高原高寒地区混凝土冬季施工技术分析与研究

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　　摘  要：本课题以青海花石峡至久治高速公路10标项目为依托，对高原高寒地区混凝土冬季施工技术进行研究，提出包含配合比确定、外加剂（防冻剂）选用、原材料预热、混凝土运输保温、混凝土浇筑温度控制和保温养护在内的施工技术，旨在为实际施工提供技术参考，保证施工质量。
　　关键词：高原高寒地区;冬季施工;混凝土施工
　　中图分类号：TU755.8       文献标志码：A        文章编号：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
　　如今的公路桥隧工程建设地区条件越来越复杂，尤其是在高原高寒地区中，如果控制不到位，将使混凝土受冻而产生冻害，产生质量问题甚至是事故。因此，在这种复杂条件下，应选择合理可行的施工技术措施。
　　1 高原高寒地区冬季混凝土施工配合比确定
　　低温条件下混凝土受冻产生机理为混凝土中的水冻结导致体积增加，使结构破坏。对此，在高原高寒地区冬季混凝土施工中，必须高度重视水灰比控制。实践表明，当水灰比降低时，混凝土自身抗冻性增强。现行的施工规程规定冬季施工中水灰比应控制在0.55以内，工程实践中，实际水灰比应比这一规定值低很多。为了使混凝土具有良好坍落度，当施工在高原高寒地区的冬季进行时，需要添加一定量减水剂，以此降低混凝土的水灰比[1]。
　　对0.40、0.44与0.48三种水灰比的混凝土实施抗冻性能测试，测试结果为：水灰比为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、减水剂用量1.1%，经测试，其200次冻融循环后，抗压强度为47.1MPa;水灰比为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、减水剂用量0.67%，经测试，其200次冻融循环后，抗压强度为38.2MPa;水灰比为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、减水剂用量0.5%，经测试，其200次冻融循环后，抗压强度为33.6MPa。
　　虽然本次试验所得抗压强度可以达到工程设计要求，但这三种混凝土的弹性模量均不足60%，分别为52.1%、36.0%与21.2%，无法满足在高原高寒地区冬季进行混凝土施工的要求，还要对水灰比做进一步调整[2]。
　　对0.36、0.39与0.42三种水灰比的混凝土实施抗冻性能测试，测试结果为：水灰比为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、减水剂用量2.96kg/m3，7d与28d抗压强度分别为24.3MPa、39.0MPa;水灰比为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、减水剂用量2.90kg/m3，7d与28d抗压强度分别为23.9MPa、37.5MPa;水灰比为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、减水剂用量2.86kg/m3，7d与28d抗压强度分别为21.2MPa、36.2MPa。
　　以上三种混凝土的强度都可以满足工程的设计要求，混凝土经冻融循环后，其质量分别产生3.6%、3.9%和4.1%的损失，弹性模量均能达到60%以上，分别为81%、75%与70%。之后通过经济成本测算，由于水灰比为0.39的混凝土其水泥用量相对较少，具有最优的经济指标，所以可将其视作最优的选择[3]。
　　资料显示，如果水灰比在0.27以内，则混凝土中即便没有掺加减水剂和引气剂，它的抗冻性能依然良好。然而，在高原高寒地区冬季进行混凝土施工时，不仅要对水灰比进行严格控制，还应掺入适量的粉煤灰。
　　2 高原高寒地区冬季混凝土施工外加剂选用
　　在高原高寒地区冬季进行混凝土施工时，避免混凝土产生冻害的有效措施之一为保证混凝土自身早期强度，掺加外加剂则是实现这一目标的主要方式，尤其是在复杂的高原高寒地区。通过对外加剂的添加，首先能降低水凝结点，保证混凝土自身早期强度，减少混凝土攪拌过程中用水量，防止混凝土产生冻害，保证在高原高寒地区混凝土冬季施工的整体性;其次外加剂的掺入操作十分简单，基本无需采用其它设施设备[4]。 　　高原高寒地区中，混凝土最常用也是最重要的外加剂为防冻剂，其作用原理为降低水的凝结点，确保负温条件下混凝土中依然有足够量的处于游离态的液相水，使水化作用能够顺利完成，防止液相水发生凝结导致水化作用终止，或对已经成型的内部结构造成破坏。为了使混凝土中始终有足够量促进水化作用顺利完成的液相水，不仅要掺入防冻剂，还要保证其浓度满足要求。另外也要注意，防冻剂实际浓度应伴随外界温度不断降低进行适当的调整。如今在高原高寒地区最常用的防冻剂为无机盐类，如氯化钠、氯化钙、亚硝酸钠、硝酸钙等，其物理性能为：
　　（1）氯化钠：其最低共熔点为-21.1℃，浓度为30.1g/100g水。
　　（2）氯化钙：其最低共熔点为-28.0℃，浓度为78.6g/100g水。
　　（3）亚硝酸钠：其最低共熔点为-19.6℃，浓度为61.3g/100g水。
　　（4）硝酸钙：其最低共熔点为-28.0℃，浓度为78.6g/100g水。
　　3 高原高寒地区冬季混凝土施工温度控制
　　3.1 原材料预热
　　为使浇筑过程中混凝土实际温度满足相关规范的要求，应在拌和开始前对不同的原材料实施预热。这一方面常用方式包括对拌和水进行加热和对骨料进行预热。其中，前者需设置制备大体积水罐，其容积以现场实际情况为依据确定，罐体材质以金属材质为宜，若利用蒸汽进行加热，则需在罐体外部覆盖保温棉，也可使用白铁皮进行包面密封。原材料预热方式以蒸汽加热为主，先对工棚予以密封，再铺设管道，充分利用蒸汽来提高原材料的温度;另外，也可在料堆的下方采用加热温床，在温床中敷设管道，同时在顶部覆盖一层帆布，以此形成一个完全密封的空间，对原材料实施集中加热，达到预期的加热效果;若工棚无法密封，则可对原材料实施覆盖堆放，在料堆的表面覆盖一层保温棉，同时在储料斗中设置气盘管，最后利用蒸汽或锅炉高温热风对原材料实施加热。为了达到要求的拌和温度，可在暖棚内临时存储水泥，用电暖器对水泥进行加热，以确保水泥始终处在正温[5]。
　　3.2 运输保温
　　混凝土拌和完成后，其温度和环境温度之间有直接关系，热量很容易流失，此时为了满足浇筑施工对温度的要求，必须对运输环节做保温处理。现在最常用的保温方式包括下列四种：其一，利用专门的罐车对混凝土实施运输，罐车中的空间是一个密闭空间，和外界之间的接触很少，可使温度保持不变;其二，罐车罐体往往覆盖有保温材料，能减少运输时温度的降低;其三，对运输时间进行严格控制，一般不能超出30min;其四，适当加热，当使用汽车泵时，需将送料管和蒸汽管纏绕到一起进行加热[6]。
　　3.3 浇筑温度控制
　　浇筑施工中，混凝土将和环境产生热交换，产生极大的热量损失，对此，必须采取有效措施避免热量大量流失。浇筑开始前，需要做好各项准备工作，如：对作业现场的冰雪进行清理;对模板外部所有保温措施是否到位进行检查，用铁丝对保温材料予以固定，避免由于保温措施没有到位导致混凝土受冻;在必要的情况下，还可以在模板的内部设置电暖器。在高原高寒地区冬季进行混凝土浇筑时，应尽可能缩短混凝土直接暴露于空气的时间，对此可采用以下做法：减少同时浇筑施工作业面，采用流水作业方式对不同的部位实施浇筑;浇筑完成后立即进行振捣，并及时将混凝土表面抹平[7]。另外，还要采取有效措施进行保温，在覆盖一层塑料布后立即加盖保温篷布。在混凝土出机时，混凝土的温度应达到15℃以上，入模时，混凝土的温度应达到10℃以上。
　　3.4 保温养护
　　高原高寒地区冬季混凝土施工中混凝土自身性能改变时间以水泥水化与硬化两个阶段为主，对此，养护时的保温是对混凝土质量进行严格控制的关键。保温养护方法有很多，目前较为常用的有蓄热法、综合蓄热法、暖棚法与蒸汽养护法。
　　水泥发生水化反应时，将产生很大的热能，若能在混凝土表面覆盖一层保温材料，则能良好的保证入模温度，避免水化热散失，并且保温材料还能防止低温侵袭，对于蓄热法，就是指在混凝土表面加盖适宜的保温材料来实现保温养护。该方法的主要优点为工艺简单和成本低廉，能在降低成本的同时使混凝土顺利硬化，减小最终强度产生的损失，成型后的耐久性能和在常温条件进行施工时没有太大差距。该方法无需使用外部热源，虽然节能环保，但强度增长速度相对较慢，所以适用于强度较高的混凝土。另外，由于该方法还会受到环境气温及具体工程部位等因素的影响，所以它的使用范围并不广泛。
　　对于综合蓄热法，它将蓄热法作为基础，充分利用水泥在水化反应中产生的热量来养护，同时在混凝土拌和过程中掺加适量的外加剂，确保混凝土可以较快达到要求的临界强度，使混凝土即便在负温条件下也能确保强度不断增长。该方法的主要优势为工艺简单和成本低廉，而适用范围和普通的蓄热法基本相同。
　　暖棚法则和蓄热法完全不同，它利用外部热源使养护温度升高，使混凝土可以在正温条件下不断增加强度。其具体做法为：在现场搭设暖棚，在棚内利用外部热源进行供热，使温度保持在0-5℃范围内，使混凝土处于正温条件。通过对暖棚法的应用，能使浇筑和养护都在正温条件下实施，和其它季节施工没有明显差异，具有良好的施工作业条件，可保证正常的劳动效率;然而，该方法的成本较高，包含以下两个方面：第一，暖棚的搭设需要使用大量材料;第二，外部热源需要消耗大量能源。为使暖棚法的应用达到理想养护效果，防止由于供暖不足使棚内产生负温，利用这一方法进行养护的过程中，需要在选择适宜的测点后，按每天至少四次的频率进行测温，要求所有测点的实际温度都达到5℃以上。另外，采用该方法时还应注意保持棚内湿度，以免混凝土失水[8]。
　　蒸汽养护法是指将蒸汽作为养护的外部热源，向混凝土直接或间接的输送蒸汽，使混凝土的周围可以形成良好温度环境，促进混凝土硬化。该方法的应用效果与水泥熟料主要矿物成分有关，适用于火山灰硅酸盐水泥与矿渣硅酸盐水泥;对于矾土水泥，因硬化环境温度应控制在30℃以内，所以不建议使用这一方法;除此之外，该方法还不能使用在掺加有氯盐与引气剂的混凝土。该方法主要优点为蒸汽具有很高的含热量，且湿度也很大，成本低，不容易引发火灾;但也存在以下缺点：温湿度很难保持稳定和均匀，在这种情况下混凝土的最终强度将明显降低，并且蒸汽容易发生弥散，导致对热能的实际利用率相对较低，在现场需要敷设大量的管道，使现场施工与管理难度加大。
　　4 结束语
　　 综上所述，在高原高寒地区冬季混凝土施工中，需要高度重视并做好配合比的确定、外加剂（防冻剂）的选用、原材料预热、混凝土运输保温、混凝土浇筑温度控制和保温养护，以避免混凝土受冻产生冻害，保证高原高寒地区冬季混凝土施工质量。
　　参考文献：
　　[1]贾洪斌，朱志新，张义博.高原高寒地区混凝土冬季施工技术研究[J].江西建材，2019（11）：163+165.
　　[2]郭泉.浅谈高原高寒地区隧道冬季衬砌混凝土施工[J].中国标准化，2019（06）：69-70+73.
　　[3]赵灵琳，陈君清，陈真.高寒地区沥青混凝土心墙冬季施工温度控制技术研究[J].低碳世界，2019，9（01）：125-126.
　　[4]李志军.高原高寒地区隧道施工抗冻施工措施[J].山西交通科技，2017（02）：28-29+45.
　　[5]曹玉宏.浅谈高寒地区预应力箱梁混凝土冬季施工技术[J].公路交通科技（应用技术版），2015，11（06）：41-43.
　　[6]苏飞标，包想军.浅谈新疆高寒地区冬季混凝土施工技术[J].陕西水利，2015（02）：60-61.
　　[7]魏晓斌.冬季高寒地区混凝土施工技术与方案选择[J].科技创新与应用，2013（25）：213.
　　[8]李博涵.高原高寒地区水泥混凝土路面施工养护技术[J].工程建设与设计，2012（09）：170-171+174.
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