冬季橋梁混凝土施工中的保溫試驗及應(yīng)用

潘延連 余琨琳 許利東

云南建投基礎(chǔ)工程有限責(zé)任公司 云南 昆明 650501

環(huán)境溫度對混凝土澆筑的質(zhì)量影響很大，當(dāng)溫度降低到0 ℃以下時，混凝土中的液相水變?yōu)楣虘B(tài)，水泥的水化作用趨于停止，并且水結(jié)為冰后體積膨脹，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞，影響混凝土強度。

云南香格里拉屬于高海拔地區(qū)，冬季氣溫低、晝夜溫差較大，混凝土澆筑后養(yǎng)護不到位易導(dǎo)致混凝土開裂、強度提升緩慢等問題，因此工程進入冬季施工階段時，需要結(jié)合成本、工期、質(zhì)量等因素，研究制訂專門的施工保溫措施。

香麗高速塘安坪大橋施工主要采用預(yù)拌混凝土供應(yīng)，原材料拌和及混凝土運輸過程中的保溫控制已按照專項施工方案嚴格執(zhí)行。本文主要針對橋梁混凝土澆筑養(yǎng)護過程中的保溫措施及效果進行試驗分析，驗證保溫方案的可行性，為其他類似工程提供參考[1-2]。

1 工程概況

1.1 工程概況

香麗高速塘安坪大橋是長16～30 m的預(yù)應(yīng)力混凝土先簡支后連續(xù)T形梁，全橋最大縱坡3.5%，本橋位于緩和曲線和圓曲線上。下部結(jié)構(gòu)橋墩采用鋼筋混凝土樁柱式圓墩；本橋梁共60個橋墩，30片蓋梁。根據(jù)施工進度計劃，從2017年11月底至12月中旬需完成剩余28個橋墩施工，橋墩高度3.5～8.6 m。2017年12月—2018年2月底完成剩下的共16片蓋梁及40片預(yù)制T梁的施工。

1.2 氣候條件

本橋位于云南省香格里拉縣小中甸鎮(zhèn)，平均海拔約3 270 m，該區(qū)域地處寒溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，地形復(fù)雜，各種氣候類型相嵌交錯，統(tǒng)一氣候垂直帶內(nèi)有森林氣候、草原氣候、湖盆氣候等單個小地形氣候。一年四季太陽輻射能充裕，氣溫年較差小，全年無夏，平均溫度5.5 ℃。但大氣透明度高，太陽輻射強，白天增溫劇烈，夜間降溫快，氣溫日較差大。查詢迪慶香格里拉縣近年來的氣象信息，當(dāng)年11月—次年2月，香格里拉溫度在－13～6 ℃之間。根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，當(dāng)連續(xù)5 d的日平均氣溫穩(wěn)定在5 ℃以下時，即進入冬季施工，須采取相應(yīng)的保溫措施使混凝土的水化作用正常進行，使混凝土受凍前達到臨界受凍強度，對強度等級等于或高于C50的混凝土，不宜小于設(shè)計混凝土強度等級值的40%。

2 橋梁不同部位混凝土養(yǎng)護方案

香格里拉地區(qū)晝夜溫差較大，綜合考慮施工效果、施工成本以及施工便利程度等多方面的因素，對不同部位的混凝土選用不同的養(yǎng)護方式，養(yǎng)護過程中對混凝土內(nèi)外溫度進行實時監(jiān)測，分析保溫措施的可行性。

2.1 橋墩的養(yǎng)護——蓄熱養(yǎng)護法

蓄熱養(yǎng)護法，一般是在混凝土模板外覆蓋保溫材料，利用水泥的水化熱和混凝土澆筑時的初始溫度使混凝土在短期內(nèi)達到保溫養(yǎng)護的效果。當(dāng)采用蓄熱法時，混凝土澆筑完畢后需盡快在表面覆蓋棉被等保溫材料。

塘安坪大橋橋墩施工時間在2016年11月—12月中旬，氣象資料顯示施工期間日最低溫度為－9 ℃，最高溫度7 ℃。經(jīng)項目部綜合考慮，擬選擇塘安坪大橋右幅13-2#墩進行蓄熱保溫養(yǎng)護可行性試驗驗證。

塘安坪大橋右幅13-2#墩直徑1.6 m，墩高8 m。該橋墩混凝土于2016年11月22日16：00澆筑完成，澆筑完成時環(huán)境溫度為6 ℃。

橋墩澆筑振搗完成后采用棉被將橋墩鋼模板全部包裹，棉被外側(cè)再用防水帆布覆蓋，沿橋墩垂直方向每隔1 m用繩子將防水帆布固定，確保棉被與橋墩鋼模板緊密貼合，減少熱量損失（圖1）。

圖1 橋墩蓄熱保溫法

蓄熱養(yǎng)護法的控制措施：

1）混凝土澆筑選擇11：00～15：00日溫最高的時候進行澆筑。混凝土運輸至施工現(xiàn)場后，嚴格控制混凝土的入模溫度不低于10 ℃。混凝土澆筑應(yīng)盡量采用混凝土輸送泵進行，以縮短澆筑時間，減少澆筑過程中的熱量損失。

2）混凝土澆筑前，可提前將棉被包裹在立好的橋墩模板上，棉被要求干燥、保溫效果好。為防止夜間霜降和露水打濕棉被影響保溫效果，棉被外側(cè)用防水帆布覆蓋。

澆筑混凝土過程中共埋置4個溫度傳感器：傳感器1埋置于墩頂以下3 m的混凝土橋墩中心位置，用于測量混凝土內(nèi)部溫度；傳感器2埋置于墩頂以下3 m混凝土與模板接觸的邊緣位置，用于測量混凝土表面溫度；傳感器3埋置于墩頂以下3 m鋼模板與保溫棉被之間的位置，用于測量保溫環(huán)境的溫度；傳感器4位于外界空氣中，用于測定外界自然溫度。現(xiàn)提取當(dāng)夜溫度監(jiān)測結(jié)果如表1所示。

表1 混凝土澆筑當(dāng)天溫度監(jiān)測記錄

上述數(shù)據(jù)表明，早上8：00左右外界溫度最低為－10 ℃，混凝土表里溫差較小，而混凝土表面與保溫棉被之間的溫差為18.8 K，已接近規(guī)范要求的20 K的上限，此時棉被兩側(cè)內(nèi)外溫差約21.7 K。數(shù)據(jù)表明蓄熱法的保溫主要依靠棉被的隔熱作用，因此蓄熱保溫對棉被質(zhì)量要求較高，現(xiàn)場包裹要嚴實，但是當(dāng)夜間最低溫度在－10℃以下時，棉被蓄熱法應(yīng)慎用。

棉被蓄熱養(yǎng)生3 d后在14：00拆除模板，然后在橋墩混凝土表面重新覆蓋棉被繼續(xù)養(yǎng)護5 d。經(jīng)對混凝土進行回彈試驗檢測，表明混凝土強度達到設(shè)計強度的63%，已達到混凝土受凍強度的要求，混凝土表觀質(zhì)量良好。

2.2 蓋梁的養(yǎng)護——電加熱法

電加熱法適用于外界溫度較低、采用棉被蓄熱法養(yǎng)護時混凝土水化釋放的熱量不能保證混凝土在凍結(jié)前及規(guī)定的期限內(nèi)達到要求強度的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件。

根據(jù)施工進度安排，塘安坪大橋蓋梁平均高度位于地面以上8 m左右，搭設(shè)保溫暖棚施工不便且費用較高。項目部計劃通過對塘安坪大橋右幅11#蓋梁使用電熱毯輔助加熱的保溫試驗來驗證其可行性（圖2）。

塘安坪大橋右幅11#蓋梁位于地面以上8.5 m，12月3日14：00蓋梁混凝土澆筑完成后，在蓋梁模板四周、頂部和底部采用工業(yè)用電熱毯包裹，電熱毯與鋼模板密貼，電熱毯外側(cè)覆蓋棉及防水帆布。電熱毯采用定制的工業(yè)用電熱毯，有3擋溫度調(diào)節(jié)裝置。

為防止養(yǎng)護過程中升溫過快，應(yīng)每間隔1 h提升1擋溫度。模板與棉被之間放置電子溫度計進行實時溫度監(jiān)控，并安排專人通過調(diào)節(jié)電熱毯擋位開關(guān)將溫度控制在18～24 ℃之間。

經(jīng)實際檢測，蓋梁澆筑當(dāng)天夜間最低溫度為－11 ℃，蓋梁混凝土中心部位溫度為32 ℃，混凝土表面溫度為24 ℃，保溫效果良好。電熱毯輔助加熱優(yōu)點是混凝土表面的養(yǎng)護溫度可控，養(yǎng)護質(zhì)量有保證，其保溫效果主要依靠電熱毯功率及其周圍棉被的隔熱。經(jīng)對混凝土進行回彈試驗檢測，表明混凝土強度達到設(shè)計強度的66%，已達到混凝土受凍強度要求，混凝土表觀質(zhì)量良好。

圖2 蓋梁電熱毯保溫法

2.3 預(yù)制T梁的養(yǎng)護——蒸汽養(yǎng)生法

本項目所用T梁需在冬季正常施工，由于T梁是在梁場預(yù)制且規(guī)格一致，故T梁混凝土養(yǎng)護采用暖棚蒸汽養(yǎng)生法（圖3）。

圖3 T梁蒸汽養(yǎng)生法

蒸汽養(yǎng)生法控制措施：

1）蒸汽鍋爐采用普通燒煤型低壓高溫小型汽水兩用鍋爐，鍋爐壓力主要通過燃煤量進行控制，經(jīng)試驗，一根T梁養(yǎng)生溫度和濕度達到正常時，需控制燃煤量使鍋爐蒸汽壓力值達到0.04～0.06 MPa。

2）T梁臺座施工時預(yù)埋鍍鋅鋼管作為蒸汽管道，鍍鋅鋼管上排氣口間距2 m設(shè)1個。鍍鋅鋼管沿臺座方向設(shè)置3%的縱坡，以利于蒸汽管道內(nèi)的積水快速排出，防止堵管。

3）焊接長6 m一節(jié)的三角保溫棚架，棚架上部固定保溫帆布，棚架頂部設(shè)置起吊環(huán)，以方便龍門吊對棚架進行起吊拼接。

4）T梁混凝土澆筑時間嚴格控制在4 h以內(nèi)，澆筑完成后立即將三角保溫棚架搭設(shè)在T梁模板上進行覆蓋。

5）打開蒸汽閥門進行蒸汽養(yǎng)生。每30 min測量一次溫度，根據(jù)溫度的變化情況采取增大或減小閥門放汽量來嚴格控制溫度變化不大于10 K/h；派專人看護蒸汽鍋爐，通過燃煤投放控制蒸汽壓力范圍。

6）待棚內(nèi)溫度上升至15～25 ℃，濕度達到90%以上時保持該狀態(tài)。當(dāng)混凝土溫度過高時，應(yīng)采取向蒸養(yǎng)棚停止供汽的方法降低棚內(nèi)溫度；罩內(nèi)各部位的溫度應(yīng)盡量一致，溫差不宜大于15 K。

7）養(yǎng)生結(jié)束時，降溫階段的降溫速度不得大于10 K/h，拆除保溫棚前需提前3 h關(guān)閉蒸汽閥門，使保溫棚的溫度緩慢下降。

蒸汽養(yǎng)生過程中派專人隨時檢查保溫棚的密閉性，以防溫度驟變導(dǎo)致混凝土開裂。T梁養(yǎng)護記錄顯示，外界環(huán)境最低溫度為－14 ℃時，蒸汽棚內(nèi)溫度仍能達到21 ℃，蒸汽養(yǎng)生受外界環(huán)境溫度的干擾較小，養(yǎng)生效果相對較好，混凝土質(zhì)量較為穩(wěn)定。

3 結(jié)語

在香格里拉高海拔地區(qū)進行橋梁冬季施工時，混凝土的保溫養(yǎng)生是影響質(zhì)量、成本、工期等的重要因素，本文通過現(xiàn)場試驗分析，得出以下結(jié)論[3-5]：

1）混凝土澆筑應(yīng)盡可能安排在每天的12：00～16：00之間進行，應(yīng)避免在氣溫過低時澆筑混凝土。澆筑完成后立即保溫，防止混凝土受凍。

2）當(dāng)最低氣溫高于－10 ℃時，采用蓄熱養(yǎng)護法養(yǎng)護橋墩能夠滿足施工質(zhì)量要求，關(guān)鍵是需嚴格控制保溫材料的質(zhì)量并包裹密實，防止熱量散失。當(dāng)溫度低于－10 ℃時，棉被蓄熱法應(yīng)慎用。

3）采用電加熱法對蓋梁進行養(yǎng)護，施工操作方便，保溫效果好。

4）蒸汽養(yǎng)生法用于標準構(gòu)件（如預(yù)制T梁）的養(yǎng)護，可操作性強、保溫效果好，但綜合成本高。混凝土受凍后對外觀、結(jié)構(gòu)強度影響較大，實際施工過程中應(yīng)通過現(xiàn)場試驗來確定最優(yōu)方案，以防混凝土受凍。