韓小東
(內(nèi)蒙古卓泰水利水電工程有限公司,內(nèi)蒙古 赤峰 024000)
水利工程大多具有建設(shè)任務(wù)多、工期緊、建設(shè)與施工周期長(zhǎng)等特點(diǎn),為保證工程項(xiàng)目在大汛前順利投產(chǎn)或水利工程項(xiàng)目可以在使用中發(fā)揮預(yù)期的作用,使灌區(qū)正常灌溉,部分工程項(xiàng)目需要在冬季施工。在冬季,由于溫度較低,混凝土中的含水量會(huì)發(fā)生變化,從而使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,進(jìn)而影響其工作性能[1]。另外,低溫還會(huì)使混凝土的水化能力明顯降低,從而影響混凝土強(qiáng)度,拖延施工進(jìn)度、降低質(zhì)量,因此,混凝土施工是冬灌施工的重點(diǎn)。
在大壩和堤防等水利工程中,應(yīng)用混凝土較多?;炷潦┕な芾瓚?yīng)力的影響,硬化后的混凝土呈現(xiàn)明顯的脆性。為保證混凝土的抗拉性能和整體穩(wěn)定,上部結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)和施工過程中,將面對(duì)混凝土內(nèi)部水化作用引起的溫升和收縮開裂等問題[2]。在嚴(yán)寒氣候條件下,凝結(jié)層上部結(jié)構(gòu)受水季節(jié)的影響,表面會(huì)產(chǎn)生裂隙和剝落,嚴(yán)重影響了結(jié)構(gòu)的耐久性。針對(duì)該問題,需要及時(shí)采取有效的措施,對(duì)工程項(xiàng)目進(jìn)行規(guī)范化管理與科學(xué)化施工,控制施工中原材料的質(zhì)量,規(guī)范施工行為與施工過程,才能保證混凝土冬季施工可以達(dá)到預(yù)期。為滿足以上需求,本文將對(duì)此進(jìn)行研究。
針對(duì)水利工程冬期混凝土施工項(xiàng)目,可按照?qǐng)D1所示流程,完成施工[3]。
圖1 混凝土冬期施工流程圖
當(dāng)冬期混凝土選材與配比時(shí),選擇的水泥要經(jīng)過初凝時(shí)間、抗壓強(qiáng)度的測(cè)試,通常選擇普通的硅酸鹽水泥,粗骨料的選擇要以與之相適應(yīng)的鵝卵石為主,最大尺寸不超過鋼筋最小間距的1/4,必須<40mm,要確保當(dāng)混合時(shí)其級(jí)配有較好的工作性能,而細(xì)骨料最好是中粗砂或粗砂。拌合上水灰比選用0.5~0.6,為改善拌合上的和易性,應(yīng)使用外加劑,并應(yīng)通過試驗(yàn)來決定所用的摻合料、摻入量及摻合次序。
快干水泥是一種較好的施工材料,可根據(jù)不同的條件,選用材料,還可以采用速凝劑,但在混凝上不能用帶有氯離子的材料[4]。此外,可以將不含氯、不含堿的抗凍劑作為寒冷地區(qū)混凝土施工的專用外加劑。防凍劑由亞硝酸類和硝酸類組成,根據(jù)有無減水效果,可分為I型和II型。II型常與AE類減水劑等配制而成,如果與含硫類化合物的外加劑發(fā)生反應(yīng),則會(huì)生成毒性氣體,因此,使用時(shí)應(yīng)注意與外加劑的兼容性。在新拌混凝土中加入抗凍劑,加入抗凍劑后,混凝土的結(jié)冰溫度會(huì)有所提高[5]。
當(dāng)配制混凝土?xí)r,加熱水化骨料,嚴(yán)禁加熱水泥,在混凝土攪拌完成后,計(jì)算水泥漿的溫度,如公式(1)所示。
式中:T為混凝土攪拌完成后水泥漿的溫度;Ta為骨料溫度;Wa為骨料質(zhì)量;Tc為水泥溫度;Wc為水質(zhì)量;Tm為水溫度;Wm為水質(zhì)量。
在混凝土的制備過程中,需要預(yù)先計(jì)算混凝土的溫度。必須考慮輸送過程中混凝材料的熱損失,保證混凝材料具有足夠的溫度,避免過早凝結(jié),同時(shí)也要保證混凝土材料溫度不能過高,否則會(huì)對(duì)其強(qiáng)度發(fā)展產(chǎn)生不利影響[6]。隨著新拌混凝土處理溫度升高,新拌混凝土處理效果下降,熱收縮增加。當(dāng)加熱材料時(shí),應(yīng)該按照熱容先加水,再加骨料的順序。當(dāng)用蒸氣加熱骨料時(shí),要盡可能讓骨料整體同時(shí)受熱,受熱的溫度要保持一致,不能讓局部的含水量有變化。由于水泥在受熱后會(huì)迅速硬化,因此絕不能進(jìn)行受熱作業(yè)。在使用攪拌器前,必須將高溫水化的骨料與混凝土攪拌在一起,當(dāng)其溫度低于40℃時(shí),才能加入水泥[7]。
混凝土不能澆筑在凍結(jié)的路基或混凝土地基表面,可采用圖2的方法對(duì)地基土進(jìn)行保溫防凍處理。
圖2 地基土保溫防凍
在進(jìn)行澆筑前,要把附在模板上的冰雪徹底清除掉,當(dāng)進(jìn)行解凍時(shí),可以采用蒸氣解凍的方法,并且要注意防止解凍部位再次結(jié)冰。當(dāng)澆注混凝土?xí)r,要注意避免溫度迅速降低,在有游離水的情況下,不要進(jìn)行后期平整。澆筑完畢后,不要讓混凝土長(zhǎng)期在室外曝曬或處于冷風(fēng)中。采用混凝土泵施工,若輸送管道的溫度太低,則會(huì)導(dǎo)致流入管道內(nèi)的水泥漿局部?jī)鼋Y(jié)[8]。因此,在建設(shè)過程中,必須采用保溫或加熱水的方法來加熱管線。當(dāng)澆筑結(jié)束時(shí),計(jì)算混凝土溫度,如公式(2)所示。
式中:T2為澆筑結(jié)束時(shí)混凝土溫度;T1為攪拌結(jié)束時(shí)混凝土的溫度;T0為周圍環(huán)境溫度;t為運(yùn)輸時(shí)間。
為保證滿足混凝土澆筑強(qiáng)度要求,養(yǎng)護(hù)時(shí)間見表1。
表1 混凝土目標(biāo)養(yǎng)護(hù)天數(shù)
在寒冷天氣的混凝土工作中,保持水分和養(yǎng)護(hù)是必不可少的。養(yǎng)護(hù)溫度、養(yǎng)護(hù)時(shí)間均與表1中的暴露狀態(tài)A相同。要結(jié)合混凝材料的配合比、外部空氣的溫度、構(gòu)件的截面尺寸以及養(yǎng)護(hù)方法等來確定養(yǎng)護(hù)溫度。雖然要求最低的養(yǎng)護(hù)溫度是5℃,但很冷的情況下或者材料很薄的情況下,最好為10℃。此外,斷面很厚或受到水化熱的影響,也有可能導(dǎo)致養(yǎng)護(hù)溫度高于20℃,在養(yǎng)護(hù)完成后要注意避免溫度驟降。養(yǎng)護(hù)完成2d后,混凝上部的溫度必須高于0℃。在養(yǎng)護(hù)過程中,應(yīng)當(dāng)對(duì)溫度進(jìn)行管理,明確混凝土累計(jì)溫度與強(qiáng)度間的關(guān)聯(lián),計(jì)算累計(jì)溫度,如公式(3)所示。
式中:M為累計(jì)溫度;θ為混凝土的溫度;A為常數(shù),取值為10℃;Δt為時(shí)間。
在混凝上覆一層絕熱材料,利用水泥的水化熱效應(yīng)進(jìn)行保溫。該方法適合在-3℃以下的微凍期使用。若溫度較低,則須同時(shí)使用絕緣材料等制成的具有較高保溫性能的模具。當(dāng)保溫養(yǎng)護(hù)時(shí),在溫度降至0℃以下的過程中,混凝土的溫度會(huì)對(duì)強(qiáng)度有很大的影響,因此,要注意不能將澆筑溫度設(shè)定太低。在最低氣溫接近-15℃的情況下,也要考慮使用抗凍劑。在混凝土表面用薄板或保溫薄板進(jìn)行簡(jiǎn)單地覆蓋,冷卻至0℃的冷卻時(shí)間要超過12h,以此提高強(qiáng)度。
水泥水化放熱,會(huì)導(dǎo)致混凝土澆筑結(jié)構(gòu)中的中心區(qū)域溫度升高。結(jié)構(gòu)中心點(diǎn)快速升溫后的快速降溫會(huì)使凝結(jié)水體積縮小,如果體積縮小受到基層約束,那么在絮凝劑上就會(huì)產(chǎn)生張力,張力一旦超過絮凝劑的抗張強(qiáng)度,就會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂紋。因此,需要在施工中對(duì)混凝土的溫度進(jìn)行控制,在此過程中,應(yīng)明確溫控是指對(duì)溫度上升量、降溫速度進(jìn)行控制,以防止結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不可逆的裂紋。在工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工的過程中,通常需要考慮環(huán)境條件和施工條件等有關(guān)因素,并以此為依據(jù),對(duì)混凝土溫度應(yīng)力進(jìn)行細(xì)致分析。為更直觀、清晰地掌握施工中結(jié)構(gòu)溫升的變化情況,可按照?qǐng)D3設(shè)計(jì)混凝土施工中的測(cè)溫點(diǎn)布置方式。
圖3 混凝土施工中的測(cè)溫點(diǎn)布置方式
通過這種方式,掌握施工中混凝土的溫度變化情況,當(dāng)內(nèi)外溫差超出預(yù)設(shè)值時(shí),需要采取技術(shù)措施,對(duì)其進(jìn)行溫度控制??刂品绞桨A(yù)冷法、低發(fā)熱水泥法、保溫養(yǎng)護(hù)法。其中預(yù)冷是指可以用冰凍的骨料與水混合、用薄冰塊混合等方法來降低混凝土拌合溫度的方法。低發(fā)熱水泥法是指采用低水合物熱效應(yīng)或有抑制熱效應(yīng)的礦物質(zhì)摻合料代替原有的水泥材料,其中波特蘭水泥是目前應(yīng)用最廣泛的一種水泥,這種水泥由鐵素體與粉煤灰體混合制成。在施工中,絮凝劑層數(shù)越厚,每層的澆注間距越短,升溫幅度越大,因此,可以通過控制絮凝劑層數(shù)和澆注間距的方式來降低升溫幅度。保溫養(yǎng)護(hù)法是指在寒冷的氣候條件下,混凝土的內(nèi)部和外部溫度相差很大,很容易造成混凝土表層開裂。為避免產(chǎn)生裂縫,在澆筑的混凝土上鋪設(shè)或增加絕緣類材料,輔助電熱墊的方式,進(jìn)行結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)保溫,以此縮小混凝土內(nèi)外溫差。
在此基礎(chǔ)上,根據(jù)冬季工程項(xiàng)目施工的具體需求,對(duì)施工中混凝土配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)與檢驗(yàn),對(duì)混凝土中不同原材料的物理性能進(jìn)行檢驗(yàn),具體內(nèi)容見表2、表3。
表2 水泥原材料檢驗(yàn)(單位:MPa)
表3 細(xì)骨料原材料檢驗(yàn)
按照上述步驟,對(duì)混凝土制備中其他原材料質(zhì)量進(jìn)行驗(yàn)收。根據(jù)工程項(xiàng)目的具體要求,對(duì)原材料質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn),檢驗(yàn)結(jié)果表明,所選的混凝土制備原材料質(zhì)量均符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。
確保相關(guān)工作符合技術(shù)規(guī)范后,應(yīng)明確冬季施工后,由于氣溫較低,因此混凝土坍落度需要達(dá)到10cm~15cm,以此為標(biāo)準(zhǔn),對(duì)混凝土質(zhì)量進(jìn)行驗(yàn)收,其結(jié)果如圖4所示。
圖4 混凝土坍落度的質(zhì)量驗(yàn)收
從圖4可以看出,制備后的混凝土坍落度符合設(shè)計(jì)規(guī)范,能保證混凝土冬季施工可以達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。
在水利工程項(xiàng)目施工中大量使用混凝土結(jié)構(gòu),使其具有獨(dú)特的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)價(jià)值。如果不重視混凝土在冬季的施工,就會(huì)對(duì)工程方與施工方造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。目前,我國(guó)的水利工程正在進(jìn)行一次大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),因此,對(duì)混凝土冬期施工進(jìn)行深入研究,避免在混凝士冬期施工過程中產(chǎn)生問題,有助于工程業(yè)主方、技術(shù)方和管理方更好地了解混凝土冬期施工的方法。在規(guī)范混凝土施工過程中,保證混凝土材料在施工過程中的可靠性,對(duì)延長(zhǎng)建設(shè)項(xiàng)目與建造工程的使用壽命、縮短施工周期具有十分重要的意義。
為落實(shí)此項(xiàng)工作,本文進(jìn)行了研究,完成設(shè)計(jì)后,以某地區(qū)大型水利工程項(xiàng)目為例,對(duì)施工后的質(zhì)量進(jìn)行驗(yàn)收,驗(yàn)收后發(fā)現(xiàn)澆筑并養(yǎng)護(hù)后的混凝土無裂縫,說明該項(xiàng)技術(shù)施工應(yīng)用效果良好。