高寒高海拔地區冬季施工薄壁混凝土早期強度研究

趙海忠，陳修華，黃 輝

（1.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南 昆明 650214；2.中國葛洲壩集團路橋工程有限公司，湖北 宜昌 443002）

1 概 況

果多水電站位于西藏自治區昌都縣，電站壩址距離昌都縣城公路里程約59 km，海拔3 400 m，根據昌都氣象站資料統計，極端最高氣溫33.4℃（1972年7月8日），極端最低氣溫-20.7℃（1982年12月26日），多年平均氣溫2.9℃。該區域晝夜溫差較大，最大月平均日溫差高達18.8℃，年平均日溫差為16℃。該區域凍土主要為季節性凍土，凍土時間一般為12月中旬至次年1月中旬，最大凍土深度90 cm，最大積雪厚度15 cm。最大風速15m/s，風向NW或W。年日照時數為2289h，多年平均降水量499.5 mm，多年平均蒸發量1 637 mm（E-601）。該水電站為扎曲規劃的第二個梯級水電站，裝機容量160 MW，工程等別為三等，工程規模為中型。

果多水電站砂石加工及混凝土生產系統承擔著果多水電站78.8萬m3混凝土骨料及混凝土成品的生產任務。砂石加工系統位于大壩右岸下游約4 km處，系統成品骨料生產能力為400 t/h。混凝土生產系統位于壩址右岸下游約0.5 km處，混凝土澆筑高峰期月平均生產強度為6.0萬m3/月。

2012年11月，果多水電站砂石拌和系統所在地氣溫為-10℃，進入冬季施工階段。

2 高原冬季混凝土施工

果多砂石及拌和系統涉及混凝土施工部位：拌和系統骨料罐廊道及圈梁、120攪拌站及配料器基礎、1 500 t膠凝材料罐基礎、拌和樓基礎、部分房建圈梁及地坪；砂石系統受料坑廊道、半成品堆場廊道、主篩分樓、中細碎調節料倉、立軸制砂調節料倉、檢查篩分樓、棒磨制砂調節料倉基礎、輻流沉淀池、部分房建圈梁及地坪等。

所有相關混凝土結構設計，墊層混凝土為C10混凝土，結構混凝土為C25、C30混凝土，設計安全系數大于1.5，除拌和樓基礎及1 500 t膠凝材料罐基礎為板塊基礎外，其他混凝土結構均為薄壁小型結構（充分考慮本地材料質量問題，混凝土配合比中，水泥摻量相對較大），其中C25混凝土配合比為：中石594 kg/m3、小石598kg/m3、砂651kg/m3、水泥398kg/m3、水175kg/m3；C10混凝土配合比為：中石595 kg/m3、小石600 kg/m3、砂773 kg/m3、水泥266 kg/m3、水170 kg/m3。混凝土均采用現場自拌，拌和設備為JC350移動式攪拌機，攪拌用水抽自扎曲河水，水泥采用復合硅酸鹽PC32.5水泥，砂石料為昌都本地天然料。

進入11月中下旬后，工地所在地溫度顯著下降，最低溫度達到-19℃，日間最高溫度10℃，日平均溫度處于-5℃以下，已處于冬季施工時段。面對嚴酷現實，編制冬季施工方案，采取多樣措施：①調整混凝土配合比，對板梁柱結構加大混凝土標號，將C25混凝土調整為C30混凝土，所有結構混凝土均添加復合型早強防凍劑（按膠凝材料摻量的5%進行摻加）；②采用熱水拌和混凝土；③采用暖棚法施工，夜間在暖棚內生煤火，保證暖棚內溫度在正溫以上，對柱粱等結構采用雙層保溫被加電熱毯進行保溫。混凝土加熱保溫養護7天，覆蓋保溫養護30天。

在12月11日，對系統部分混凝土結構物進行回彈儀強度檢測，檢測結果顯示，在混凝土7 d齡期時，C25混凝土強度平均為10 MPa，強度為設計強度的40%，14 d強度為設計強度的50%，28 d齡期時，檢測一組C25混凝土強度為19.1 MPa，強度為設計強度的75%，由此推測28 d齡期均未達到標準養護條件下混凝土強度比率，出現低強問題。

出現上述問題后，對上述結構混凝土進行回彈儀強度檢測追蹤，按混凝土齡期統計如表1。

表1 回彈儀檢測現場混凝土強度追蹤數據表

結果顯示，混凝土強度有所增長，增長率遠低于正常水平，28d后，混凝土強度增長非常緩慢甚至不再增長。

針對試驗結果，在2012年12月22日，在拌和系統骨料罐3#圈梁、2#、5#、6#膠凝材料罐基礎進行了破壞性試驗，4個部位的混凝土齡期分別為7 d、13 d、6 d、11 d，鑿開的混凝土中，各部位混凝土性狀如下：

1）7 d齡期的骨料罐3#圈梁強度為10 MPa，養護條件為7 d加熱養護，養護溫度平均為5℃，混凝土表面微濕，鑿開的混凝土內部濕潤，無明顯受凍跡象，混凝土凝固較差。

2）13 d齡期的2#膠凝材料罐地梁強度為12 MPa，養護條件為7 d加熱養護，養護溫度平均為5℃，混凝土表面干燥光滑無裂紋，鑿開的混凝土內部濕潤，無明顯受凍跡象。

3）6 d齡期的5#膠凝材料罐地梁強度為9 MPa，養護條件為6d加熱養護，養護溫度平均為5℃，混凝土表面微濕，鑿開的混凝土內部濕潤，無明顯受凍跡象。

4）11d齡期的6#膠凝材料罐地梁強度為10 MPa，養護條件為6 d加熱養護，養護溫度平均為5℃，混凝土表面干燥光滑無裂紋，鑿開的混凝土內部濕潤，無明顯受凍跡象。

根據現場實際情況對混凝土低強狀況進行分析，首先是混凝土是否受凍。果多水電站工程混凝土澆筑均在白天進行，入倉時無受凍跡象，同時工程混凝土保溫養護工作到位，混凝土養護期間亦無受凍跡象，混凝土破壞性試驗也表明混凝土內部無受凍情況。《JGJ/T 104-2011建筑工程冬期施工規程》說明冬季混凝土施工時，普通硅酸鹽水泥的混凝土受凍臨界強度為設計強度的30%，而現場混凝土均達到或超過此限值后，還繼續進行了較長的正溫保溫后才進行負溫保溫。由此可見，混凝土受凍影響強度的可能性很低。

對于外加劑的摻加分析，根據相關數據顯示，加氯鹽負溫混凝土7 d齡期實際強度為20%～25%（28 d標養）強度，28 d負溫混凝土實際強度為40%～50%（28 d標養）強度，180 d方能達到28 d標養強度。現場混凝土強度變化與其類似，但現場使用的JW-3型抗凍劑為新型復合型外加劑，具有高堿水、高早強、無氯低堿的特性，其試驗性能良好，早期強度提升很快，因此可判斷混凝土低強并非外加劑原因。

在查閱大量資料和咨詢相關專家的基礎上，認為混凝土低強的主要原因是混凝土入倉溫度過低導致。《JGJ/T 104-2011建筑工程冬期施工規程》相關條文要求冬季混凝土施工最低入倉溫度必須大于5℃，而現場實際情況是混凝土施工只能加熱水攪拌，而骨料及砂無法加熱。

在骨料及砂的溫度在-4℃時（白天實測溫度），加冰水攪拌，出機口溫度在-6℃，加50℃熱水攪拌出機口溫度在2.7℃，均無法滿足出機口溫度在5℃的要求。根據相關資料顯示，當混凝土出機口溫度低于5℃時，混凝土中水泥的水化熱反應將非常緩慢或停止，混凝土強度增長緩慢或不再增長。

在2012年12月21日，針對混凝土入倉溫度做了相關試驗，選取砂石系統半成品廊道側墻及骨料罐廊道側墻作為試驗對象，試驗結果如表2。

表2 試驗結果

試驗數據分析：加熱水攪拌后，混凝土出機口溫度能夠達到5℃以上。項目混凝土均為薄壁鋼筋混凝土，鋼筋占混凝土體積2.5%左右，板厚最大500 mm，單方混凝土模板耗用大，由于鋼筋及模板無法加熱，加之骨料凍透，骨料持續吸熱，在混凝土入倉后，混凝土內部溫度上升緩慢甚至出現下降，5℃的混凝土入倉溫度為假象溫度，實際溫度低于5℃，其溫度應參考熱力計算溫度。試驗結果反映混凝土7d強度依然偏低，證實上述分析，但試驗數據也顯示混凝土在加熱水攪拌后，15d強度增長較快，其強度增長率明顯高于冷水拌制的混凝土。

在2013年2月中旬，對上述試驗又進行了強度追蹤檢測，結果如表3。

表3 大壩壩頂高程計算成果表 m

表3 強度追蹤檢測結果

試驗結果顯示，在持續正溫養護條件下，混凝土后期強度出現增長，并達到設計值。

3 結 論

1）進入高原冬季施工期后，混凝土施工在只采取暖棚養護的情況下，混凝土7d、14d、28d強度增長緩慢，甚至出現零增長，其強度僅能達到設計值的40%左右。

2）高原冬季混凝土施工，在保證混凝土出機口溫度和暖棚養護雙重施工的方法下，混凝土7 d強度即早期強度依然嚴重偏低（設計值的40%），但強度會持續較快增長。

3）高原冬季混凝土施工，在混凝土早期未凍傷情況下，持續正溫養護，混凝土后期強度（180 d）能夠一直增長至設計值左右。

4）在高原冬季混凝土施工時，混凝土早期強度嚴重偏低，對混凝土結構上有后續施工的工程影響較大，建議冬歇停止施工；而無后續施工的混凝土工程可以施工，但需加強養護，同時建議在進度計劃編制上延長工期。