高寒地區凍融混凝土配合比設計及施工控制研究

張興旺，馮 熊

（蘭州資源環境職業技術大學，甘肅 蘭州 730021）

高寒氣候條件下的環境溫度對土方、混凝土及鋼結構等項目影響較大，同時高寒地區施工技術與正常條件下的施工技術差異較大，導致高寒地區凍融混凝土配合比設計及施工控制措施成為廣大學者研究的重點。據此，本文以高寒地區凍融混凝土配合比及施工控制展開研究，旨在為我國相關建筑人員提供理論指導及幫助。

1 高寒地區凍融混凝土配合比及施工控制方法分析

1.1 配合比設計

從實質角度來看，高寒地區凍融混凝土配合比及外加劑添加主要以早期強度為核心。混凝土低溫受凍的原因是由于混凝土中的水分在受凍時會發生體積膨脹導致其發生破裂，據此可以推導出在高寒環境下混凝土的水灰比應該是關鍵因素。不同水灰比的混凝土抗壓強度試驗結果見表1。

表1 不同水灰比的混凝土抗壓強度試驗結果

試驗中水灰比混凝土以凍融實驗后抗壓強度滿足相關工程設計需求為主，但通過試驗結果來看，上述3種水灰比混凝土經200次凍融后相對凍彈性模量為81.1%、75%及81.2%，均滿足高寒條件下凍融混凝土需求。為進一步探究凍融混凝土配合比抗壓強度，通過適當添加粉煤灰進行調配檢測，具體見表2。

表2 融入粉煤灰的混凝土抗壓強度試驗

通過上述分析可以看出，高寒地區下混凝土配合比及具體施工中除要對水灰比進行控制外，還應對粉煤灰進行考慮。

1.2 外加劑

在高寒氣候條件下混凝土施工中常用外加劑主要有以下類型。

1.2.1 防凍劑

防凍劑作用機理是通過添加物的物理特性來減少混凝土的凝點，保證混凝土內部在一定的溫度范圍內存在大量的自由液相水，保證混凝土的水化過程，防止由于液相水的凝固而停止混凝土的水化作用，破壞混凝土內部的結構。據此，必須保證所加入的防凍劑在一定的范圍內。同時，要注意的是，在室外氣溫下降的時候，要適當提高防凍劑的濃度。在高寒地區，一般使用的抗凍劑是一種可以減少水分凝結的無機鹽[1]。

1.2.2 早強劑

由于混凝土在達到臨界抗凍強度后，會受到高寒天氣的影響，所以可以在高寒地區加入適量的早強劑，以加快混凝土的早期水化和硬化速率，使混凝土早日達到甚至超越極限抗凍性。在混凝土中加入早期強化劑后，由于其化學活性加快水化反應及混凝土的固化速度，降低混凝土在低溫環境下的損傷和影響。

1.2.3 減水劑

減水劑的主要功能是降低水泥水灰比，降低混凝土中的自由液相水含量，降低混凝土中的液相水凝固后的體積變化，減少引起混凝土凍害的因素。同時，減少水泥用量，可以改善其強度，改善其抗凍性。

1.2.4 引氣劑

混凝土中加入的引氣劑會在混凝土中形成大量的氣泡，這些氣泡在混凝土中的分布是均勻的，這些氣泡彼此獨立，為混凝土中的水汽凝固提供一個擴張的空間，防止因濕度的增加而造成的凍脹對混凝土結構造成損傷。同時，由于引氣劑的作用，形成一個封閉的、彼此獨立的氣泡，堵住混凝土中的毛細孔，阻止混凝土中的濕氣進入，降低混凝土中的滲水量，增強混凝土的防滲性能。常用的引氣劑有松香熱聚物、皂莢素等。北歐和北美等國家都提出，在高寒天氣下，要在混凝土中加入加氣劑，或采用加氣混凝土，可以改善混凝土的含氣率。

1.3 施工措施

1.3.1 混凝土預熱

為使混凝土在澆筑過程中的溫度達到標準規定，必須在混凝土混合之前先進行預熱。目前，預熱方法主要是加水、集料預熱。加熱器混合水的主要做法是準備一個較大的水箱，水箱應按工程需要≥10 m3，水箱應選用金屬材料，如果采用蒸汽加熱，可以在水箱外面安裝隔熱棉，并用鐵皮包裹，加熱時可以通過明火加熱罐體，或者用高壓電熱絲進行加熱，水的加熱溫度通常在40~60℃左右。砂料、骨料的預熱主要是蒸汽加熱，將砂料和骨料的倉庫封閉起來，布置蒸汽加熱管，提高砂料、骨料的溫度；砂料、骨料的底部可設置加熱爐，并在砂料、骨料堆的底部設置蒸汽加熱管，并在砂堆、骨料的頂部鋪上一層帆布，在砂堆、骨料之間形成一個密閉的空間，將砂料和骨料進行密閉，如果不能進行砂料、骨料的密閉，也可采取覆蓋堆放的方法，將砂料、骨料覆蓋在上面，并在儲料斗中裝入蒸汽，將砂料、骨料加熱。為確保混凝土的拌和溫度，可以將水泥預先儲存在大棚內，并通過電加熱等方法來增加水泥的溫度，從而達到穩定的混凝土溫度。

1.3.2 混凝土輸送

混凝土攪拌后的溫度隨周圍氣溫的變化而變化，其熱量容易損失，為確保其在輸送過程中的溫度，必須對其進行保溫。采用水泥罐車進行運輸，由于混凝土在罐車內部密封，與外界接觸少，有利于維持溫度[2]。

1.3.3 混凝土澆筑

在混凝土澆筑過程中，由于與周圍的熱交換，導致大量的熱量損失，必須采取相應的隔熱措施來降低其熱損失。在進行混凝土澆筑之前，必須做好以下工作：清理工地上的冰塊，避免不必要的熱量損失；檢查模板外保溫措施的完整性，用鋼絲將保溫棉等保溫材料固定，以防混凝土局部凍結[3-4]。

1.4 養護措施

在施工期間進行保溫是保證混凝土施工質量的關鍵。在高寒地區采用的最多的是蓄熱法、暖棚法和蒸汽養護法。水泥水化反應產生的熱量很大，如果在混凝土上涂一層隔熱層，可以防止混凝土的入模溫度和水化熱的熱量溢出，而且還能防止外界的自然寒冷，而蓄熱法就是在混凝土的表面覆蓋一層隔熱材料[5]。

1.4.1 蓄熱法

采用蓄熱法，通過在混凝土中加入外加劑，可以在一定程度上提高混凝土的抗凍性，從而確保在一定的溫度下，保持混凝土的強度持續增長。采用一體化蓄熱技術具有操作簡便、運行費用低等特點。

1.4.2 暖棚法

暖棚法和蓄熱法的應用范圍類似。它是利用外界的熱源來提升混凝土的養護溫度，使混凝土在正常的環境下得到增強。具體的施工方法是在建筑工地架設隔熱、加溫暖棚，利用蒸汽管道、暖風機等外部熱源進行供暖，確保大棚的溫度在0~5℃左右，以滿足混凝土在正溫環境中澆筑和養護。但暖棚法施工成本較高，其成本主要包括兩個部分：第一，建筑暖棚需要大量結構及保溫材料，并與其他季節不同，且施工勞動條件良好，可確保高勞動生產率；第二，熱棚法是一種適合于地下建筑和混凝土構件密集的施工方法。為確保大棚法的養護效果，防止由于缺乏熱量而產生負溫，在大棚施工中，要在具有代表性的部位設立測溫點，每天測溫不能少于4次，而且每處的溫度不能低于5℃[6]。同時，在保溫過程中要注意保持室內的相對濕度，避免混凝土的水分流失。

1.4.3 蒸汽養護法

蒸汽養護法是以水蒸氣為外熱源，通過對新澆筑的混凝土進行直接或間接的傳遞，使其在混凝土周邊形成一種具有一定溫度的濕潤和高溫環境，從而加速其固化。蒸汽養護技術的作用與水泥中的礦物組成和混合料類型有關。蒸汽養護方法適合于礦渣、火山灰、硅酸鹽水泥。因為鋁土礦的固化環境溫度不能超過30℃，因此不能使用蒸汽養護。它的優勢為水蒸氣的含水率高、濕度大、造價低、不易引起火災。

2 高寒地區凍融混凝土配合比設計及施工控制實踐——以西藏A項目為例

西藏A項目占地面積7 669 m2，總面積27 651 m2，建筑地下1層，地上25層，建筑高度103.6 m。項目所處地海拔高度為2 980 m，高寒氣候條件下施工周期為每年10月15日至次年4月15日。結合施工組織設計計劃，項目凍期施工組要以地下結構施工、地下防水工程、支付工程為主。因工程中動機混凝土施工工程量較大，同時施工所處高寒地區，如何對凍融混凝土配合比設計及施工質量控制成為此次工程亟待解決的重要問題。

2.1 凍融混凝土配合比設計及外加劑添加

2.1.1 水泥

選擇西藏一廠家生產的P.O42.5級水泥，按GB 175—2007《通用型硅酸鹽水泥標準》，對其比表面積、凝結時間、安定性、標準稠度用水量、膠砂強度等指標進行測試。結果符合高寒地區凍融混凝土強度、抗凍性、抗滲性等標準[7]。

2.1.2 粗骨料

粗集料以西藏出產的細粒徑5~20 mm、20~40 mm為主要原料，對粗集料的表觀密度、泥量、泥塊含量、針狀顆粒含量、超遜徑顆粒含量等進行測試，均符合相關標準。

2.1.3 細骨料

細集料為西藏出產的自然砂，按SL 352—2006《水工混凝土試驗規程》標準對細集料的表觀密度、堆積密度、泥塊含量、含泥量、孔隙率及細度模數等進行測試，均符合相關標準。

2.1.4 添加劑

添加劑是西藏一家企業研制的SJ-1型導氣式減水劑，推薦用量為1.0%。根據GB 8076—2008《混凝土外加劑》，對減水率、泌水率、含氣量、凝結時間差、抗壓強度比等指標進行測試，均符合相關標準。

2.2 混凝土運輸保溫措施

A工程采用本地廠家供應的商品混凝土，并與施工場地相距3 km。為保證在混凝土輸送期間采取適當的保溫措施，施工單位應對3條可能到達的線路進行分析，并對其進行合理的運輸路線設計，從而縮短運輸時間，降低運輸途中的熱量損失。同時，在最優運輸路線遇到阻礙時，制定應急路線，實現在15 min內完成混凝土從攪拌站到工地。并對混凝土輸送車進行相應的改裝，在罐體外側安裝30 mm厚的隔熱棉片，以降低運輸期間的混凝土熱量損失，確保混凝土到達工地的溫度滿足熱工計算的要求[8]。

根據工程的熱力計算，在施工過程中，混凝土的出料點應該在15℃以上，然后在10℃以上。在混凝土澆筑之前，將50 mm的保溫棉包裹在混凝土泵管道內，在棉被外面包上一層彩色條布，并用鋼絲將條布捆綁牢固，實現降低混凝土在泵送時的熱量損失[9]。

2.3 混凝土澆筑溫控措施

澆筑前在墻、柱模板上再加10 cm的隔熱棉，四邊用鋼絲綁緊，并在澆筑之前檢查是否有疏漏。為確保澆筑的質量，根據相關的熱力計算，在施工過程中，混凝土的出料點不小于15±2℃，下料口的入模溫度不得低于10±2℃。

混凝土澆筑時盡可能地減小在同一時間內澆筑的工作面，當梁、板段同時澆筑時，應采取“趕漿法”，由一頭到另一頭進行分段澆筑[10]。混凝土澆筑后應立即振搗致密，并應及時進行平整。在抹光處理結束后，應及時進行保溫處理，在混凝土表層溫度下降到2℃以前，先用塑料膜覆蓋，再用10 cm厚的保溫棉，以減少混凝土的直接暴露時間，并保證保溫時間不少于72 h。在澆筑施工之前，先檢查墻、柱模板覆蓋的隔熱棉，如果有遺漏，要立即進行包扎，以免模板不覆蓋部位出現局部凍傷。在垂直混凝土施工之前，除在模板外面加一層隔熱棉布，還要采用外腳手架搭建一個暖棚，以避免冷風與施工混凝土接觸面直接接觸，降低澆筑過程中的熱量損失。柱子和墻壁的混凝土必須持續進行每隔2 h的澆筑。

2.4 保溫養護

在承臺處進行混凝土澆筑時，最小的溫度不能低于－5℃，白天最低溫度在0℃以下，通過熱力學計算，可以通過蓄熱的方法來保證混凝土的強度。通過對不同工況下的試驗，結果表明，在3 d齡期混凝土試塊抗壓強度達設計強度的60%，7 d齡期混凝土試塊抗壓強度達設計強度的60%，7 d齡期混凝土試塊抗壓強度達設計強度90%以上。在此工程中，由于在高寒地區的工程箱梁部位進行工程質量控制，其強度為C50、水灰比W/C0.35、表面系數接近5 m-1，由于不適合進行大棚保溫，為防止水分的快速流失，也不宜采用蒸氣養護，根據歷年同期氣溫變化趨勢，咨詢氣象部門得知，施工近期溫度不低于-15℃，故優先蓄熱法養護。通過熱力學計算，得出在15℃以下或10℃以下的混凝土中，混凝土的冷卻時間為139.18 h，根據不同齡期的混凝土生長強度表，發現在139 h后，其強度可以達到設計強度60%，超過設計強度30%。

3 結束語

本文綜合高寒地區凍融混凝土配合比設計及施工質量控制特點，結合A項目凍融混凝土配合比設計及施工質量控制，進行了相對全面的分析與總結，通過對相關配合比設計及質量控制措施研究，旨在為我國高寒地區凍融混凝土施工提供理論指導。