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)任務多、工期緊、建設(shè)與施工周期長等特點,為保證工程項目在大汛前順利投產(chǎn)或水利工程項目可以在使用中發(fā)揮預期的作用,使灌區(qū)正常灌溉,部分工程項目需要在冬季施工。在冬季,由于溫度較低,混凝土中的含水量會發(fā)生變化,從而使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,進而影響其工作性能[1]。另外,低溫還會使混凝土的水化能力明顯降低,從而影響混凝土強度,拖延施工進度、降低質(zhì)量,因此,混凝土施工是冬灌施工的重點。
在大壩和堤防等水利工程中,應用混凝土較多?;炷潦┕な芾瓚Φ挠绊?,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)計和施工過程中,將面對混凝土內(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,表面會產(chǎn)生裂隙和剝落,嚴重影響了結(jié)構(gòu)的耐久性。針對該問題,需要及時采取有效的措施,對工程項目進行規(guī)范化管理與科學化施工,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到預期。為滿足以上需求,本文將對此進行研究。
針對水利工程冬期混凝土施工項目,可按照圖1所示流程,完成施工[3]。
圖1 混凝土冬期施工流程圖
當冬期混凝土選材與配比時,選擇的水泥要經(jīng)過初凝時間、抗壓強度的測試,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,要確保當混合時其級配有較好的工作性能,而細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,應使用外加劑,并應通過試驗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,則會生成毒性氣體,因此,使用時應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)冰溫度會有所提高[5]。
當配制混凝土時,加熱水化骨料,嚴禁加熱水泥,在混凝土攪拌完成后,計算水泥漿的溫度,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,需要預先計算混凝土的溫度。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),同時也要保證混凝土材料溫度不能過高,否則會對其強度發(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。當加熱材料時,應該按照熱容先加水,再加骨料的順序。當用蒸氣加熱骨料時,要盡可能讓骨料整體同時受熱,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迅速硬化,因此絕不能進行受熱作業(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,當其溫度低于40℃時,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的方法對地基土進行保溫防凍處理。
圖2 地基土保溫防凍
在進行澆筑前,要把附在模板上的冰雪徹底清除掉,當進行解凍時,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。當澆注混凝土時,要注意避免溫度迅速降低,在有游離水的情況下,不要進行后期平整。澆筑完畢后,不要讓混凝土長期在室外曝曬或處于冷風中。采用混凝土泵施工,若輸送管道的溫度太低,則會導致流入管道內(nèi)的水泥漿局部凍結(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。當澆筑結(jié)束時,計算混凝土溫度,如公式(2)所示。
式中:T2為澆筑結(jié)束時混凝土溫度;T1為攪拌結(jié)束時混凝土的溫度;T0為周圍環(huán)境溫度;t為運輸時間。
為保證滿足混凝土澆筑強度要求,養(yǎng)護時間見表1。
表1 混凝土目標養(yǎng)護天數(shù)
在寒冷天氣的混凝土工作中,保持水分和養(yǎng)護是必不可少的。養(yǎng)護溫度、養(yǎng)護時間均與表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)護方法等來確定養(yǎng)護溫度。雖然要求最低的養(yǎng)護溫度是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,也有可能導致養(yǎng)護溫度高于20℃,在養(yǎng)護完成后要注意避免溫度驟降。養(yǎng)護完成2d后,混凝上部的溫度必須高于0℃。在養(yǎng)護過程中,應當對溫度進行管理,明確混凝土累計溫度與強度間的關(guān)聯(lián),計算累計溫度,如公式(3)所示。
式中:M為累計溫度;θ為混凝土的溫度;A為常數(shù),取值為10℃;Δt為時間。
在混凝上覆一層絕熱材料,利用水泥的水化熱效應進行保溫。該方法適合在-3℃以下的微凍期使用。若溫度較低,則須同時使用絕緣材料等制成的具有較高保溫性能的模具。當保溫養(yǎng)護時,在溫度降至0℃以下的過程中,混凝土的溫度會對強度有很大的影響,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行簡單地覆蓋,冷卻至0℃的冷卻時間要超過12h,以此提高強度。
水泥水化放熱,會導致混凝土澆筑結(jié)構(gòu)中的中心區(qū)域溫度升高。結(jié)構(gòu)中心點快速升溫后的快速降溫會使凝結(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產(chǎn)生張力,張力一旦超過絮凝劑的抗張強度,就會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂紋。因此,需要在施工中對混凝土的溫度進行控制,在此過程中,應明確溫控是指對溫度上升量、降溫速度進行控制,以防止結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不可逆的裂紋。在工程項目設(shè)計、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),對混凝土溫度應力進行細致分析。為更直觀、清晰地掌握施工中結(jié)構(gòu)溫升的變化情況,可按照圖3設(shè)計混凝土施工中的測溫點布置方式。
圖3 混凝土施工中的測溫點布置方式
通過這種方式,掌握施工中混凝土的溫度變化情況,當內(nèi)外溫差超出預設(shè)值時,需要采取技術(shù)措施,對其進行溫度控制??刂品绞桨A冷法、低發(fā)熱水泥法、保溫養(yǎng)護法。其中預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或有抑制熱效應的礦物質(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,進行結(jié)構(gòu)養(yǎng)護保溫,以此縮小混凝土內(nèi)外溫差。
在此基礎(chǔ)上,根據(jù)冬季工程項目施工的具體需求,對施工中混凝土配合比進行設(shè)計與檢驗,對混凝土中不同原材料的物理性能進行檢驗,具體內(nèi)容見表2、表3。
表2 水泥原材料檢驗(單位:MPa)
表3 細骨料原材料檢驗
按照上述步驟,對混凝土制備中其他原材料質(zhì)量進行驗收。根據(jù)工程項目的具體要求,對原材料質(zhì)量進行檢驗,檢驗結(jié)果表明,所選的混凝土制備原材料質(zhì)量均符合質(zhì)量標準。
確保相關(guān)工作符合技術(shù)規(guī)范后,應明確冬季施工后,由于氣溫較低,因此混凝土坍落度需要達到10cm~15cm,以此為標準,對混凝土質(zhì)量進行驗收,其結(jié)果如圖4所示。
圖4 混凝土坍落度的質(zhì)量驗收
從圖4可以看出,制備后的混凝土坍落度符合設(shè)計規(guī)范,能保證混凝土冬季施工可以達到預期標準。
在水利工程項目施工中大量使用混凝土結(jié)構(gòu),使其具有獨特的社會、經(jīng)濟價值。如果不重視混凝土在冬季的施工,就會對工程方與施工方造成重大的經(jīng)濟損失。目前,我國的水利工程正在進行一次大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),因此,對混凝土冬期施工進行深入研究,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,對延長建設(shè)項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。
為落實此項工作,本文進行了研究,完成設(shè)計后,以某地區(qū)大型水利工程項目為例,對施工后的質(zhì)量進行驗收,驗收后發(fā)現(xiàn)澆筑并養(yǎng)護后的混凝土無裂縫,說明該項技術(shù)施工應用效果良好。