大体积混凝土冬季施工措施浅析

曹军 中铁七局武汉公司

大体积混凝土冬季施工措施浅析

曹军 中铁七局武汉公司

本文主要论述了高位大体积混凝土在北方冬季低温条件下施工中通过对混凝土抗冻理论的应用对混凝土施工进行多方面的控制，保证混凝土施工质量的实例。

配合比；灌注；养护

1、混凝土受冻害损伤

混凝土受冻害损伤可以区分为两种情况：（1）剥落脱皮是由于冻融引起的混凝土表面材料的损伤；（2）内部损伤是表面没有可见效应而在混凝土内部产生的损害，它导致混凝土性质改变（如动弹性模量降低）。至于新拌混凝土受冻害损伤后则会导致混凝土冻胀破坏。黄延高速公路第六合同段位于陕北地区，常年负温为130d左右，防治混凝土受冻害损伤在冬季施工中具有重大意义。

2、混凝土受冻害损伤的原因

2.1 新拌水泥混凝土的受冻害损伤的原因

新拌混凝土的强度低、空隙率高、含水多，极易发生冻胀破坏。冻胀破坏的外观特征是材料体内出现若干的冰夹层，彼此平行而垂直于热流方向。其过程为：结构物表面降温冷却时，冷流向材料体内延伸，在深处某水平位置开始冻结，一般从较粗大孔穴中水分开始，冰晶形成后从间隙吸水，发育增长，且是不可逆转的过程，水分从材料未冻水或从外部水源补给，并进行宏观规模的移动。第一层孔穴中冰冻后，在冰晶生长的过程中，材料质体受到拉应力σt，如果超过抗拉强度即破坏。

2.2 成熟混凝土的受冻害损伤的原因

混凝土构件中的孔径分为三个范畴，即凝胶孔、毛细孔及气泡，在某一固定负温下混凝土构件中水分只有一部分是可冻水，可冻水产生多余体积直接衡量冰冻破坏威力。

可冻水（即冰）主要集中在水泥石及骨料颗粒的毛细孔中，凝胶水由于表面的强大作用不大可能就地冻结，气泡水易冻结。混凝土构件中各种孔径的空隙可认为连续分布，分布在这些空隙中的水在降温过程中将按顺序逐步冻结，不可能同时冻结。冻水一般是温度的逆函数，温度愈低，可冻水愈多。

连续的毛细管沟网络体系破坏过程；随着水化进展凝胶体生成，网络的联系被破坏、分成个别孤立的毛细孔（水在其中冻结的容器），而凝胶连同其特征性凝胶孔和少数细小毛孔就构成透水器壁。随着水化深入，材料质地致密及温度的下降，将有更多细小空间的水参与冰冻，作为器壁的凝胶的渗水性也不断减小。

当冰冻多余水受水压力推动向附近气泡（逃逸边界）排除时，材料本身将受到推移水分前进的后应反作用力导致受拉破坏。材料组织愈致密水流宣泄不及，疏导不畅引起的动水压力增大。

水泥浆中包含的一般是盐类稀溶液，一旦冰冻后变为纯冰和浓度更高的溶液；随着温度下降，浓度不断提高。另一方面邻近凝胶中水分始终保持不冻，其溶液浓度保持原有的水平，于是在毛细孔溶液和凝胶水之间出现浓度差。浓度差使得溶剂向溶液中自发扩散渗透，即溶质向凝胶水中扩散，而凝胶水向毛细孔中浓溶液转移。其结果毛细孔中水分增加，和冰接触的溶液稀释，冰晶逐渐生长，长大。当毛细孔穴充满冰和溶液时，冰晶进一步生长必将产生膨胀压力，导致破坏。

另一方面在水压的情况下，水分冻结膨胀，多余水在压力推动下外流，流向可能消纳水分的未冻地点；作为水流的结果压力消失，析冰情况正好相反：水分不是从冰冻地点外流，而是从未冻地点（凝胶）流向已冻冰地点（毛细孔），方向恰好相反。未冻地点的水移动一定距离后，最后以冰冻结束，作为水流运动的结果产生压力。

以上两点可以综合为：第一阶段毛细孔中始发的冰冻，向所有方向产生的水压力，引起内应力；第二阶段较大毛细孔中水分首先生成冰晶，可从小孔中吸引未冻结水使自身增长，产生静应力。

骨料作为一个组分，如果冰冻膨胀同样会成为导致混凝土破裂的应力来源；为了保证混凝土完好，必须要求骨料和水泥净浆两者都不破坏。由于引气混凝土的广泛使用，水泥净浆的抗冻性较易保证；从这个意义上来说，骨料抗冻性更具有突出意义。如颗粒大到一定限度以上，核心存在的距离任何逃逸边界均在临界尺寸以上的保水区域，此时将因超过骨料破裂强度的内部水压力而破裂，这就是临界储存效应。凡属中等吸水、细孔结构、渗透较低的岩石，这种危险较突出；空隙多、渗透性强的骨料临界尺寸也很大。在特殊情况岩石吸水率极低（如重量吸水在0.5%以下的石英岩），可冻水极少，冰水是无渗应力出现；根据施工经验应避免使用高度吸水骨料，小颗粒石粒可以得到较大抗冻保证。

综上所述，混凝土材料的抗冻性是以下三方面的变函数即：（1）材料的性质（强度、变形、空隙情况）；（2）气候条件（冻融循环次数、最低温度、降温速度、降水量、空气相对湿度等）；（3）材料使用方式（降水量、自由水及跨越材料的蒸气压梯度与温度梯度）。区分这几方面变数将构成研究这一复杂问题的一个根本方式的转变，这样我们就有可能正确预言材料在指定环境中的抗冻能力。

3、混凝土抗冻理论在工程上的应用

根据材料的抗冻性上述的函数，在施工实践中采取的抗冻施工措施如下：

采取掺用防冻剂以降低新拌水泥混凝土的内部水溶液冰点以及干扰冰晶生长，有效保护未成熟混凝土不受冻胀破坏，在负温条件下能够继续水化。

采取掺用引气剂，引气不仅在表面无冰时减轻大体积冰诱导冰冻的出现，并且在过程中也减轻了冰挤出的损害，消纳更多的毛细孔中冰冻所产生的多余体积，有助于保护成熟混凝土免于伤害。

配合比设计采取高效减水剂尽量降低水灰比并经过充分水化，就有可能做出实际上不包含可冻水的饱和混凝土构件。不包含毛细水（或数量很少）的混凝土构件，由于凝胶中空间极微细，结晶的始发十分困难，并不发生冻结，故施工中尽量不使用粉煤灰作为外掺料加入混凝土。

选用岩石吸水率较低（如重量吸水在0.5%以下的岩石），可冻水极少，骨料表现安全，不受冰冻伤害，同时使用小颗粒石粒可以得到较大抗冻性保证。

改善混凝土的气候条件以及使用方式，在地面以上的混凝土结构的冬季施工中，采取棉毡包裹等有效的蓄热保温措施，使新拌混凝土在正温条件下水化，强度达到设计强度后采取棉毡包裹继续保温，以此延长混凝土养护周期，保证成熟混凝土充分水化，尽量降低构件毛细水含量，防止成熟混凝土的受冻。

混凝土的冬季施工要求：

（1）混凝土冬季施工的材料储备保温。为避免入冬以后进料困难、砂石料在料场或运输过程中受冻，砂石料应在入冬前组织进场；砂石料应在入冬前进行盖上10cm以上的草袋以及棉毡或采取其他措施，必须保证砂石料不受冻、温度在0℃以上，同时防止出现冰雪、冻块进入搅拌机内，给混凝土温度带来损失；防止过大的冻块堵塞砂石料输送带；防止部分冻块进入搅拌机内会很难被粉碎、溶化，严重影响混凝土质量；水泥、外加剂应在库房或暖棚内进行保温，禁止对其进行直接加温；冬季温度过低，应提前做好水源储备并防止污染。

（2）混凝土拌和料的加温。在对搅拌站进行搭设温棚保温、砂石料保持正温的情况下，混凝土拌和料要加温，拌和水加热温度根据混凝土拌和物混合温度和计算控制。

（3）混凝土的拌和。混凝土拌和料的投料顺序：1）砂石料进拌和机加90%的水进行搅拌1min；2）水泥、外加剂进拌和机进行搅拌1.5min以上并补充剩余10%的水分；砂石料与水泥、外加剂分开进料斗，必须以此防止水泥、外加剂接触热水发生水泥“假凝”现象；拌和时间适当延长，以防止出现：a）混凝土颜色不均匀、外观质量问题；b）防止材料间热交换时间过短，混凝土和易性和施工性能差。

（4）混凝土的运输。各种混凝土运输车、混凝土输送泵以及管道在使用前必须用热水清洗加温；保证运输过程顺畅、运输速度快速；混凝土泵安装后要加保温采暖棚，管道用棉毡包裹保温；管道在使用前后用热水冲洗干净，防止混凝土残料在管道内冻结、影响畅通。

（5）混凝土的浇筑。旧混凝土要冲洗干净，并进行加温，包括模板、钢筋均必须采取有效措施如暖棚进行加温至10℃以上方可进行混凝土浇筑；尽量减少因施工操作引起的混凝土拌和物温度损失，如减少混凝土暴露时间、及时对混凝土予以保温。

（6）混凝土的温度监控。建立温度检测制度、指定专人负责，建立完整的检测记录。在老桩和特大桥冬季施工中外加剂的选用具有防冻、引气、减水等功能的复合性外加剂，采用5～25mm连续级配碎石粗集料与水泥配合，施工中防冻效果良好，能够满足现场冬季施工的要求。

4、施工应用实例

4.1 工程概况

北同蒲朔州—宁武增建二线工程新建石湖河大桥全长348米，10～32米后张法预应力混凝土梁单线桥、T型桥台、圆端型桥墩、挖井和扩大基础。桥墩高5.0m～18m之间，墩台身C30混凝土，2800方。

桥所在区域属中温带轻半干旱气候。气候基本特征：冬长寒冷、夏短多雨，主要气候要素如下：年平均气温6.2℃,极端最高气温34.8℃，极端最低气温-27.2℃，最大冻土深度169cm。按对铁路工程影响的气候分区，该地区属于寒冷地区。

混凝土冬季施工，根据《桥涵施工规范》的定义，是指“室外日平均气温连续5d低于5℃”条件下的施工，一般情况下，野外现场露出地面的混凝土由于采取蒸汽养护十分困难，为防止混凝土受冻，冬季一般不安排施工，但工期很紧的情况下，就不得不进行冬季混凝土施工。该桥墩身施工就位于冬季施工阶段。

4.2 施工工艺

（一）工艺流程

图1

（二）施工工艺

1、冬季施工一般规定及控制目标

根据《建筑工程冬季施工规范》（JGJ104-97）和《铁路桥梁施工规范》结合本项目特点，当工地昼夜气温连续3d低于5℃或最底气温低于-3℃应采用冬季施工措施，并能满足以下规定或要求：（1）、冬季施工的混凝土在入模后，混凝土强度未达到设计强度30%以前不得受冻。（2）、混凝土出厂及入模温度在10℃以上，但不得大于35℃。3）、砼入模时，模板温度不低于2℃。（4）、从施工工艺及工期考虑，砼在10天内达到设计强度。

2、制定冬季施工措施

根据现场施工条件，制定了混凝土施工过程的各个保证措施：

（1）、在进入冬季施工以前，及时和气象部门联系，掌握当年冬季天气趋势，并根据天气预报在施工中根据气候变化随时调整措施，确保冬季施工达到要求。

（2）、混凝土搅拌采取对原材料保温防冻或加热的方法保证混凝土温度，同时为了保证质量掺加防冻剂。

（3）、混凝土运输时对运输设备进行保温。

（4）、混凝土灌注前、灌注后采取保温措施。

3、冬季施工有关计算

混凝土冬季施工一定要在科学技术指导下，有计划、有步骤、有组织的进行，不能盲目蛮干。因此，我们结合当地历年气温情况及以前积累的相关施工经验，经过一系列反复计算，最终取得在当地地区混凝土冬季施工中各施工工序的控制温度数据，作为指导具体施工的最可靠依据。当当地冬期外界温度-10℃时，经计算拌和物出机温度T1≥24.7℃，混凝土拌和物温度T0≥27.5℃。要满足此控制温度，拌和用水要加热至70℃，砂、石加热至20℃；当环境温度为-5℃时，T0应不小于21.2℃，此时水、砂石料加热温度分别为55℃、15℃、15℃方能满足施工要求。为此，对于砂、石料的加热，我们经过计算，暖棚（设计为40m×40m×5m）每小时耗热量Qh=174000W（相当于150000大卡），考虑温度变化及蒸汽针法加热砂石料的要求，选用LSS0.5-0.8-Y 型低压蒸汽锅炉（每小时供热量35万大卡）；对于拌和用水，根据拌和站施工能力，每小时需要热水8吨，每次施工需要70吨热水，采用预先加热并储存一定数量（20吨）的办法，每小时需供热水5吨，选用CLHS0.47MW-95/70Y型常压热水锅炉可满足要求；对于桥墩养生锅炉的选择经过计算选用LHS0.06型立式汽水两用锅炉（每小时供热量5万大卡）满足施工要求。

4、混凝土的搅拌

（1）在混凝土中掺加广州西卡天津分公司生产的HE-200-C 型防冻剂，C25、C30砼的掺量为1.55～2.0%对搅拌站主机采取挡风和保温措施，采用棉篷布对砂石料进行覆盖，避免砂石料结冰。

砼的配合比如下：

（2）、搅拌站蓄水池用保温材料覆盖并密封，热水采用40万大卡热水锅炉（每小时出热水8吨）直接加热，加热温度控制在60℃以内（环境温度-5℃以上时），当环境温度低于-10℃，可将水加热到70℃，但此时混凝土搅拌时应将水和砂石料搅拌均匀后方可投入水泥，避免水泥和热水直接接触。

（3）、砂石料场地分为保温棚和存料场两部分，保温棚采用大型军用帐篷，计划40×40×5m大小，确保存混凝土1500m3以上的原材料，帐篷内采用锅炉蒸汽加热保温，确保环境温度10℃以上，每次混凝土施工前5小时，锅炉开始供气。搅拌混凝土前采用蒸汽针法对砂石料重新加热到需要温度（环境温度-5℃以下时，砂石料加热到20℃，环境温度-5℃以上时，砂石料加热到15℃），锅炉采用燃油锅炉1台，存材料场40×40m，直接用帐篷覆盖。

（4）、砂石料上料料斗采用大棚进行封闭，为确保砂石料温度，搅拌站备用保温加热料斗3台。砂石料加热装置和红外线热风炉产生的热风作为热源，碎石加热用对流方式在碎石加热炉内进行热交换，排出具有一定温度的尾气通过压风机引入砂加热炉，用流化床形式加热砂。

（5）、用保温材料对搅拌站进行封闭，棚内利用热风机配合暖气进行保温，棚内温度控制在10℃左右。技术人员每小时测量并记录温度一次。

（6）、砂石料保温棚内在不同部位放置不少于3个温度计，工地试验室，拌和站技术人员在施工期间每小时对保温棚温度、砂石料温度、水温度、混凝土拌和物温度测量一次，环境温度-5℃以下时确保混凝土出料温度在27.5℃以上（环境温度-5℃以上出料温度应在21.2℃以上）。

（7）、试验人员每次根据采用蒸气保温后砂石料的含水量调整施工配合比。

（8）、为确保冬季施工混凝土的和易性和流动性，混凝土搅拌时间应不小于2.5min，但不宜大于3min。

（9）、为提高混凝土的早期强度，混凝土坍落度控制在12cm～14cm范围内，并搀配高效减水剂。

5、混凝土的运输

混凝土运输采用搅拌运输车运送，运送距离3公里以内，地泵或泵车进行混凝土的灌注，采用缩短混凝土运输时间、运输车保温、混凝土输送泵用直管等措施，以减小混凝土运输过程温度损失。

6、混凝土的灌注

（1）箱梁砼灌注

暖棚采用多功能脚手架做骨架，外套采用棉棚布、单棚布一层。棉棚布按暖棚布尺寸及相互搭接减小漏风的要求进行特殊加工，棚布中均夹杂毛毡，毛毡厚度为1.5cm，棚底为现浇支架的木板、铁皮共同构成的保温层组成。

（2）桥墩砼灌注

灌注前应在墩身模板外悬挂2层草袋，外面用彩条布包裹以达到对墩身进行保温的作用。并在模板内部安装循环冷却水管。对模板内部进行清理，清除杂物，并对模板进行润湿。灌注混凝土前混凝土到达后对混凝土进行测温，保证混凝土入模温度不低于10℃。采用插入式振捣棒振动时，应注意振捣质量防止超振、漏振。

7、混凝土的养生与温度测试

（1）混凝土养生

混凝土浇筑完后，及时覆盖暖棚，通过蒸气对梁底、腹板加热进行保温养护，蒸气排管的布置根据暖棚空间所需的热量进行计算。在靠近底板30cm左右的梁体的四周布设蒸气排管，底模板下蒸气排管用胶管连接在一起，各条管线的供热量由分气罐控制，分汽缸与排管也用胶管连接，尾气排至棚外。

蒸气养护采用低压饱和蒸汽，其升温速度每小时不大于10℃。

由于大气温度较低，棚内外温差悬殊，棚内底部与顶部温差也较大，按设计要求棚内温差不大于10℃，为达到此目的，可在棚内空间设置两道温度屏障，以减弱空气在竖向的对流速度，如棚顶温度大于40℃时，可掀开部分篷布，散发部分热量，尤其注意控制混凝土各部分温差不大于25℃。

蒸气防护分升温—恒温—降温3个阶段，恒温控制在50℃以下。当混凝土强度大于30%设计强度后，方可停止供热保暖，但大棚内降温应满足《冬季施工规范》的要求，即降温速度每小时不大于10℃。

混凝土拆模时，环境温度与梁体温度差应小于15℃。

桥墩的养生中的升温-恒温-降温参照箱梁的养生要求，混凝土强度达到设计强度30%以上后（养护两天），桥墩暖棚按照降温要求降温，当暖棚内温度与环境温度差小于10℃时拆除暖棚，当桥墩温度与环境温度差小于15℃后，拆除桥墩模板并用塑料薄膜包裹继续养生。

（2）温度测试

混凝土冬季施工过程中，由试验室（负责搅拌站、混凝土）和质检工程师（负责墩身温度控制）按时测量水、骨料，混凝土出罐、入模测量四周的温度以及混凝土温度变化情况，尤其注意混凝土养生期的温度观测：

①测温仪器：外界气温和棚内气温及循环冷却水温均用自动温度计记录仪观测，混凝土出罐、入模温度用旁通温度计测试，箱梁内各观测点温度用多头温度仪测试。

②观测点设置：在浇筑后的混凝土上设测温孔，墩身测温孔横向向设置在墩身中心及墩中心到圆端端部1/2处，竖向墩身方向沿上、中、下3个截面设置。循环冷却水测温点设置在水箱中。混凝土梁测温孔位置设在腹板通风孔和梁底泄水孔位置，每联箱梁设12个测温点。分别设在腹板、底板、顶板。要求各测点温度接近。

③测温时间

大棚内各观测点，自混凝土浇筑完毕时间算起，每隔2小时测一次温度，外界气温在每天7时、12时、16时和24时4个时间进行记录。

④具体做法

A、对测温孔进行编号，并编制测温孔布置图以备查。

B、测温时，温度计与外界气温隔离，避免冷空气影响，温度计在孔内停留时间在3min以上。

C、设专人负责测温工作，当发现温度发生异常变化时，立即向有关人员汇报，以便及时采取措施。

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.042