水利工程混凝土冬季施工技术研究

摘要：新时期，加强我国水利工程建设至关重要。为确保水利工程在灌溉期前投入使用，满足防汛条件，冬季施工就不可避免。在北方一些地区，水利工程冬季工期长达半年，而混凝土施工受到气候影响因素较大，因此必须予以重视。本研究结合混凝土施工的优势和缺陷，系统地研究了冻融循环发生的机理、危害，分析了水利工程冬季混凝土施工存在的问题，提出了最新的施工技术方案。以期给水工程在冬季施工提供理论依据。

关键词：水利工程；冬季；混凝土；施工技术

近几年来，我国极端天气频发，各类水旱灾害给农业生产，人民生活和群众生命财产都造成了巨大的损失，严重影响了人民的安居乐业。在此背景之下，加强水利工程建设就至关重要。受到极寒天气影响，冬季混凝土施工进度缓慢，技术复杂度高，受到冻融循环作用的影响大，在冬季高寒天气中，施工质量隐患具有滞后性[1]。这是由于冬季低温会影响混凝土的水分状态和内部结构，降低其水化作用，影响其强度提升[2]。加之硬化混凝土存在脆弱性，在冬季受到冻融作用的影响，引发潜在的严重收缩开裂问题，造成饱和水的混凝土的开裂和表面剥落，降低结构的抗拉安全性、耐久性和整体稳定性[3]。因此，在冬季必须高度重视水利工程混凝土施工的工作，深入分析其原理，针对冬季施工存在的问题，不断优化施工技术。

1 混凝土施工的优势和缺陷

1.1 混凝土施工的优势

（1）混凝土强度高，在硬化后和石头一样坚硬、耐磨、耐久而且耐风化，混凝土和其他材料相比，耐火性更强，远远强于普通钢结构。（2）混凝土可塑性强，凝固前是流塑体，可以根据水利工程的实际需求，浇制成不同规格的构件和结构物。（3）混凝土适用范围广，在热带、寒带，夏季、冬季都可以施工。而且随着品种的增加和技术的创新，其复合性更强，比如钢筋混凝土、纤维混凝土、树脂复合成聚合物混凝土，其物理学性能更卓越。（4）混凝土成本低，90%左右是砂和石骨料，开采容易，方便就地取材，还可以充分利用废渣、废液制造胶凝材料、骨料和外加剂。（5）混凝土施工方便，一般不需要复杂设备，使用的多是工业副产品，运输、搅拌、振搞工艺设备和技术相对简单，降低了施工难度。（6）混凝土施工能耗较低，与钢材、塑料相比，污染低，还能够充分利用废渣和废料，实现资源的再生利用。

1.2 混凝土施工的缺陷

（1）混凝土是非均质材料，尽管抗压强度很高，但是，不抗冲击、折和拉，这需要使用钢筋或者其他复合型材料提升其均匀性。（2）混凝土施工工期较长，需要在一定温度条件下进行养护，才能够达到需要的硬化强度。在冬季施工过程中，必须进行保温和促凝，因此，工期又比平时更长。（3）混凝土在硬化过程中会产生干缩，一旦超过极限收缩值，就会产生裂缝。因此，一般都需要采用膨胀水泥补偿收缩，以提升其抗裂性能。（4）水利工程混凝土长期承受巨大负荷，久而久之产生塑性变形，从而发生徐变现象，进而造成应力松弛，引起预应力的损失。

（5）水泥作为混凝土施工的重要原料，水化过程中会产生水化热，从而发生温度应力，当超过一定范围，就会产生裂缝。（6）普通混凝土的密度较大，可达

2 500 kg/m3，导热系数较高，这样会增加负荷，降低其保温性，因此需要外加保温措施。

2 冻融循环发生的机理、危害

在冬季寒冷天气，气温长期在5℃以下，在冰点以下水分就会冻结成冰，当温度提升就会溶解，长期反复这种作用下，就会产生混凝土冻害，破坏其组织结构[4]。由于混凝土的导热效率较高，孔隙水中可溶盐的浓度增加，毛细管内冰体表面张力加强，让冻体从大孔隙向小孔隙扩散，导致冰体形成和膨胀。膨胀压由两种因素引发，一是水结冰导致体积增大9%，二是在水分扩散过程中，产生渗透压，造成冰晶分层的破坏现象。在长期反复作用下，水分向易结冰区迁移，冰压力让裂隙不断扩大。总体来说，大粗骨料更容易发生冻害，冻融与荷载通过叠加，会加剧冻害[5]。在冻融作用下，混凝土会产生如下冻害：（1）裂缝：一般源自水分冻结膨胀，常存于混凝土接缝或构造裂缝中。（2）侵蚀脱皮：在完全水化阶段从空隙开始，一般在2 nm到10μm左右，要解决这一问题，需要降低水灰比，增加养护天数。（3）粗骨料露出：在水利工程中，由于水泥和粗骨料的界面剥离，产生冻结作用而膨胀。（4）崩出：一般也是由水分冻结导致的多孔质骨料膨胀，因膨胀压力挤压骨料而产生。外侧此外，混凝土本身也具有抗冻融性，其抗冻性好，受到冻融作用的影响就越小。

3 冬季混凝土施工存在的问题

水利工程混凝土施工本身要求更高，要更多地考虑将来投入使用的质量，以及受到水侵蚀等影响[6]。由于温度较低，在施工过程中会导致砂石结冰等现象，参与水泥水化作用的水就会相应减少，强度增长相应减缓。如果温度持续降低，那么水化作用就会完全停止，混凝土的强度就不再增长[7]。水凝固的过程会导致体积增大9%，产生巨大的膨胀压力，给施工带来困难。此外，极度低温也会导致外加剂凝固、骨料和钢筋表面上产生冰凌、混凝土内部形成各种空隙、搅拌机机口温度过低、混凝土密实性低以及搅拌机无法正常工作等问题。此外，大型混凝土构件在冬季施工较为困难，主要是因为内外温差较大，温度越低，外部降温越快，内外温差越大，这样在内部积累大量水分，就容易产生裂缝[8]。由于温度越高，水化越快，在冬季混凝土施工中，硬化过程大大减缓，强度和质量都会降低。在外界温度降低时，水和矿物质分离，产生废水，对混凝土的性能造成不利影响，在加载点和压缩点增加大量裂缝。在水利工程冬季施工中，既受到温度的影响，又受到工期的限制，因此，工程质量就面临较大的压力。在频繁的冻融状态下，水的形态反复变化，因此，对强度影响很大。另外，在冬季施工还要考虑混凝土钢筋锈蚀，结晶腐蚀以及表面起灰等问题。比如，在农业节水工程中，混凝土表面经常出现霜层，这就是典型冻害损伤问题[9]。

4 混凝土冬季施工的技术优化

4.1 引气技术的应用

4.1.1 引气的原理和要求

引气技术的原理是利用众多的微小气泡消除膨胀压力，让水分套利到充气孔中，避免破坏现象产生。气泡膜壁也能消耗水分，由于气泡直径小、分布均匀，能够提高混凝土的抗渗性，减少内部水量，降低冻胀程度。在水利工程中，由于水分侵蚀量较大，如果能够提高抗渗性，就能够有效控制侵蚀水的渗入。在反复冻融条件下，水分存在于气孔中，即使在融化之后也不会产生冻害。具体技术优化措施为通过外加剂引入空气，形成近似球形、直径50μm的气泡，从而截断水流通道，降低混凝土的渗透性。在引气过程中应该注意，要确保毛细孔体积的最小化，保证水灰比足够小，气泡尽量小，更好地抵御冻害。将混凝土和薄板的水灰比控制在0.5和0.45以下，确保其强度超过24 MPa。为确保引入气泡起作用，气孔间距应该控制在200μm和250μm左右，从而限定逸出水流的最远距离。

4.1.2 引气剂的使用

使用先进的引气剂进行处理，比如复合减水剂或引气减水剂，使之快速生成细小、稳定的气泡，在聚合与排斥的过程中，形成一层薄膜。为提升其性能，应该掺用其他外加剂，并且不能与引气剂直接接触。一般来说，引气剂的掺量和气泡量成正比，因此，还需要控制最大掺量。使用前，水泥应完全分散、搅拌均匀。掺入引气剂，能够提高混凝土的强度，改善其工作性能，提高了其抗侵蚀性。

4.1.3 施工要点

必须采用机械搅拌方式，控制搅拌时间，以确保引气量；控制混凝土温度，以增大引气量；适当增加坍落度，以提升引气量；提高砂率，确保砂的细度，提高引气量；充分溶解后，再进行配置，对絮凝进行加热溶解；在冬季环境下，要有规律地测试含气量；保持振捣均匀，适当降低频率，确保试验室和现场一致；加入微量稳泡剂，比如蛋白质、明胶；根据不同品种确定掺和量，比如松香热聚物和皂角粉分别控制在0.003%～0.02%和0.005%～0.02%。

4.2 施工前期准备

4.2.1 原材料选择

考虑到冬季极寒的特殊环境，混凝土施工必须选择耐寒的材料，比如，强硅酸盐成分的水泥。为保证快速硬化，可以采用快速强化型水泥，同时，搭配速凝剂提高效果。骨料要经过严格选择，而且进行预处理，具有一定的保温性。粗骨料在5～40 mm，含泥率低于1%，细骨料在0.35～0.5 mm。在50～60℃的室外温度下进行搅拌。其水灰比应该在0.6以下，甚至可以达到0.5，这样才有利于后期施工。为了提升原料的质量，需要对原材料进行加热，比如，采用水加热方法，以确保水加热效果达到10℃以上。水利工程中有大量的大体积混凝土施工，对于这一部分的施工应该考虑使用中热型水泥以及混合水泥。在钢筋混凝土工程中应该避免氯化物的使用，比如，无氯化物、无碱性防冻剂。一般可使用硝酸化合物，可通过加大剂量提高强度。针对外加剂容易冻结的状况，可以采用加热基材或模板，或者选择防冻防水合金粉等。采用水灰比较低的富拌和物，控制早期温度。对骨料的加热需要通过管道蒸汽，避免造成含水量的变化，温度控制在52℃以内。冬季施工尤其需要注意的是骨料中不能含冰，这样不但会改变水分含量，而且加热温度大量提升也会影响混凝土性能。

4.2.2 混凝土生产和浇筑

提前计算混凝土的生产温度，同时，减少运输次数，充分考虑运输过程中的热损失。先加热热容量大的水，然后对骨料进行蒸汽管道加热，确保受热均匀，不发生含水率发生局部变化。在搅拌骨料后，再加入水泥，避免水泥过早受热而马上凝固，因此，需要温度降低40℃以下再加入。混凝土浇筑必须在冻结温度之上，而且，在作业之前需要将模板和钢筋上的冰雪及时清除，同样采用蒸汽清除的方式，确保这些地方不冻结。可采用加热板进行浇筑，避免温度下降过快。通常应该采用施工棚等确保浇筑后的混凝土不能过久暴露在寒冷空气中。针对混凝土泵会冻结等问题，要对输送管道以及各类设备进行加热。

4.3 混凝土养护

根据温度量计算养护天数，在极寒天气下，应该将温度控制在10℃以上，在养护2 d以后，将温度控制在0℃以上。冬季施工最重要的是进行温度管理，准确记录生产全过程中的温度，一旦发生温度异常，要及时采用有效措施进行处理。随时使用温度测试装置进行强度测试，实时记录积累温度数据，精准计算养护停止等时间。如果实际气温较低，那么就要相应增加养护时间。在现场多设供试体，对温度和强度等指标进行多重测试。一般可使用隔热材料覆盖进行保温，在15℃以下，需要使用防冻剂。配合蓄热法进行保温，根据实际不同状况采用烧水锅炉、蒸汽或电极加热。冬季气温特低的情况下，可采用供热养护方法，比如通过室内、篷罩、隧道、立窑等方法进行保护[10]。对蒸养制度进行优化，调节预养期，这非常有利于后期混凝土性能的提高。在升温期对升温速度进行控制，比如预养时间长，强度较高，那么应该慢升温、短热养。在恒温期将温度控制在75～95℃左右。降温期要从各方面均衡降温，避免产生较大收缩。

4.4 质量控制

水利工程作为大型工程，必须做好质量计划与控制，认真进行图样会审和技术交底，实施“4M1E”的控制。同时优化施工现场质量保证体系，严格各项工序，按照混凝土工程质量管理卡进行施工。利用现场智能化和信息化设备，做好巡回施工检查。并且及时对成品进行保护、包裹、覆盖、局部封闭，防止污染和损坏。

5 结语

为确保水利工程主体结构安全，在冬季应该采用低温混凝土施工方案，避免在反复冻融条件下造成裂缝、侵蚀脱皮、崩出等损害。因此在施工过程中，因此采用引气等技术防止冻害，合理配比原材料，做好保温等措施进行浇筑和养护，并且严格进行质量控制，以确保水利工程混凝土的工作性能。

参考文献

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