土受凍害有三個必要條件：即溫度、水和混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的孔隙狀況，這三個條件缺一不可?；炷?砂漿)是一種多孔性材料，它在硬化中和硬化后形成許多大小不同的孔隙及相互連通的毛細孔通道。充滿水后，當溫度降低時，對混凝土的凍害可歸納為以下幾點：

(1)當溫度降低到0 ℃以下時，混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)毛細孔的自由水開始結(jié)冰，體積膨脹。

(2)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的凍結(jié)由表面向內(nèi)部發(fā)展，表面部位的水因結(jié)冰而膨脹，將內(nèi)部未凍結(jié)的部分水封閉并沿毛細孔通道壓向內(nèi)部。

(3)隨著凍結(jié)的發(fā)展，結(jié)冰體積越來越大，使內(nèi)部未凍水壓力越來越高，當內(nèi)部壓力增大到超過混凝土的抗拉強度時，就會把毛細孔脹破，產(chǎn)生微裂紋。

(4)水在一定壓力下，流入發(fā)生裂紋的裂縫內(nèi)，這時毛細孔內(nèi)部的凈水壓降低，破壞有所緩和，但凍結(jié)繼續(xù)向深層發(fā)展，水壓力繼續(xù)增大，致使裂紋不斷發(fā)展增多，達到一定程度后，使混凝土遭受破壞。

顯然，上述凍害機理既適用于已硬化的混凝土，也適用于硬化中混凝土的早期凍害。對于初齡期的混凝土來講，由于混凝土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)已基本形成，但并不十分堅固，因此在冬期施工中對混凝土的早期受凍要十分重視，可通過控制新澆混凝土的環(huán)境溫度、減少自由水、控制混凝土的含氣量、改變孔結(jié)構(gòu)、增加微小氣孔等措施，來提高混凝土的抗凍害性能。

冶煉廠存在的主要問題是未采取任何防凍措施，致使新澆灌漿料在終凝前遭到凍結(jié)。其主要原因是施工溫度較低，導致漿料中的自由水量增大，水料比也隨之增大，但由于漿料中的防凍組分(亞硝酸鈉)摻量一定，將導致其濃度降低，冰點提高。該工程所用漿料由人工攪拌，其水料比偏高，如以水料比為0.15計算，亞硝酸鈉溶液的濃度為9.1%，該溶液的冰點為-5 ℃，若漿料澆灌后立即降溫至-5 ℃以下，漿料即遭受凍結(jié)，致使新澆漿料早期受凍。這種情況下拌和水從液相變?yōu)楣滔嗪?，水泥的水化反應將無法繼續(xù)進行，但這種水化反應的停止是暫時的，一旦溫度恢復正溫，水化反應將繼續(xù)進行。由此說明，此情況下負溫并未破壞水泥的化學性質(zhì)，凍結(jié)對新澆漿料的影響只限于其物理性質(zhì)。

鐵廠存在的問題是未完全按冬期施工的要求施工，由于大體上采取了保溫保濕養(yǎng)護措施，澆灌漿體的溫度一開始未達到防凍劑水溶液的冰點(-5 ℃)以下，所以漿體未凍結(jié)，使水泥能夠水化，只是水化速度較慢。隨著水化的進行，部分拌和水被消耗，使得亞硝酸鈉溶液的濃度提高，進而使溶液的冰點降低。隨著這一動態(tài)過程的持續(xù)進行，在環(huán)境溫度不急驟下降時，漿料不僅不會凍結(jié)，反而會持續(xù)水化，當養(yǎng)護溫度變?yōu)檎郎貢r，水化反應會加速進行，這就是提高漿體養(yǎng)護溫度可以使強度快速發(fā)展的原因。

4 水泥基灌漿材料冬期施工應注意的一些問題

(1)將高強度等級硅酸鹽水泥或普通水泥配制的水泥基灌漿材料用于設備、設施地腳螺栓錨固、二次灌漿等工程時，常溫下施工的工程質(zhì)量比較穩(wěn)定，但在寒冷地區(qū)冬期施工時，必須嚴格按JGJ/T 104—2011《建筑工程冬期施工規(guī)程》和GB/T 50448—2008《水泥基灌漿材料應用技術(shù)規(guī)范》的要求執(zhí)行。

(2)為確保施工過程中工程質(zhì)量受控，施工前應預先制定施工計劃和作業(yè)指導書，明確每個環(huán)節(jié)的操作要點和質(zhì)量要求。

(3)選購產(chǎn)品時，要求供方提供產(chǎn)品說明書、出廠檢驗報告、出廠合格證，以便了解進廠產(chǎn)品的質(zhì)量情況，如在推薦加水量下的流動度及保塑情況、1 d和3 d抗壓強度、膨脹性等；摻有防凍劑的產(chǎn)品要清楚防凍劑的設計溫度；對進廠產(chǎn)品要實施進貨驗證或進廠檢(試)驗。

(4)產(chǎn)品采購不能過早，因為產(chǎn)品中的水泥為高強度等級水泥，其水化較快，特別是在濕度較高的地區(qū)，如果產(chǎn)品包裝防潮性不佳，水泥易在運輸和貯存過程中吸潮導致強度降低。另外，采購人員可根據(jù)未來施工的氣溫預報情況機動地調(diào)整采購產(chǎn)品的品種、型號等，使之更適合于應用。

(5)水泥基灌漿材料是水泥與集料等的預混物，使用時不能像普通混凝土那樣對其中的不同組分分別加熱，因此應保證至少在使用前一天存放于棚內(nèi)預熱，以確保用溫水拌和時能達到規(guī)范要求的入模溫度。

(6)施工前應對漿料進行試調(diào)。按出廠產(chǎn)品說明書或相關(guān)技術(shù)文件，使用擬采用的攪拌機加溫水調(diào)制漿體，并模擬實際操作時間(為確保可靠性，最好留有余地)測定漿料能滿足施工要求的流動性及保塑情況，記錄加水量、拌和水水溫及澆灌時的大致溫度等，初步確定施工工藝參數(shù)。如試調(diào)的料漿難以滿足施工要求，應及時與產(chǎn)品廠家聯(lián)系解決，不能自行增補膠凝材料、集料、外加劑等，以免在改善了某些性能的同時又損害了其他性能。

(7)按照施工計劃和技術(shù)方案，對施工操作環(huán)境(如施工棚等)實施溫度控制。漿料澆灌前，使混凝土基礎中預澆灌部位的溫度保持在10 ℃以上，并清除浮灰、雜物及積水等。

(8)拌和宜采用機械拌和的方法，按預拌和的水溫(最高溫度≯65 ℃)和加水量，先加2/3的水拌和約3 min，待料團全部打開后，再加剩余水拌和直至漿料均勻。不宜采用滾筒式混凝土攪拌機，因為此類攪拌機在攪拌過程中易引入較多的空氣，且易造成漿料粘壁，影響物料的勻質(zhì)性和對料溫的控制。拌和地點宜靠近漿料澆灌處，盡量縮短拌合料的運送距離，以便保持漿料溫度，確保漿體澆灌時的入模溫度>10 ℃。

(9)冬期施工對強度增長無特殊要求時，可采用不加熱的方法，如選擇綜合蓄熱法進行養(yǎng)護。即選用摻有早強劑或早強防凍劑的產(chǎn)品，攪拌時加熱，澆灌后利用其自身熱量及水泥水化熱量蓄熱，灌漿完畢對裸露部分及時加蓋塑料薄膜，防止水分散發(fā)，并采取適宜的保溫措施，使起始養(yǎng)護溫度≮5 ℃。同時，延緩漿體冷卻，確保漿體在溫度降到0 ℃或防凍劑的設計溫度前，其抗壓強度≮5 MPa。如果環(huán)境溫度低于水泥基灌漿材料要求的最低施工溫度或需要加快強度增長時，可用人工加熱的方法進行養(yǎng)護，如采用蒸汽養(yǎng)護法、暖棚法及電熱法等。養(yǎng)護時應采取充分的保水保濕措施，養(yǎng)護溫度須≯65 ℃。無論采用何種養(yǎng)護方法，在負溫條件下均不得澆水。

(10)拆模和養(yǎng)護時間。環(huán)境溫度不同，拆模時間和養(yǎng)護時間也應不同，應遵循YB/T 9261—98《水泥基灌漿材料施工技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定(見表5)。

表5 拆模和養(yǎng)護時間與環(huán)境溫度的關(guān)系

拆模后，漿體表面溫度與環(huán)境溫度之差>20 ℃時，應采用保溫材料覆蓋養(yǎng)護。

(11)工程驗收試塊等的留置。工程驗收應提供標養(yǎng)試塊抗壓強度數(shù)據(jù)，執(zhí)行GB/T 50448—2008《水泥基灌漿材料應用技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定。同時還應留置同條件養(yǎng)護的試件，留置組數(shù)按工程的實際需要確定，建議不少于2組。

(12)施工的其他環(huán)節(jié)，如基礎處理、模板支護、灌漿操作、漿料灌實、排氣、細部漿料處理等，均須嚴格執(zhí)行有關(guān)規(guī)范、規(guī)程等技術(shù)文件，且要嚴于常溫施工的要求，以確保冬期施工質(zhì)量。

5 結(jié)語

以高強度等級的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥為膠凝材料的水泥基灌漿材料，因其使用方便、價格便宜而被廣泛應用。該材料在寒冷地區(qū)的冬期施工較常溫施工有諸多的特殊性，施工質(zhì)量控制難度大，只有嚴格執(zhí)行相關(guān)規(guī)范和標準，細化過程質(zhì)量控制，才能保證工程質(zhì)量，達到預期的效果和目的。

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