寒冷地區冬季混凝土施工措施探討

錢怡（中國水利水電第九工程局有限公司第三分局 貴州貴陽 550008）

寒冷地區冬季混凝土施工措施探討

錢怡（中國水利水電第九工程局有限公司第三分局 貴州貴陽 550008）

我國西北地區從11月至次年3月為寒冷季節，水利水電工程建設由于工程本身施工時段的特殊性，在冬季進行混凝土施工是不可避免的。本文結合工程實際與相關規程規范，根據工程所在地的自然環境與施工條件，通過配合比設計、施工工藝質量保證措施入手，對混凝土在-15℃環境下施工措施進行總結和探討，實現了-15℃環境溫度條件下混凝土施工連續作業，保證了該工程在次年汛前順利達到防洪度汛形象面貌。

冬季；混凝土；施工措施；探討

【DOI】10．19312/j．cnki．61-1499/c．2016．09．049

一、工程概況

1.工程簡介

達克曲克水電站樞紐工程位于玉龍喀什河下游河段的峽谷山區內，壩址位于玉龍喀什河與布亞河匯合口下游29km的河段上，工程主要由擋水建筑物、溢洪道、導流兼泄洪沖沙洞、發電引水洞及電站廠房組成。導流兼泄洪沖沙洞、溢洪道布置于右岸，發電引水洞位于樞紐左岸，發電廠房位于壩址下游11km的河道左岸階地處。

達克曲克水電站攔河壩為碾壓式瀝青混凝土心墻堆石壩，最大壩高62．6m。壩頂寬度8m，壩頂長度為214m，壩頂采用瀝青混凝土路面，路面凈寬7．5m，路面向下游單向傾斜，坡度為2%。上游壩坡1:2．0；下游壩坡1:1．8。上游壩坡EL1768．50以上采用混凝土面板護坡，護坡厚0．25m，下游壩坡采用混凝土網格梁填干砌塊石護坡，護坡厚度0．3m。

2.氣象條件

工程區深居內陸區，遠離海洋，受喀喇昆侖山影響，冷濕氣流難以侵入。氣候特征主要表現為：降水量小而蒸發強烈；氣溫日、年變幅大；屬于溫帶大陸性氣候類型；氣候干燥、風沙大；日照時間長；蒸發強烈；降雨量少等特點。多年平均氣溫11．0℃；多年最冷月平均氣溫-5．1℃；極端最高氣溫37．5℃；極端最低氣溫-23．5℃；多年平均降水量55．1mm；多年平均蒸發量為3485．8mm(ф20cm型蒸發器)；年平均風速為2．09 m/s。

二、冬季混凝土施工總體規劃

1.溫度對混凝土質量的影響

根據施工進度計劃，攔河壩基座混凝土與回填混凝土、溢洪道結構混凝土、發電洞控制段結構混凝土必須進行冬季混凝土施工才能確保次年進入汛期前達到設計度汛面貌。通過學習混凝土冬季施工的一般原理，掌握并控制冬季混凝土施工的不利因素，確保冬季混凝土施工質量滿足設計與規范要求。

混凝土水泥水化作用的速度除與混凝土本身組成材料和配合比有關外，主要是隨著溫度的高低而變化。當溫度升高時，水化作用加快，強度增長也較快；而當溫度低于0℃時，存在于混凝土中的水有一部分開始結冰，逐漸由液相（水）變為固相（冰）。這時參與水泥水化作用的水減少了，水化作用減慢，混凝土強度增長相應較慢。當溫度繼續下降，存在于混凝土中的水完全變成冰，水泥水化作用基本停止，此時混凝土強度就不再增長。水變成冰后，體積約增大9%，同時產生冰脹應力，這個應力值常常大于混凝土內部形成的初期強度值，使混凝土受到不同程度的破壞（即早期受凍破壞）而降低強度。此外，當水變成冰后，還會在骨料和鋼筋表面上產生顆粒較大的冰凌，減弱水泥漿與骨料和鋼筋的粘結力。當冰凌融化后，又會在混凝土內部形成各種各樣的空隙，從而降低混凝土的密實性及耐久性。由此可見，在冬季混凝土施工中，水的形態變化是影響混凝土強度增長的關鍵，確?；炷潦┕み^程中不受凍，并使其在正常溫度下養護，保證水泥的水化作用，使混凝土達到遭受凍害的臨界強度（大體積混凝土不應低于7．0MPa（或成熟度不低于1800℃．h），非大體積混凝土和鋼筋混凝土不應低于設計強度的85%）。

2.混凝土冬季施工方法的選擇

根據溫度對混凝土質量影響的分析，在冬季混凝土施工中主要是控制混凝土的出機口溫度、入倉溫度及拆模后的養護溫度。常用的施工方法有：調整配合比方法、蓄熱法、外部加熱法、摻抗凍外加劑等。（1）調整配合比方法：①選擇適當品種的水泥；②盡量降低水灰比，適當增加水泥用量，從而增加水化熱量，縮短達到齡期強度的時間；③摻用引氣劑，在保持混凝土配合比不變的情況下，加入引氣劑后生成的氣泡，改善其粘聚性及保水性，緩沖混凝土內水結冰所產生的水壓力，提高混凝土的抗凍性，同時提高拌和物的流動性。④摻加早強外加劑，縮短混凝土的凝結時間，提高早期強度。（2）蓄熱法：對原材料（水、砂、石）進行加熱，使混凝土在攪拌、運輸和澆筑以后，還儲備有相當的熱量，以使水泥水化放熱較快，并加強對混凝土的保溫，以保證在溫度降到0℃以前使新澆混凝土具有足夠的抗凍能力。（3）外部加熱法：通過加熱混凝土構件周圍的空氣，將熱量傳給混凝土，或直接對混凝土加熱，使混凝土處于正溫條件下能正常硬化。具體方法有：①火爐加熱：方法簡單，但室內溫度不高，比較干燥，且放出的二氧化碳會使新澆混凝土表面碳化，影響質量。②蒸氣加熱：用蒸氣使混凝土在濕熱條件下硬化。此法較易控制，加熱溫度均勻，但因其需專門的鍋爐設備，費用較高，且熱損失較大，勞動條件亦不理想。③電加熱：將鋼筋作為電極，或將電熱器貼在混凝土表面，使電能變為熱能，以提高混凝土的溫度。此法簡單方便，熱損失較少，易控制，不足之處是電能消耗量大。④紅外線加熱：以高溫電加熱器或氣體紅外線發生器，對混凝土進行密封幅射加熱。（4）抗凍外加劑：對混凝土拌和物摻加一種能降低水的冰點的化學劑，使混凝土在負溫下仍處于液相狀態，水化作用能繼續進行，從而使混凝土強度繼續增長。

通過以上分析，本工程將以上4種方法根據工程實際綜合運用，通過配合比設計、暖棚保溫、蓄熱、摻加抗凍劑及外部加熱等措施保證混凝土施工各個環節所需溫度。根據施工進度計劃，該工程冬季混凝土施工部位為引水發電洞控制段、大壩基座與溢洪道控制段混凝土，為保證冬季施工混凝土質量，依據氣象資料、地理環境以及設計文件，編制冬季混凝土專項施工方案，分別從原材料的選材、配合比設計、原材料保溫、混凝土半成品的加工、運輸、混凝土成品保溫等方面制定詳細、可行的作業方案，明確方案實施的開始時間和原材料的采購、準備情況。

三、冬季混凝土施工措施

1.混凝土配比設計

針對冬季氣溫低及該地區骨料為堿性骨料的特點，通過摻配粉煤灰、高效減水劑、防凍劑、骨料加熱、利用熱水拌和、混凝土保溫等技術手段達到負溫條件下混凝土施工質量要求。工程所在地冬季自然條件下最低環境氣溫約為-15℃～-20℃，配合比的設計考慮了以下三個因素：一是通過減水劑生產廠家調整減水劑的終凝時間（由夏季的10～12小時縮短至冬季的8～10小時）；其次是通過添加粉煤灰（同時抑制砂石骨料堿活性反應）、高效減水劑來降低水灰比，提高混凝土和易性和流動性，便于溜槽輸送和泵送；三是添加防凍劑，降低混凝土中水的冰點，保證臨界氣溫時混凝土不結冰。由于高寒地區混凝土抗凍指標較高，添加引氣劑后的混凝土在相同條件下其強度有所偏低，試配時按提高一個等級進行。

本工程混凝土施工采用當地水泥廠生產的P．O42．5普通硅酸鹽水泥，經檢測其物理性能指標滿足GB175-2007規范要求；粉煤灰采用就近火電廠生產的Ⅱ級粉煤灰，主要檢測指標滿足DL/T5055-2007規范Ⅱ級灰要求；所用砂石骨料在工程區附近河床階地砂礫料經過沖洗、篩分加工，少量超徑卵石破碎補充的方式進行生產，細砂細度模數2．6，含泥量1．4%左右；粗骨料內無雜質與泥塊，超遜徑滿足規范要求。減水劑使用FDN高效減水劑，摻量0．8%～1．2%；防凍劑采用HD型號，摻量3%～8%；引氣劑采用AE引氣劑，摻量0．01%～0．025%；由于當地砂石骨料呈弱堿性，粉煤灰摻量根據堿活性抑制試驗結果為20%。試驗室模擬現場施工環境條件下，選用較小的水灰比和較小的塌落度，其試配強度較設計強度提高一個等級進行配合比抗壓強度、抗滲、抗凍等性能比選試驗，最終選擇滿足設計要求、經濟合理、便于施工的最佳施工配合比。

2.砂石骨料保溫措施

根據氣象資料，在環境溫度進入負溫季節之前加工完成所需砂石骨料（經檢驗合格），并做好防凍塊、防雪、防雨等措施。工程所在地12月中旬至次年2月中旬外界氣溫多數為負溫，不宜進行砂石骨料的沖洗與篩分，因此，進入12月份前按照施工進度計劃儲備好所需砂石骨料，堆碼成形，以便于覆蓋、除雪、排水等。加工完成經檢驗合格的砂石骨料覆蓋塑料薄膜后加蓋一層草墊，最后覆蓋帆布保溫、防風、防雪。外界氣溫在-10℃時，對于堆高6米以上的砂石骨料，覆蓋物以下與堆場內部溫度約為（0～10）℃。砂石骨料取用時從背風一側開始裝車取料，裝車結束后對取料口及時覆蓋。

拌和系統砂石骨料倉為細砂、小石、中石、大石共4個倉，C20混凝土結構，每個倉凈空尺寸15．0×6．0m，隔墻厚度0．8m，底板以上墻高2．5m，每倉可儲存約180m3骨料。料倉底板中部設寬×高=0．4×0．5m的地籠，生火部位適當加寬加高，兩側均勻布置DN150排煙管道，通過燃煤釋放熱量為砂石骨料加熱。倉內骨料提前堆滿，覆蓋保溫阻燃被，取料時砂石骨料溫度可達11℃（外界氣溫-10℃左右）。

3.拌和系統保溫措施

拌和系統按照全封閉設計，通過熱工計算配置加熱設備和保溫材料，保證室內溫度高于10℃。拌和系統除粉煤灰、水泥罐外，拌和樓、皮帶輸送機、配料機、外加劑存儲室等作為一個整體進行封閉，依托拌和系統骨架，采用Ⅰ10工字鋼和［10槽鋼為支撐架，10 cm泡沫彩鋼板進行封閉，混凝土運輸車輛出入口設快速提升棉被門簾。

根據熱工計算，拌和系統室內供熱設備采用直徑80cm、高120cm自制燃煤火爐，在拌和樓接料層4個墻角放置4臺，皮帶輸送機底部布置兩臺，配料機房放置兩臺，每班派兩人對拌和系統所有加熱火爐進行運行與維護，確保生產的混凝土半成品滿足質量要求，同時在拌和設備未使用期間也不被凍住。

施工用水加熱設計是根據配合比與擬澆筑混凝土倉號最大拌和用水量進行計算，當計算出的熱水供應量不滿足澆筑用水需要時采取分倉澆筑措施。為拌和系統供水共有3個水池，第一個是200 m3主水池，另一個為30 m3加熱水罐，第三個為27 m3拌和樓拌和用水蓄水池，外罩10cm厚泡沫彩鋼板，頂部布置2盞1000W碘鎢燈對空間進行加熱，另外安裝10根2000W熱水器作為加熱補充。

拌和樓運行時提前對30 m3加熱水罐內的水進行加熱，水溫加熱至（60°～80°），拌和樓運轉前根據料倉內砂石骨料的溫度在拌和用水蓄水池進行配兌，用完一池配兌一池，中途利用池內熱水器補充熱量損失。另外主水池仍然采用10cm厚泡沫彩鋼板封閉，棚頂安裝4盞1000W碘鎢燈對池內空間進行加熱，保證水池內水不結冰。拌和樓水管、主水池至熱水罐、拌和樓用水蓄水池管路利用75W電伴熱帶纏繞，外部包裹橡塑保溫管和膠帶，冬季保持長期通電，管道溫度保持在（0°～65°）之間，確保供水管路不結冰。

4.混凝土拌制及運輸

（1）混凝土拌制

拌和系統在運行前樓內氣溫升至10℃以上，進行混凝土拌制前及停止拌制后，用熱水沖洗攪拌機和運輸罐。當日平均氣溫穩定在-5℃以下時，將骨料加熱，骨料不需加熱時，應注意不要結冰，也不得混入冰雪、凍塊及易凍裂的礦物質。

混凝土拌和前根據骨料溫度、環境氣溫，擬定拌和用水溫度，本工程利用水溫控制混凝土出機口溫度，開倉前通過試拌確定滿足混凝土澆筑需要的出機口溫度。拌和樓蓄水池內水的溫度不高于80℃，當骨料不加熱時，水可加熱至80℃以上，采用先投入骨料和已加熱的水，攪拌均勻后再投入水泥。當加熱水不能滿足要求時，將骨料均勻加熱，其加熱溫度不高于60℃。當拌制的混凝土出現塌落度減小或發生速凝現象時，重新調整拌和料的加熱溫度，混凝土攪拌時間較常溫施工延長50%左右，對于JS-1500型強制攪拌機來拌和時間約為2．5min。

（2）混凝土運輸

混凝土水平運輸?；炷了竭\輸采用8．0m3混凝土罐車運輸，運輸車罐體采用阻燃保溫被包裹，外貼防水塑料薄膜，并用鉛絲網固定。罐車在運輸混凝土前用熱水對罐體內進行預熱，運輸結束后用熱水對罐體內進行清洗。

混凝土垂直運輸?；炷列读掀脚_至倉面垂直高差10至20米，由于經常變換入倉位置，采用露天溜槽進行入倉，主、分溜槽角度在35°左右，分溜槽出口安裝緩降存料斗掛串筒入倉，混凝土入倉高度小于2．0m?；炷烈坏╅_倉保持連續下料，當中途中斷混凝土供應時，立即采用熱水沖洗溜槽（廢水排至倉外），在后續混凝土到達后，采用人工敲掉溜槽上的冰塊，熱水沖洗溜槽后再放混凝土入倉。必要時在溜槽上間隔2米掛1000W碘鎢燈對溜槽進行加熱。外界氣溫-10℃左右時，混凝土運距800 m，混凝土出機口溫度15℃左右，運至倉面溫度損失約為6℃。

5.混凝土施工及養護措施

混凝土養護環境的溫度與濕度將對其整體強度能否滿足要求產生重大影響，本工程冬季混凝土施工部位根據各混凝土澆筑倉面的不同特點，通過熱工計算及經濟分析，選擇外部熱源對混凝土加熱的暖棚法、電熱法等綜合法進行施工。對于溢洪道、引水隧洞控制段采用暖棚法；對于大壩基座混凝土采用蓄熱法。

（1）暖棚法施工

根據溢洪道、引水隧洞控制段結構特點，利用施工腳手架經過完善后在外側懸掛6．0m寬塑料布，相鄰兩塊之間搭接30cm，利用兩道3cm寬雙面膠粘結，塑料布外在掛帆布，外側利用3．0×3．0m竹片網格將塑料布、帆布固定在腳手架上。倉面頂部利用8號鉛絲縱橫拉成網格鋪塑料薄膜保溫，混凝土開倉前在暖棚底部按20m2安置一臺直徑80cm、高120cm自制燃煤火爐供熱；對于閘墩等薄壁結構，在閘墩之間增加兩臺火爐，倉面邊角、結構復雜部位采用1000W碘鎢燈補充加熱?；炷翝仓芭飪?、直徑大于或等于25mm的鋼筋和金屬預埋件加熱至正溫，混凝土的入倉溫度為（6°～9°），滿足規范大于3℃的要求。

（2）蓄熱法施工

對于大壩基座混凝土施工選擇蓄熱法、電熱法施工。混凝土倉面垃圾清理、立模完成后，用高壓風對倉面進行清理，經監理檢查驗收合格后，采用DH-40直燃式燃油加熱機對基巖或老混凝土表面進行加熱，加熱深度不小于10cm或加熱至倉面邊角（最冷處）表面正溫（大于0℃）為準，經檢驗合格后再澆筑混凝土。對于寬度10米的混凝土倉面，采用臺階法進行澆筑（澆筑厚度1．5m），倉面兩側各布置3臺DH-40直燃式燃油加熱機對倉面輸送熱風，達到混凝土封倉線后及時鋪蓋保溫薄膜和阻燃保溫被，在倉面1．2米上部架設間排距2．0×2．0m 1000W碘鎢燈對混凝土表面進行外部加熱。3天過后阻燃保溫被下混凝土表面溫度可達26℃左右。

（3）冬季混凝土養護及溫度控制

冬季混凝土澆筑封倉后及時對混凝土進行保溫，溫度測量人員按照溫度監控措施準時準點測量混凝土內外部、環境溫度的變化情況，及時調整混凝土養護溫度，既要保證混凝土水泥水化作用的正常進行，同時要減小混凝土表面與環境的溫度差，避免混凝土表面溫度裂縫的出現。在沒有專項措施的情況下，分倉高度的設計就很重要。

為避免混凝土溫度與環境溫度溫差過大，對混凝土內部溫度與環境溫度進行仔細的監控與記錄，其中包括混凝土澆筑過程中混凝土攪拌測溫的記錄、大氣溫度、原材料溫度、出罐溫度、入模溫度、混凝土表面溫度（距混凝土表面下10cm）、暖棚內溫度等。大氣溫度測量在離建筑物10m以外，距地面高度1．5m，通風條件較好的地方安裝規格300×300×400mm的白色百葉箱，測溫孔位置放在溫度變化大、容易散失熱量、易于遭受凍結的部位，測溫孔的口不迎風，且臨時封閉。

混凝土施工過程中，經常檢查混凝土出機口和入模溫度（每班不少于4次，采用蓄熱法養護時，其間每6小時測量一次），混凝土出機口溫度控制在10℃～15℃左右，入模溫度約為5℃～10℃。雖然混凝土里摻加了防凍劑，混凝土養護仍然采用正溫養護工藝，對于大壩基座混凝土封倉后采用塑料薄膜保濕，阻燃保溫被覆蓋保溫，均勻分布的碘鎢燈加熱。當混凝土由于水化作用自身溫度上升熱之后，混凝土強度達到設計強度的30%以上時，停止外部加熱。對于搭設暖棚澆筑的部位，由于暖棚內溫度控制在10℃以上，混凝土不會受凍，只注意混凝土表面的保濕，封倉后的塑料薄膜接縫、四周封蓋密實。

按照非大體積混凝土早期受凍臨界強度不低于設計強度值85%的原則，混凝土澆筑時分別取7、14、28天試件，根據試驗報告確定混凝土養護結束日期。拆模后的混凝土立即防寒保溫，并保持干燥。對結構的邊棱隅角按加強覆蓋進行保溫，迎風面采取了防風措施。

四、混凝土試件檢測結果分析

本次冬季混凝土施工進行溢洪道控制段堰體結構混凝土、引水隧洞控制段閘墩與門庫板梁結構混凝土及大壩基座混凝土施工，歷時4個月，三個部位共澆筑混凝土1．5萬余立方米，共取樣104組，相關統計數據見表1。

表1 混凝土強度統計表

通過上表統計分析可知：溢洪道堰體混凝土（C20F200W6）百分率P=100%，標準差σ=1．6，m?cu（27．2）≥?cu,k+Ktσ0 （24．2），?cu,min（25．7）≥0．90?cu（17．0）,k(≤C9020)；

溢洪道邊墻及閘墩混凝土（C25F300W6）百分率P=100%，標準差σ=2．7，強度保證率=98．1%，m?cu（30．6）≥?cu,k+Ktσ0 （29．0），?cu,min（26．0）≥0．90?cu（22．5）,k (＞C9020)；

溢洪道過流面混凝土（C40F300W6）百分率P=100%，標準差σ=2．5，強度保證率=97．9%，m?cu（45．0）≥?cu,k+Ktσ0 （43．6），?cu,min（41．4）≥0．90?cu（36．0）,k(＞C9020)；

發電洞進口閘井閘墩混凝土（C25F300W6）百分率P=100%，標準差σ=3．3，m?cu（31．3）≥?cu,k+Ktσ0（29．5），?cu,min （27．1）≥0．90?cu（22．5）,k(＞C9020)；

發電洞進口閘井回填混凝土（C15F200W6）百分率P=100%，m?cu（19．7）≥?cu,k+Ktσ0（17．7），?cu,min（18．1）≥0．85?cu （12．8）,k(≤C9020)；

大壩基座混凝土（C25F200W6）百分率P=100%，標準差σ=2．0，強度保證率=98．3%，m?cu（29．4）≥?cu,k+Ktσ0 （28．1），?cu,min（25．3）≥0．90?cu（22．5）,k(＞C9020)；

大壩墊層混凝土（C15F200W6）百分率P=100%，標準差σ=1．5，m?cu（20．1）≥?cu,k+Ktσ0（18．0），?cu,min（18．4）≥0．85?cu（12．8）,k(≤C9020)；

根據上述數據分析，以上冬季施工部位混凝土滿足設計要求及《水工混凝土施工規范》DL/T5144-2015要求。

通過本次冬季混凝土施工技術措施探討可知，在寒冷地區地區（-20℃左右）進行冬季混凝土施工，只要混凝土原材料保溫措施得當、拌和用水溫度得到保證，施工現場采用綜合蓄熱法施工，完善后期養護措施，混凝土質量能夠得到充分保證。另根據現場試驗，在日平均氣溫-5℃左右，夜間最低氣溫-15℃的環境下，直接放置在暴露環境下的混凝土試件28天齡期抗壓強度值約為標準條件養護下的10%～20%，而且混凝土表層遭受到了嚴重的凍害。

由于冬季混凝土施工措施費用較高，在施工計劃編排時，能夠在暖和季節施工的項目即便增加趕工措施也盡量避免進入冬季施工；進入冬季混凝土施工項目搭設的暖棚盡量寬敞，便于棚內作業，對于覆蓋保溫材料的部位必須嚴實，嚴禁漏蓋。冬季混凝土保溫措施必須有備用方案，預防停水、停電、管道堵塞或供熱中斷等原因造成的影響。

雖然在本次冬季混凝土施工技術措施探討之前進行了精心的準備與策劃，由于是第一次進行嚴寒地區冬季混凝土施工，仍然存在不足之處，為保證混凝土的質量，配合比設計相對較為保守，水泥用量比內地常規混凝土多用了6．3%左右。

［1］王磊，馬曉敏．冬季混凝土施工技術：河南省土木建筑工程學會2008年學術大會論文集，2008．6：381-382．

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［4］電力工業標準匯編·水電卷《施工》．北京：水利電力出版社．

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［7］《水電水利工程混凝土預熱系統設計導則》（DL/ T5179-2003）

［8］《水工混凝土施工規范》（DL/T5144-2015）

錢怡（1972--）男，漢族，貴州鳳崗縣人，本科學歷，學士學位，總工程師，高級工程師，研究方向：工程技術管理。