張興旺，馮 熊

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)大學(xué)，甘肅 蘭州 730021）

高寒氣候條件下的環(huán)境溫度對土方、混凝土及鋼結(jié)構(gòu)等項目影響較大，同時高寒地區(qū)施工技術(shù)與正常條件下的施工技術(shù)差異較大，導(dǎo)致高寒地區(qū)凍融混凝土配合比設(shè)計及施工控制措施成為廣大學(xué)者研究的重點。據(jù)此，本文以高寒地區(qū)凍融混凝土配合比及施工控制展開研究，旨在為我國相關(guān)建筑人員提供理論指導(dǎo)及幫助。

1 高寒地區(qū)凍融混凝土配合比及施工控制方法分析

1.1 配合比設(shè)計

從實質(zhì)角度來看，高寒地區(qū)凍融混凝土配合比及外加劑添加主要以早期強度為核心?；炷恋蜏厥軆龅脑蚴怯捎诨炷林械乃衷谑軆鰰r會發(fā)生體積膨脹導(dǎo)致其發(fā)生破裂，據(jù)此可以推導(dǎo)出在高寒環(huán)境下混凝土的水灰比應(yīng)該是關(guān)鍵因素。不同水灰比的混凝土抗壓強度試驗結(jié)果見表1。

表1 不同水灰比的混凝土抗壓強度試驗結(jié)果

試驗中水灰比混凝土以凍融實驗后抗壓強度滿足相關(guān)工程設(shè)計需求為主，但通過試驗結(jié)果來看，上述3種水灰比混凝土經(jīng)200次凍融后相對凍彈性模量為81.1%、75%及81.2%，均滿足高寒條件下凍融混凝土需求。為進(jìn)一步探究凍融混凝土配合比抗壓強度，通過適當(dāng)添加粉煤灰進(jìn)行調(diào)配檢測，具體見表2。

表2 融入粉煤灰的混凝土抗壓強度試驗

通過上述分析可以看出，高寒地區(qū)下混凝土配合比及具體施工中除要對水灰比進(jìn)行控制外，還應(yīng)對粉煤灰進(jìn)行考慮。

1.2 外加劑

在高寒氣候條件下混凝土施工中常用外加劑主要有以下類型。

1.2.1 防凍劑

防凍劑作用機理是通過添加物的物理特性來減少混凝土的凝點，保證混凝土內(nèi)部在一定的溫度范圍內(nèi)存在大量的自由液相水，保證混凝土的水化過程，防止由于液相水的凝固而停止混凝土的水化作用，破壞混凝土內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。據(jù)此，必須保證所加入的防凍劑在一定的范圍內(nèi)。同時，要注意的是，在室外氣溫下降的時候，要適當(dāng)提高防凍劑的濃度。在高寒地區(qū)，一般使用的抗凍劑是一種可以減少水分凝結(jié)的無機鹽[1]。

1.2.2 早強劑

由于混凝土在達(dá)到臨界抗凍強度后，會受到高寒天氣的影響，所以可以在高寒地區(qū)加入適量的早強劑，以加快混凝土的早期水化和硬化速率，使混凝土早日達(dá)到甚至超越極限抗凍性。在混凝土中加入早期強化劑后，由于其化學(xué)活性加快水化反應(yīng)及混凝土的固化速度，降低混凝土在低溫環(huán)境下的損傷和影響。

1.2.3 減水劑

減水劑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體積變化，減少引起混凝土凍害的因素。同時，減少水泥用量，可以改善其強度，改善其抗凍性。

1.2.4 引氣劑

混凝土中加入的引氣劑會在混凝土中形成大量的氣泡，這些氣泡在混凝土中的分布是均勻的，這些氣泡彼此獨立，為混凝土中的水汽凝固提供一個擴張的空間，防止因濕度的增加而造成的凍脹對混凝土結(jié)構(gòu)造成損傷。同時，由于引氣劑的作用，形成一個封閉的、彼此獨立的氣泡，堵住混凝土中的毛細(xì)孔，阻止混凝土中的濕氣進(jìn)入，降低混凝土中的滲水量，增強混凝土的防滲性能。常用的引氣劑有松香熱聚物、皂莢素等。北歐和北美等國家都提出，在高寒天氣下，要在混凝土中加入加氣劑，或采用加氣混凝土，可以改善混凝土的含氣率。

1.3 施工措施

1.3.1 混凝土預(yù)熱

為使混凝土在澆筑過程中的溫度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，必須在混凝土混合之前先進(jìn)行預(yù)熱。目前，預(yù)熱方法主要是加水、集料預(yù)熱。加熱器混合水的主要做法是準(zhǔn)備一個較大的水箱，水箱應(yīng)按工程需要≥10 m3，水箱應(yīng)選用金屬材料，如果采用蒸汽加熱，可以在水箱外面安裝隔熱棉，并用鐵皮包裹，加熱時可以通過明火加熱罐體，或者用高壓電熱絲進(jìn)行加熱，水的加熱溫度通常在40~60℃左右。砂料、骨料的預(yù)熱主要是蒸汽加熱，將砂料和骨料的倉庫封閉起來，布置蒸汽加熱管，提高砂料、骨料的溫度；砂料、骨料的底部可設(shè)置加熱爐，并在砂料、骨料堆的底部設(shè)置蒸汽加熱管，并在砂堆、骨料的頂部鋪上一層帆布，在砂堆、骨料之間形成一個密閉的空間，將砂料和骨料進(jìn)行密閉，如果不能進(jìn)行砂料、骨料的密閉，也可采取覆蓋堆放的方法，將砂料、骨料覆蓋在上面，并在儲料斗中裝入蒸汽，將砂料、骨料加熱。為確?；炷恋陌韬蜏囟龋梢詫⑺囝A(yù)先儲存在大棚內(nèi)，并通過電加熱等方法來增加水泥的溫度，從而達(dá)到穩(wěn)定的混凝土溫度。

1.3.2 混凝土輸送

混凝土攪拌后的溫度隨周圍氣溫的變化而變化，其熱量容易損失，為確保其在輸送過程中的溫度，必須對其進(jìn)行保溫。采用水泥罐車進(jìn)行運輸，由于混凝土在罐車內(nèi)部密封，與外界接觸少，有利于維持溫度[2]。

1.3.3 混凝土澆筑

在混凝土澆筑過程中，由于與周圍的熱交換，導(dǎo)致大量的熱量損失，必須采取相應(yīng)的隔熱措施來降低其熱損失。在進(jìn)行混凝土澆筑之前，必須做好以下工作：清理工地上的冰塊，避免不必要的熱量損失；檢查模板外保溫措施的完整性，用鋼絲將保溫棉等保溫材料固定，以防混凝土局部凍結(jié)[3-4]。

1.4 養(yǎng)護(hù)措施

在施工期間進(jìn)行保溫是保證混凝土施工質(zhì)量的關(guān)鍵。在高寒地區(qū)采用的最多的是蓄熱法、暖棚法和蒸汽養(yǎng)護(hù)法。水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量很大，如果在混凝土上涂一層隔熱層，可以防止混凝土的入模溫度和水化熱的熱量溢出，而且還能防止外界的自然寒冷，而蓄熱法就是在混凝土的表面覆蓋一層隔熱材料[5]。

1.4.1 蓄熱法

采用蓄熱法，通過在混凝土中加入外加劑，可以在一定程度上提高混凝土的抗凍性，從而確保在一定的溫度下，保持混凝土的強度持續(xù)增長。采用一體化蓄熱技術(shù)具有操作簡便、運行費用低等特點。

1.4.2 暖棚法

暖棚法和蓄熱法的應(yīng)用范圍類似。它是利用外界的熱源來提升混凝土的養(yǎng)護(hù)溫度，使混凝土在正常的環(huán)境下得到增強。具體的施工方法是在建筑工地架設(shè)隔熱、加溫暖棚，利用蒸汽管道、暖風(fēng)機等外部熱源進(jìn)行供暖，確保大棚的溫度在0~5℃左右，以滿足混凝土在正溫環(huán)境中澆筑和養(yǎng)護(hù)。但暖棚法施工成本較高，其成本主要包括兩個部分：第一，建筑暖棚需要大量結(jié)構(gòu)及保溫材料，并與其他季節(jié)不同，且施工勞動條件良好，可確保高勞動生產(chǎn)率；第二，熱棚法是一種適合于地下建筑和混凝土構(gòu)件密集的施工方法。為確保大棚法的養(yǎng)護(hù)效果，防止由于缺乏熱量而產(chǎn)生負(fù)溫，在大棚施工中，要在具有代表性的部位設(shè)立測溫點，每天測溫不能少于4次，而且每處的溫度不能低于5℃[6]。同時，在保溫過程中要注意保持室內(nèi)的相對濕度，避免混凝土的水分流失。

1.4.3 蒸汽養(yǎng)護(hù)法

蒸汽養(yǎng)護(hù)法是以水蒸氣為外熱源，通過對新澆筑的混凝土進(jìn)行直接或間接的傳遞，使其在混凝土周邊形成一種具有一定溫度的濕潤和高溫環(huán)境，從而加速其固化。蒸汽養(yǎng)護(hù)技術(shù)的作用與水泥中的礦物組成和混合料類型有關(guān)。蒸汽養(yǎng)護(hù)方法適合于礦渣、火山灰、硅酸鹽水泥。因為鋁土礦的固化環(huán)境溫度不能超過30℃，因此不能使用蒸汽養(yǎng)護(hù)。它的優(yōu)勢為水蒸氣的含水率高、濕度大、造價低、不易引起火災(zāi)。

2 高寒地區(qū)凍融混凝土配合比設(shè)計及施工控制實踐——以西藏A項目為例

西藏A項目占地面積7 669 m2，總面積27 651 m2，建筑地下1層，地上25層，建筑高度103.6 m。項目所處地海拔高度為2 980 m，高寒氣候條件下施工周期為每年10月15日至次年4月15日。結(jié)合施工組織設(shè)計計劃，項目凍期施工組要以地下結(jié)構(gòu)施工、地下防水工程、支付工程為主。因工程中動機混凝土施工工程量較大，同時施工所處高寒地區(qū)，如何對凍融混凝土配合比設(shè)計及施工質(zhì)量控制成為此次工程亟待解決的重要問題。

2.1 凍融混凝土配合比設(shè)計及外加劑添加

2.1.1 水泥

選擇西藏一廠家生產(chǎn)的P.O42.5級水泥，按GB 175—2007《通用型硅酸鹽水泥標(biāo)準(zhǔn)》，對其比表面積、凝結(jié)時間、安定性、標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、膠砂強度等指標(biāo)進(jìn)行測試。結(jié)果符合高寒地區(qū)凍融混凝土強度、抗凍性、抗?jié)B性等標(biāo)準(zhǔn)[7]。

2.1.2 粗骨料

粗集料以西藏出產(chǎn)的細(xì)粒徑5~20 mm、20~40 mm為主要原料，對粗集料的表觀密度、泥量、泥塊含量、針狀顆粒含量、超遜徑顆粒含量等進(jìn)行測試，均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.3 細(xì)骨料

細(xì)集料為西藏出產(chǎn)的自然砂，按SL 352—2006《水工混凝土試驗規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)對細(xì)集料的表觀密度、堆積密度、泥塊含量、含泥量、孔隙率及細(xì)度模數(shù)等進(jìn)行測試，均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.4 添加劑

添加劑是西藏一家企業(yè)研制的SJ-1型導(dǎo)氣式減水劑，推薦用量為1.0%。根據(jù)GB 8076—2008《混凝土外加劑》，對減水率、泌水率、含氣量、凝結(jié)時間差、抗壓強度比等指標(biāo)進(jìn)行測試，均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 混凝土運輸保溫措施

A工程采用本地廠家供應(yīng)的商品混凝土，并與施工場地相距3 km。為保證在混凝土輸送期間采取適當(dāng)?shù)谋卮胧?，施工單位?yīng)對3條可能到達(dá)的線路進(jìn)行分析，并對其進(jìn)行合理的運輸路線設(shè)計，從而縮短運輸時間，降低運輸途中的熱量損失。同時，在最優(yōu)運輸路線遇到阻礙時，制定應(yīng)急路線，實現(xiàn)在15 min內(nèi)完成混凝土從攪拌站到工地。并對混凝土輸送車進(jìn)行相應(yīng)的改裝，在罐體外側(cè)安裝30 mm厚的隔熱棉片，以降低運輸期間的混凝土熱量損失，確?；炷恋竭_(dá)工地的溫度滿足熱工計算的要求[8]。

根據(jù)工程的熱力計算，在施工過程中，混凝土的出料點應(yīng)該在15℃以上，然后在10℃以上。在混凝土澆筑之前，將50 mm的保溫棉包裹在混凝土泵管道內(nèi)，在棉被外面包上一層彩色條布，并用鋼絲將條布捆綁牢固，實現(xiàn)降低混凝土在泵送時的熱量損失[9]。

2.3 混凝土澆筑溫控措施

澆筑前在墻、柱模板上再加10 cm的隔熱棉，四邊用鋼絲綁緊，并在澆筑之前檢查是否有疏漏。為確保澆筑的質(zhì)量，根據(jù)相關(guān)的熱力計算，在施工過程中，混凝土的出料點不小于15±2℃，下料口的入模溫度不得低于10±2℃。

混凝土澆筑時盡可能地減小在同一時間內(nèi)澆筑的工作面，當(dāng)梁、板段同時澆筑時，應(yīng)采取“趕漿法”，由一頭到另一頭進(jìn)行分段澆筑[10]?；炷翝仓髴?yīng)立即振搗致密，并應(yīng)及時進(jìn)行平整。在抹光處理結(jié)束后，應(yīng)及時進(jìn)行保溫處理，在混凝土表層溫度下降到2℃以前，先用塑料膜覆蓋，再用10 cm厚的保溫棉，以減少混凝土的直接暴露時間，并保證保溫時間不少于72 h。在澆筑施工之前，先檢查墻、柱模板覆蓋的隔熱棉，如果有遺漏，要立即進(jìn)行包扎，以免模板不覆蓋部位出現(xiàn)局部凍傷。在垂直混凝土施工之前，除在模板外面加一層隔熱棉布，還要采用外腳手架搭建一個暖棚，以避免冷風(fēng)與施工混凝土接觸面直接接觸，降低澆筑過程中的熱量損失。柱子和墻壁的混凝土必須持續(xù)進(jìn)行每隔2 h的澆筑。

2.4 保溫養(yǎng)護(hù)

在承臺處進(jìn)行混凝土澆筑時，最小的溫度不能低于－5℃，白天最低溫度在0℃以下，通過熱力學(xué)計算，可以通過蓄熱的方法來保證混凝土的強度。通過對不同工況下的試驗，結(jié)果表明，在3 d齡期混凝土試塊抗壓強度達(dá)設(shè)計強度的60%，7 d齡期混凝土試塊抗壓強度達(dá)設(shè)計強度的60%，7 d齡期混凝土試塊抗壓強度達(dá)設(shè)計強度90%以上。在此工程中，由于在高寒地區(qū)的工程箱梁部位進(jìn)行工程質(zhì)量控制，其強度為C50、水灰比W/C0.35、表面系數(shù)接近5 m-1，由于不適合進(jìn)行大棚保溫，為防止水分的快速流失，也不宜采用蒸氣養(yǎng)護(hù)，根據(jù)歷年同期氣溫變化趨勢，咨詢氣象部門得知，施工近期溫度不低于-15℃，故優(yōu)先蓄熱法養(yǎng)護(hù)。通過熱力學(xué)計算，得出在15℃以下或10℃以下的混凝土中，混凝土的冷卻時間為139.18 h，根據(jù)不同齡期的混凝土生長強度表，發(fā)現(xiàn)在139 h后，其強度可以達(dá)到設(shè)計強度60%，超過設(shè)計強度30%。

3 結(jié)束語

本文綜合高寒地區(qū)凍融混凝土配合比設(shè)計及施工質(zhì)量控制特點，結(jié)合A項目凍融混凝土配合比設(shè)計及施工質(zhì)量控制，進(jìn)行了相對全面的分析與總結(jié)，通過對相關(guān)配合比設(shè)計及質(zhì)量控制措施研究，旨在為我國高寒地區(qū)凍融混凝土施工提供理論指導(dǎo)。