水工混凝土低温季节施工控制技术

李卓 任小勇

(陕西省引汉济渭工程建设有限公司  陕西西安   710043)

摘要：结合引汉济渭秦岭隧洞（越岭段）出口勘探试验洞工程泄水涵洞低温季节施工，简单介绍了水工混凝土低温季节施工的施工原理、施工措施及取得的施工效果。

关键词：水工混凝土、低温季节施工、抗冻性、综合蓄热法

Construction of Hydraulic Control Technology of Concrete Under Low Temperature 

Lizhuo  Renxiaoyong

Shaanxi Province Yinhan Jiwei Engineering Construction Co.Ltd，Xi^’an ，710043，china)

Abstract  Combined with the introduction of Han Ji Wei Qinling Tunnel(Yueling Section) exit exploration test hole project spillway culvert low temperature Jijieshigong, a brief introduction of hydraulic concrete construction of low-temperature season, the construction principle, construction measures and construction to achieve results. 

Key Words  Hydraulic Concrete   Construction of low-temperature season  Frost resistance    Comprehensive Method of Heat Accumulation

1工程概况

水工混凝土施工规范规定日平均气温连续5d稳定在5℃以下或最低气温连续5d稳定在-3℃以下时，按低温季节施工。根据工期安排，引汉济渭秦岭隧洞（越岭段）出口勘探试验洞泄水涵洞工程第22～31、43～55号浇筑段混凝土施工都在低温季节进行。

2水工混凝土低温季节施工特点

水工混凝土低温季节施工的特点是通过优化混凝土的施工配合比提高混凝土自身的抗渗、抗冻性能及早期强度，并采取一定的温度控制措施保证混凝土的各种性能指标在低温环境下达到设计要求。

3施工方案

3.1施工原理

混凝土拌和物浇灌后之所以能逐渐凝结和硬化，直至获得最终性能，是由于水泥水化作用的结果。而水泥水化作用的速度除与混凝土本身组成材料和配合比有关外，主要是随着温度的高低而变化的。当温度升高时，水化作用加快，强度增长也较快；而当温度降低到0℃时，存在于混凝土中的水有一部分开始结冰，逐渐由液相（水）变为固相（水）。这时参与水泥水化作用的水减少了，因此，水化作用减慢，强度增长相应较慢。温度继续下降，当存在于混凝土中的水完全变成冰，也就是完全由液相变为固相时，水泥水化作用基本停止，此时强度就不再增长。
  水变成冰后，体积约增大9%，同时产生约2500kg/cm2的冰胀应力。这个应力值常常大于水泥石内部形成的初期强度值，使混凝土受到不同程度的破坏（即早期受冻破坏）而降低强度。此外，当水变成冰后，还会在骨料和钢筋表面上产生颗粒较大的冰凌，减弱水泥浆与骨料和钢筋的粘结力，从而影响混凝土的抗压强度。当冰凌融化后，又会在混凝土内部形成各种各样的空隙，降低混凝土的密实性及耐久性，从而影响混凝土的抗冻和抗渗性能。
　  由此可见，在低温季节混凝土施工中，水的形态变化是影响混凝土强度增长的关键。国内外许多学者对水在混凝土中的形态进行大量的试验研究结果表明，新浇混凝土在冻结前有一段预养期，可以增加其内部液相，减少固相，加速水泥的水化作用。试验研究还表明，混凝土受冻前预养期愈长，强度损失愈小。
　  混凝土化冻后（即处在正常温度条件下）继续养护，其强度还会增长，不过增长的幅度大小不一。对于预养期长，获得初期强度较高的混凝土受冻后，后期强度几乎没有损失。而对于安全预养期短，获得初期强度比较低的混凝土受冻后，后期强度都有不同程度的损失。由此可见，混凝土冻结前，要使其在正常温度下有一段预养期，以加速水泥的水化作用，使混凝土获得不遭受冻害的最低强度，一般称临界强度，，水工混凝土施工规范规定混凝土低温季节施工的临界强度为混凝土设计强度的85%。

3.2施工措施

3.2.1提高水工混凝土的抗渗性

3.2.1.1降低水灰比

混凝土是由水泥、粗细骨料和水拌制而成。根据水泥完全水化的原理。需水量只有水泥重量的25%左右，但在拌制混凝土时，为了获得必要的流动性，满足施工要求。常用较多的水，即较大的水灰比W/C。当混凝土硬化后，多余的水就被蒸发掉，形成毛细孔，用水量越大，水泥水化后留下的毛细孔越多，渗透系数也越大，降低了混凝土的密实度，增加了渗透性。如：水灰比从0.4增加至0.7，渗透系数增加100倍，甚至更多；从0.65降至0.55，渗透系数降到原来的1/3。另外，新拌制的混凝土由于用水量的增大和其他原因，和易性不好，也容易产生离析、泌水、上浮的水停留在石子或水平钢筋的下面或绕过石子、钢筋上升，形成联通孔道，水分蒸发后形成空隙，一方面影响了骨料与水泥浆体、钢筋与混凝土的粘结力，降低了混凝土的密实度和强度，另一方面，这些连通孔道也成为外界液体、有害气体侵入混凝土内部对混凝土侵蚀的捷径，降低了混凝土的耐久性。所以在拌制混凝土时，在满足技术和施工要求的情况下，尽量降低水灰比，减少用水量，增加密实度，以提高混凝土的抗渗性，降低外界不利因素对混凝土内部的侵蚀，从而提高混凝土的耐久性。

3.2.1.2掺外加剂

掺用外加剂是改善混凝土性能的最好办法。一是掺引气型的减水剂，引气型的减水剂一方面使混凝土内部产生均匀、稳定、互不相通的微小气泡，阻止了液体的渗透；另一方面也可大大减少了混凝土的用水量，由于它的分散作用而带来减水增强效果，提高了混凝土的密实度。因此，既能改善新拌混凝土的和易性，又能使硬化混凝土的抗冻融性、耐久性得到显著提高。二是掺用抗渗剂。抗渗剂在混凝土内形成胶体络合物，填充、堵塞了混凝土内部的毛细孔缝，从而提高混凝土的密实度，提高抗渗性。三是掺膨胀剂。通过掺膨胀剂发生化学反应，使混凝土产生膨胀，在外力的约束下，增加了混凝土的密实度，也可提高抗渗性。

3.2.1.3选择合适的材料

水泥标号一般不低于425#；细骨料要求砂的颗粒均匀、圆滑、质地坚硬的河砂，平均粒径为0.4㎜左右的中砂，含泥量＜3%，并含适量的粉砂；选择粗骨料最大粒径要合理，除大体积外，一般情况下5-30㎜为宜，最大粒径不超过40㎜，含泥量不超过1%，要求组织细密，颗粒整齐，质地坚硬。另外级配要优良，以改善混凝土的和易性，提高密实度，提高抗渗性。

3.2.1.4加强养护

如早期养护不好，水泥得不到正常水化，会降低混凝土的密实度，继而影响抗渗性。所以一定要加强混凝土的早期湿润养护，时间不得少于14天，以保证正常水化，增加密实度提高抗渗性。

3.2.1.5防止裂缝

混凝土建筑物中常见的裂缝有：收缩裂缝、沉降裂缝、温度裂缝等。防止收缩裂缝、沉降裂缝采取的措施有：除以上提到的1-4项外，混凝土搅拌时间要适当，浇筑时下料不要太快，防止堆积、振捣要密实，但避免过振，混凝土初凝前要抹平，终凝前要压光，压光后要及时养护，使其保持湿润。防止温度裂缝的措施有：施工时，首先要考虑矿渣水泥、粉煤灰水泥；对于大体积混凝土要用中热或低热水泥；同时在保证强度指标的情况下加入一定量的活性掺合料（如粉煤灰、矿渣微粉等），减少由于混凝土内外温差过大而产生温度裂缝，提高混凝土抗渗性。

3.2.2提高水工混凝土的抗冻性

提高混凝土的抗冻性就是提高混凝土在水饱和状态下承受反复冻融的能力。被饱和的混凝土，遭受冻融作用时，其中的可冻水变成冰，体积增大9%。冰在毛细孔中受到约束，就会产生巨大的膨胀力，使混凝土内部结构疏松，冰融化后结构再不能恢复，使混凝土遭到破坏。

目前提高混凝土抗冻性的首选方法就是在混凝土里掺入混凝土高效减水剂或引气剂。掺高效减水剂可以降低水灰比，减少可冰冻的用水量，这样可以减少因水冻成冰产生的膨胀压力；掺引气剂使混凝土内部产生大量分布均匀、互不连通的微小气泡，能容纳因混凝土内的水冻成冰而产生的巨大膨胀压力，同时还能降低水灰比，提高密实度，这样就可显著地提高混凝土的抗冻融性。

3.2.3采用综合蓄热法保证混凝土各种性能达到设计要求

采用传统方法对原材料（水、砂、石）和混凝土仓面进行加热保温，对混凝土拌和、运输和浇灌设备进行保温，使混凝土在搅拌、运输和浇灌以后，还储备有相当的热量，以使水泥水化放热较快。混凝土浇筑后，通过加热混凝土构件周围的空气，将热量传给混凝土，使混凝土处于正温条件下能正常硬化，保证了混凝土各种性能达到设计要求。

4工程实例

引汉济渭秦岭隧洞（越岭段）出口勘探试验洞工程泄水涵洞开工时间为2012年4月初，总体工期要求2014年11月主体工程达到通水条件。根据工程所在地周至县气象站多年各月平均气温（见表4-1）可知，该地区一般从先年11月开始到次年3月中旬结束符合低温季节条件。根据本工程进度计划安排，泄水涵洞第22～31、43～55号浇筑段都在低温季节进行混凝土浇筑，低温季节混凝土施工总量约为6440m³，单次最大混凝土方量为43号浇筑段，方量为354m³。混凝土为项目拌和站供料，采用地泵进行浇注。

表4-1                 周至县站多年各月平均气温表

4.1具体措施

4.1.1调整施工配合比

本项目在工地实验室对低温季节施工的C25F150混凝土配合比重新进行调整试配，施工配比主要有以下胶措施：

1、尽量降低水比：选用了水泥：粉煤灰：砂：：碎石（10-16）、（16-31.5）、（20-40）：水为280：84：687：1123：175，即水胶比为0.48的配合比。

2、稍增水泥用量，从而增加水化热量，缩短达到龄期强度的时间。

3、掺用外加剂：本配合比选用的外加剂为山西凯迪建材有限公司生产的KDNOF-5引气减水剂（粉状），掺量为1.46kg，引气型的减水剂一方面使混凝土内部产生均匀、稳定、互不相通的微小气泡，阻止了液体的渗透；另一方面也可大大减少了混凝土的用水量，由于它的分散作用而带来减水增强效果，提高了混凝土的密实度。因此，既能改善新拌混凝土的和易性，又能使硬化混凝土的抗冻融性、耐久性得到显著提高

4、原材料：水泥采用普通P.O 42.5水泥，掺用了Ⅱ级粉煤灰，碎石使用了三级配碎石，级配更加合理，提高了砂率，增强混凝土和易性。

该混凝土配合比通过了西北水利科学研究所实验中心验证，其试验结果显示： 7d抗压强度为27.3MPa，14d抗压强度为30.2MPa，28d抗压强度为33.6Mpa。满足低温季节混凝土早期强度要求高的原则；其抗冻融次数大于150次，满足设计抗冻要求。

4.1.2综合蓄热法措施

1、原材料加热保温：粗、细骨料选用干燥、不带有冰雪和冻结团块的骨料。粗、细骨料场：石子及沙子存放区搭设保温大棚以防止雨水及雪淋湿骨料从而凝结成冰块影响材料质量。对于细骨料，现场采取搭设保温棚进行区域范围初步保温、棚内用火炕的方式对每仓混凝土施工前的细骨料进行预热。粗骨料场现场只搭设保温大棚。细骨料温度控制在 15℃左右。在拌合站设置锅炉对拌和用水进行加热，水温控制在40℃左右。

2、拌和系统加热保温：拌和站及上料斗区域，采用保暖大棚将拌和机覆盖，棚内安放火炉，以保证混凝土搅拌时的温度。采用棉被包裹的方式对拌合站水泥罐和粉煤灰罐进行保温，以防止水泥罐内的水泥在外界寒冷的空气环境下产生冷凝，损坏水泥材料质量。包裹的棉被外再包裹一层塑料布，以防止冬季的雨水淋湿棉被。

3、混凝土运输浇筑系统加热保温：混凝土罐车、混凝土泵车包裹棉被等。混凝土泵车区域搭设简易保温棚并设置火炉，以减少热量在泵车操作中的损失。

4、混凝土浇筑作业面加热保温措施：混凝土浇筑前和浇筑过程中一律在仓面搭设暖棚，采用煤炉对仓内模板和钢筋进行预热，提高仓内温度，温度控制在8 ℃左右。混凝土浇筑完毕，外露部分及时覆盖薄塑料布并加盖棉被保温。在暖棚及涵洞内采用安装蒸汽管道、涵洞侧面安放火炉的措施对混凝土进行保温、保湿养护，温度控制在22℃左右，控制混凝土内外温差在20℃以内，防止温度裂缝产生。

4.2热工验算

4.2.1锅炉供热计算

拌合站采用2台额定功率为2T的蒸汽锅炉（备用一台）每小时最大产蒸汽能力为5×106kJ/h。利用系数取0.6，则实际功率为3×106kJ/h 。

1、拌和用水需求热能：

拌合用水采用地下水，水温一般为4℃，升温至40℃时，其每小时输出能力为6m³

6m³×1000kg/m³×(40℃-4℃) ×4.2kJ/ kg. ℃ =9.07×105kJ/h  

2、现场养护需求热能：

混凝土入仓温度控制在5℃以上，混凝土水化热自身温度增长最大值根据经验可知为0.1℃/m³，单仓最大混凝土浇筑量为354m³，浇筑后混凝土内部水化热的最高温度为：

5оC +354 m³×0.1оC/m³=40.4℃

混凝土表面与内部温差最大不能超过20℃，所以要求混凝土暖棚内养护温度＞40.4оC-20оC=20.4C，取养护温度为22℃。

周至县极限最低气温为-17℃。

暖棚体积为：14×8×10=1120m³，暖棚表面系数M取值0.5，暖棚结构的平均总传热系数K=1.4，散热系数α=2.5，暖棚的耗热量为：

Q=3.6MK（T1-T2）αV=3.6×0.5×1.4×（17+22）×2.5×1120=2.8×105kJ/h

锅炉能同时供给的最大管身量为=(3-0.907)×106/0.28×106≈8段（满足其它混凝土施工要求）

4.2.2、混凝土及原材料的温度参数确定

水工混凝土低温季节施工对各原材料的温度要求如下：

当水泥采用425号以上硅酸盐水泥时：水：≯60℃；骨料：≯40℃

水泥、粉煤灰、外加剂等不作要求。混凝土出机温度≮10℃,混凝土浇筑完毕到养护时的温度≮5℃   

初步选定：水：40℃， 细骨料：15℃

1、混凝土拌合好的温度：

T0=[0.9(MceTce+MsaTsa+MgTg)+4.2Tw(Mw-WsaMsa-WgMg)+C1(WsaMsaTsa+WgMgTg)-C2(WsaMsa+WgMg)]/[4.2Mw+0.9(Mce+Msa+Mg)]

式中：T0------ 拌合好的混凝土温度（ ℃ ）

Mw、Mce、Msa、Mg  ------------  水、水泥、砂、石的用量（kg）

T、Tce、Tsa 、Tg ------  水、水泥、砂、石的温度。（ ℃ ）

Wse、 Wg  -------  砂、石的含水率（%）

C1、C2 --------- 水的比热容（KJ/Kg*K）、溶解热（KJ/Kg）

当骨料温度>0 ℃时，取C1=4.2 C2=0

当骨料温度≤0 ℃ 时，取C1=2.1，C2=335

Mw:175kg  Mce:280kg  Msa:687kg  Mg:1123kg

Tw: 40 ℃, Tce : 10 ℃,  Tsa: 15 ℃,  Tg: -5 ℃

Wse:5%, Wg=0.51%

代入上式T0=19 ℃>10℃ 满足。

2、混凝土出机温度计算：

T1=T0-0.16（T0-Ti）

式中：T0 ------- 混凝土出机温度。

      Ti -------- 搅拌机棚内温度（ ℃ ）

搅拌机范围内搭设大棚，其内设置火炉。

取Ti=8 ℃

   T1=19 ℃ -0.16(19 ℃ -8 ℃)

     =17.24 ℃ >10 ℃.  满足

3、考虑混凝土的运输和浇注时间

   混凝土经运输至成型后温度计算：

   T2=T1-(αTt+0.032n)(T1-Ta)

式中： T2 ------ 混凝土运输至成型完成时的温度.(℃)

       Tt ------- 混凝土运输至成型完成时间。（h）Tt取最大值：0.6h

       n -------- 混凝土转运次数： 取n =1

       Ta ------- 运输时的环境气温 （ ℃ ） 取（-17℃)

       α --------- 温度损失系数 （h-1），采用保暖罐车，α取0.3

T2=17.24 -(0.3×0.6+0.032×1)×(17.24 +17) =9 ℃ >5 ℃

施工现场搭设保暖棚，棚内安放火炉，根据上式可知，保证棚内温度控制在8 ℃以上，即可以保证混凝土施工整过程达到5 ℃以上。

根据以上计算可知本项目低温季节施工中的混凝土质量控制的各项技术参数如下：

水温：Tw：40℃，采取锅炉加热；

细骨料：Tsa：15 ℃，采取地炕加热，大棚保暖；

粗骨料：Tg：采取大棚保暖，不考虑加热；

水泥：Tce: 采取棉被保暖，不考虑加热；

混凝土浇注时间：Tt：0.6h，Ttmax：1.1h。

拌合站大棚温度≥8℃，采用火炉加热；

现场暖棚温度：浇筑前及浇筑中≥8℃，采用火炉加热；浇筑后等于22℃，采用蒸养和火炉结合的方式。加热保温养护期≥14天

有了以上参数，那可更好的控制低温季节混凝土的施工质量。

4.3施工效果

通过混凝土外加剂的掺用、水灰比的降低、砂石料级配的合理选配以及各种保温措施的运用，在本工程已完低温季节施工混凝土中，混凝土强度、抗渗性能和抗冻性能均达到或超过了设计要求。

5结束语

综合上述，通过采取各种措施提高混凝土抗渗抗冻性能和控制好混凝土浇施工中各个环节的温度就能保证水工混凝土低温季节施工的质量。

参考文献

1  《水工混凝土施工规范》（DL/T 5144-2001）

2  《水工混凝土外加剂技术规程》(DL/T5100一1999)

3  《水工混凝土试验规程》（DL/T5150-2001） 

4  《水工混凝土砂石骨料试验规范》（DL/T5151-2001）