高原高寒地區(qū)混凝土冬季施工技術(shù)分析與研究

柴茂林

摘? 要：本課題以青海花石峽至久治高速公路10標(biāo)項(xiàng)目為依托，對(duì)高原高寒地區(qū)混凝土冬季施工技術(shù)進(jìn)行研究，提出包含配合比確定、外加劑（防凍劑）選用、原材料預(yù)熱、混凝土運(yùn)輸保溫、混凝土澆筑溫度控制和保溫養(yǎng)護(hù)在內(nèi)的施工技術(shù)，旨在為實(shí)際施工提供技術(shù)參考，保證施工質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：高原高寒地區(qū);冬季施工;混凝土施工

中圖分類(lèi)號(hào)：TU755.8? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）07-0154-03

Abstract： Based on the 10th Standard Project of Huashixia-Jiuzhi Expressway in Qinghai Province， this paper studies the winter construction technology of concrete in the alpine area of the plateau. This paper puts forward the construction technology including determination of mix ratio， selection of admixture （antifreeze）， preheating of raw materials， concrete transportation and heat preservation， concrete pouring temperature control and heat preservation maintenance， in order to provide technical reference for actual construction and ensure construction quality.

Keywords： plateau cold area; winter construction; concrete construction

如今的公路橋隧工程建設(shè)地區(qū)條件越來(lái)越復(fù)雜，尤其是在高原高寒地區(qū)中，如果控制不到位，將使混凝土受凍而產(chǎn)生凍害，產(chǎn)生質(zhì)量問(wèn)題甚至是事故。因此，在這種復(fù)雜條件下，應(yīng)選擇合理可行的施工技術(shù)措施。

1 高原高寒地區(qū)冬季混凝土施工配合比確定

低溫條件下混凝土受凍產(chǎn)生機(jī)理為混凝土中的水凍結(jié)導(dǎo)致體積增加，使結(jié)構(gòu)破壞。對(duì)此，在高原高寒地區(qū)冬季混凝土施工中，必須高度重視水灰比控制。實(shí)踐表明，當(dāng)水灰比降低時(shí)，混凝土自身抗凍性增強(qiáng)?，F(xiàn)行的施工規(guī)程規(guī)定冬季施工中水灰比應(yīng)控制在0.55以?xún)?nèi)，工程實(shí)踐中，實(shí)際水灰比應(yīng)比這一規(guī)定值低很多。為了使混凝土具有良好坍落度，當(dāng)施工在高原高寒地區(qū)的冬季進(jìn)行時(shí)，需要添加一定量減水劑，以此降低混凝土的水灰比[1]。

對(duì)0.40、0.44與0.48三種水灰比的混凝土實(shí)施抗凍性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果為：水灰比為0.40的混凝土，其水泥用量350kg/m3、水用量140kg/m3、砂用量724kg/m3、粗骨料用量1183kg/m3、減水劑用量1.1%，經(jīng)測(cè)試，其200次凍融循環(huán)后，抗壓強(qiáng)度為47.1MPa;水灰比為0.44的混凝土，其水泥用量350kg/m3、水用量154kg/m3、砂用量720kg/m3、粗骨料用量1176kg/m3、減水劑用量0.67%，經(jīng)測(cè)試，其200次凍融循環(huán)后，抗壓強(qiáng)度為38.2MPa;水灰比為0.48的混凝土，其水泥用量350kg/m3、水用量168kg/m3、砂用量715.2kg/m3、粗骨料用量1167kg/m3、減水劑用量0.5%，經(jīng)測(cè)試，其200次凍融循環(huán)后，抗壓強(qiáng)度為33.6MPa。

雖然本次試驗(yàn)所得抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到工程設(shè)計(jì)要求，但這三種混凝土的彈性模量均不足60%，分別為52.1%、36.0%與21.2%，無(wú)法滿(mǎn)足在高原高寒地區(qū)冬季進(jìn)行混凝土施工的要求，還要對(duì)水灰比做進(jìn)一步調(diào)整[2]。

對(duì)0.36、0.39與0.42三種水灰比的混凝土實(shí)施抗凍性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果為：水灰比為0.36的混凝土，其水泥用量370kg/m3、水用量133kg/m3、砂用量635kg/m3、粗骨料用量1210kg/m3、減水劑用量2.96kg/m3，7d與28d抗壓強(qiáng)度分別為24.3MPa、39.0MPa;水灰比為0.39的混凝土，其水泥用量362kg/m3、水用量141kg/m3、砂用量640kg/m3、粗骨料用量1241kg/m3、減水劑用量2.90kg/m3，7d與28d抗壓強(qiáng)度分別為23.9MPa、37.5MPa;水灰比為0.42的混凝土，其水泥用量357kg/m3、水用量150kg/m3、砂用量648kg/m3、粗骨料用量1252kg/m3、減水劑用量2.86kg/m3，7d與28d抗壓強(qiáng)度分別為21.2MPa、36.2MPa。

以上三種混凝土的強(qiáng)度都可以滿(mǎn)足工程的設(shè)計(jì)要求，混凝土經(jīng)凍融循環(huán)后，其質(zhì)量分別產(chǎn)生3.6%、3.9%和4.1%的損失，彈性模量均能達(dá)到60%以上，分別為81%、75%與70%。之后通過(guò)經(jīng)濟(jì)成本測(cè)算，由于水灰比為0.39的混凝土其水泥用量相對(duì)較少，具有最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，所以可將其視作最優(yōu)的選擇[3]。

資料顯示，如果水灰比在0.27以?xún)?nèi)，則混凝土中即便沒(méi)有摻加減水劑和引氣劑，它的抗凍性能依然良好。然而，在高原高寒地區(qū)冬季進(jìn)行混凝土施工時(shí)，不僅要對(duì)水灰比進(jìn)行嚴(yán)格控制，還應(yīng)摻入適量的粉煤灰。

2 高原高寒地區(qū)冬季混凝土施工外加劑選用

在高原高寒地區(qū)冬季進(jìn)行混凝土施工時(shí)，避免混凝土產(chǎn)生凍害的有效措施之一為保證混凝土自身早期強(qiáng)度，摻加外加劑則是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的主要方式，尤其是在復(fù)雜的高原高寒地區(qū)。通過(guò)對(duì)外加劑的添加，首先能降低水凝結(jié)點(diǎn)，保證混凝土自身早期強(qiáng)度，減少混凝土攪拌過(guò)程中用水量，防止混凝土產(chǎn)生凍害，保證在高原高寒地區(qū)混凝土冬季施工的整體性;其次外加劑的摻入操作十分簡(jiǎn)單，基本無(wú)需采用其它設(shè)施設(shè)備[4]。

高原高寒地區(qū)中，混凝土最常用也是最重要的外加劑為防凍劑，其作用原理為降低水的凝結(jié)點(diǎn)，確保負(fù)溫條件下混凝土中依然有足夠量的處于游離態(tài)的液相水，使水化作用能夠順利完成，防止液相水發(fā)生凝結(jié)導(dǎo)致水化作用終止，或?qū)σ呀?jīng)成型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成破壞。為了使混凝土中始終有足夠量促進(jìn)水化作用順利完成的液相水，不僅要摻入防凍劑，還要保證其濃度滿(mǎn)足要求。另外也要注意，防凍劑實(shí)際濃度應(yīng)伴隨外界溫度不斷降低進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。如今在高原高寒地區(qū)最常用的防凍劑為無(wú)機(jī)鹽類(lèi)，如氯化鈉、氯化鈣、亞硝酸鈉、硝酸鈣等，其物理性能為：

（1）氯化鈉：其最低共熔點(diǎn)為-21.1℃，濃度為30.1g/100g水。

（2）氯化鈣：其最低共熔點(diǎn)為-28.0℃，濃度為78.6g/100g水。

（3）亞硝酸鈉：其最低共熔點(diǎn)為-19.6℃，濃度為61.3g/100g水。

（4）硝酸鈣：其最低共熔點(diǎn)為-28.0℃，濃度為78.6g/100g水。

3 高原高寒地區(qū)冬季混凝土施工溫度控制

3.1 原材料預(yù)熱

為使?jié)仓^(guò)程中混凝土實(shí)際溫度滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范的要求，應(yīng)在拌和開(kāi)始前對(duì)不同的原材料實(shí)施預(yù)熱。這一方面常用方式包括對(duì)拌和水進(jìn)行加熱和對(duì)骨料進(jìn)行預(yù)熱。其中，前者需設(shè)置制備大體積水罐，其容積以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況為依據(jù)確定，罐體材質(zhì)以金屬材質(zhì)為宜，若利用蒸汽進(jìn)行加熱，則需在罐體外部覆蓋保溫棉，也可使用白鐵皮進(jìn)行包面密封。原材料預(yù)熱方式以蒸汽加熱為主，先對(duì)工棚予以密封，再鋪設(shè)管道，充分利用蒸汽來(lái)提高原材料的溫度;另外，也可在料堆的下方采用加熱溫床，在溫床中敷設(shè)管道，同時(shí)在頂部覆蓋一層帆布，以此形成一個(gè)完全密封的空間，對(duì)原材料實(shí)施集中加熱，達(dá)到預(yù)期的加熱效果;若工棚無(wú)法密封，則可對(duì)原材料實(shí)施覆蓋堆放，在料堆的表面覆蓋一層保溫棉，同時(shí)在儲(chǔ)料斗中設(shè)置氣盤(pán)管，最后利用蒸汽或鍋爐高溫?zé)犸L(fēng)對(duì)原材料實(shí)施加熱。為了達(dá)到要求的拌和溫度，可在暖棚內(nèi)臨時(shí)存儲(chǔ)水泥，用電暖器對(duì)水泥進(jìn)行加熱，以確保水泥始終處在正溫[5]。

3.2 運(yùn)輸保溫

混凝土拌和完成后，其溫度和環(huán)境溫度之間有直接關(guān)系，熱量很容易流失，此時(shí)為了滿(mǎn)足澆筑施工對(duì)溫度的要求，必須對(duì)運(yùn)輸環(huán)節(jié)做保溫處理?，F(xiàn)在最常用的保溫方式包括下列四種：其一，利用專(zhuān)門(mén)的罐車(chē)對(duì)混凝土實(shí)施運(yùn)輸，罐車(chē)中的空間是一個(gè)密閉空間，和外界之間的接觸很少，可使溫度保持不變;其二，罐車(chē)罐體往往覆蓋有保溫材料，能減少運(yùn)輸時(shí)溫度的降低;其三，對(duì)運(yùn)輸時(shí)間進(jìn)行嚴(yán)格控制，一般不能超出30min;其四，適當(dāng)加熱，當(dāng)使用汽車(chē)泵時(shí)，需將送料管和蒸汽管纏繞到一起進(jìn)行加熱[6]。

3.3 澆筑溫度控制

澆筑施工中，混凝土將和環(huán)境產(chǎn)生熱交換，產(chǎn)生極大的熱量損失，對(duì)此，必須采取有效措施避免熱量大量流失。澆筑開(kāi)始前，需要做好各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，如：對(duì)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的冰雪進(jìn)行清理;對(duì)模板外部所有保溫措施是否到位進(jìn)行檢查，用鐵絲對(duì)保溫材料予以固定，避免由于保溫措施沒(méi)有到位導(dǎo)致混凝土受凍;在必要的情況下，還可以在模板的內(nèi)部設(shè)置電暖器。在高原高寒地區(qū)冬季進(jìn)行混凝土澆筑時(shí)，應(yīng)盡可能縮短混凝土直接暴露于空氣的時(shí)間，對(duì)此可采用以下做法：減少同時(shí)澆筑施工作業(yè)面，采用流水作業(yè)方式對(duì)不同的部位實(shí)施澆筑;澆筑完成后立即進(jìn)行振搗，并及時(shí)將混凝土表面抹平[7]。另外，還要采取有效措施進(jìn)行保溫，在覆蓋一層塑料布后立即加蓋保溫篷布。在混凝土出機(jī)時(shí)，混凝土的溫度應(yīng)達(dá)到15℃以上，入模時(shí)，混凝土的溫度應(yīng)達(dá)到10℃以上。

3.4 保溫養(yǎng)護(hù)

高原高寒地區(qū)冬季混凝土施工中混凝土自身性能改變時(shí)間以水泥水化與硬化兩個(gè)階段為主，對(duì)此，養(yǎng)護(hù)時(shí)的保溫是對(duì)混凝土質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格控制的關(guān)鍵。保溫養(yǎng)護(hù)方法有很多，目前較為常用的有蓄熱法、綜合蓄熱法、暖棚法與蒸汽養(yǎng)護(hù)法。

水泥發(fā)生水化反應(yīng)時(shí)，將產(chǎn)生很大的熱能，若能在混凝土表面覆蓋一層保溫材料，則能良好的保證入模溫度，避免水化熱散失，并且保溫材料還能防止低溫侵襲，對(duì)于蓄熱法，就是指在混凝土表面加蓋適宜的保溫材料來(lái)實(shí)現(xiàn)保溫養(yǎng)護(hù)。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)為工藝簡(jiǎn)單和成本低廉，能在降低成本的同時(shí)使混凝土順利硬化，減小最終強(qiáng)度產(chǎn)生的損失，成型后的耐久性能和在常溫條件進(jìn)行施工時(shí)沒(méi)有太大差距。該方法無(wú)需使用外部熱源，雖然節(jié)能環(huán)保，但強(qiáng)度增長(zhǎng)速度相對(duì)較慢，所以適用于強(qiáng)度較高的混凝土。另外，由于該方法還會(huì)受到環(huán)境氣溫及具體工程部位等因素的影響，所以它的使用范圍并不廣泛。

對(duì)于綜合蓄熱法，它將蓄熱法作為基礎(chǔ)，充分利用水泥在水化反應(yīng)中產(chǎn)生的熱量來(lái)養(yǎng)護(hù)，同時(shí)在混凝土拌和過(guò)程中摻加適量的外加劑，確?；炷量梢暂^快達(dá)到要求的臨界強(qiáng)度，使混凝土即便在負(fù)溫條件下也能確保強(qiáng)度不斷增長(zhǎng)。該方法的主要優(yōu)勢(shì)為工藝簡(jiǎn)單和成本低廉，而適用范圍和普通的蓄熱法基本相同。

暖棚法則和蓄熱法完全不同，它利用外部熱源使養(yǎng)護(hù)溫度升高，使混凝土可以在正溫條件下不斷增加強(qiáng)度。其具體做法為：在現(xiàn)場(chǎng)搭設(shè)暖棚，在棚內(nèi)利用外部熱源進(jìn)行供熱，使溫度保持在0-5℃范圍內(nèi)，使混凝土處于正溫條件。通過(guò)對(duì)暖棚法的應(yīng)用，能使?jié)仓宛B(yǎng)護(hù)都在正溫條件下實(shí)施，和其它季節(jié)施工沒(méi)有明顯差異，具有良好的施工作業(yè)條件，可保證正常的勞動(dòng)效率;然而，該方法的成本較高，包含以下兩個(gè)方面：第一，暖棚的搭設(shè)需要使用大量材料;第二，外部熱源需要消耗大量能源。為使暖棚法的應(yīng)用達(dá)到理想養(yǎng)護(hù)效果，防止由于供暖不足使棚內(nèi)產(chǎn)生負(fù)溫，利用這一方法進(jìn)行養(yǎng)護(hù)的過(guò)程中，需要在選擇適宜的測(cè)點(diǎn)后，按每天至少四次的頻率進(jìn)行測(cè)溫，要求所有測(cè)點(diǎn)的實(shí)際溫度都達(dá)到5℃以上。另外，采用該方法時(shí)還應(yīng)注意保持棚內(nèi)濕度，以免混凝土失水[8]。

蒸汽養(yǎng)護(hù)法是指將蒸汽作為養(yǎng)護(hù)的外部熱源，向混凝土直接或間接的輸送蒸汽，使混凝土的周?chē)梢孕纬闪己脺囟拳h(huán)境，促進(jìn)混凝土硬化。該方法的應(yīng)用效果與水泥熟料主要礦物成分有關(guān)，適用于火山灰硅酸鹽水泥與礦渣硅酸鹽水泥;對(duì)于礬土水泥，因硬化環(huán)境溫度應(yīng)控制在30℃以?xún)?nèi)，所以不建議使用這一方法;除此之外，該方法還不能使用在摻加有氯鹽與引氣劑的混凝土。該方法主要優(yōu)點(diǎn)為蒸汽具有很高的含熱量，且濕度也很大，成本低，不容易引發(fā)火災(zāi);但也存在以下缺點(diǎn)：溫濕度很難保持穩(wěn)定和均勻，在這種情況下混凝土的最終強(qiáng)度將明顯降低，并且蒸汽容易發(fā)生彌散，導(dǎo)致對(duì)熱能的實(shí)際利用率相對(duì)較低，在現(xiàn)場(chǎng)需要敷設(shè)大量的管道，使現(xiàn)場(chǎng)施工與管理難度加大。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在高原高寒地區(qū)冬季混凝土施工中，需要高度重視并做好配合比的確定、外加劑（防凍劑）的選用、原材料預(yù)熱、混凝土運(yùn)輸保溫、混凝土澆筑溫度控制和保溫養(yǎng)護(hù)，以避免混凝土受凍產(chǎn)生凍害，保證高原高寒地區(qū)冬季混凝土施工質(zhì)量。

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