冬季混凝土施工電加熱養護工藝研究與應用

朱 華,熊 靜

(中國水利水電第十二工程局有限公司,杭州 310004)

1 綜 述

冬季混凝土澆筑和養護比較困難,混凝土的質量和強度難以保證。我國北方等高寒地區很多工程項目到冬季在經濟因素和技術因素的影響下基本停止混凝施工,影響整個工程的進度。在負溫環境中進行混凝土作業并保證其施工質量就顯得尤為重要。

傳統混凝土澆筑的環境氣溫一般需保持+5℃以上,使用電加熱養護技術,有效解決了在嚴寒、高寒地區的混凝土結構在負溫條件施工養護的問題。

2 工藝原理

混凝土在終凝前如受到負溫環境,水泥的水化作用受到阻礙,其中游離水分開始結冰,體積增大,使混凝土凍裂而嚴重影響混凝土質量;混凝土初期受凍后再置于正常溫度下養護,其強度雖仍能增長,但因體積膨脹導致混凝土的孔隙率增大且不可逆,強度不能恢復到正常水平。因此冬季混凝土施工在其未達到抗凍臨界強度前必須保證其正溫下養護。

根據《建筑工程冬期施工規程》的規定,普通混凝土采用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥配制時,其抗凍臨界強度應為設計的混凝土強度標準值的30%;采用礦渣硅酸鹽水泥配制的混凝土,應為設計的混凝土強度標準值的40%;但混凝土強度等級為C10及以下時,≥5.0N/mm2。

使用發熱電阻線對整體混凝土結構進行電加熱,確?；炷猎谡郎氐臈l件下養護。電阻線加熱法工作原理就是通過降壓變壓器將380V變壓到55V-95V作為二次電源,在將帶有絕緣橡膠外皮的電阻線敷設于混凝土結構中,電阻線在接通電源后他的兩個電極由未凝固的混凝土構成導電回路,此時變壓器二次電流很大,使導線發熱并釋放熱能,其熱量將會以散失的方式傳遞給混凝土,由于其發熱電阻線是埋置于混凝土內部,其所產生的熱量將全部傳遞給混凝土構件。從而保證了混凝土在正溫條件下進行養護[1]。

理論上混凝土強度達到臨界強度即可停止加熱,但在實際施工中為了加快進度,其加熱停止時的強度都會高于抗凍臨界強度。通過施工經驗證明,加熱養護一般≥72h。

3 施工工藝流程及操作要點

3.1 施工工藝流程

鋼筋模板安裝、加熱電阻線和設備安裝、混凝土澆筑、覆蓋保溫材料、通電加熱、溫度監控、養護結束拆模。

3.2 施工準備

1)技術準備:根據現場的實際施工情況,確定澆筑混凝土的范圍,構件類型。計算混凝土體積,計算需要布置加熱電阻線的混凝土面積,需要保溫的面積,確定電加熱參數以及功率。

2)主要設備準備:降壓變壓器,主電纜,連接導線,電阻加熱線,其他輔助設備設施以及工器具。

3)電力參數的計算:現以某施工項目為例,采用當地市場常用的設備系統作為計算依據。

變壓器選擇100KVA,最大電流500A,降壓輸出電壓分55V,65V,75V,85V,95V五個檔次,加熱電阻線采用直徑1.2mm的鐵芯絕緣電阻絲,電阻率為0.15(Ω.m),額定電流為8A,不同品牌和廠家數據不同,實際施工中需要仔細閱讀說明書或者在現場實測。連接導線我們選用4mm2銅芯單股電纜,分區供電主電纜采用35mm2銅芯單股電纜。電阻線長度的計算公式為:

(1)

式中:I為導線的額定電流;L為導線的長度;U為工作電壓,取55V;R為導線的電阻率。

(2)

通過上述計算可得,當選擇55V為工作電壓時,其單根電阻線的最大長度45m,但為了用電安全,加熱線長度的控制在40m以內。

計算每臺變壓器可以接多少根單根長度為40m的電阻線,N=500A/8A=62.5根,實際在施工過程中,環境因素影響較大,為了保證整個加熱系統的安全和有效性,單臺變壓器最大連接加熱線≤50根。

3.3 加熱導線的布置和設備的安裝

3.3.1 發熱電阻線安裝

混凝土結構在鋼筋綁扎完成或者綁扎過程,按照加熱線布置圖,利用原設計的鋼筋作為支架將電阻線綁扎在鋼筋籠上,若設計沒有鋼筋則需要在結構內部設置骨架筋用以固定電阻線。

綁扎固定加熱線可以用專用橡膠綁扎帶綁扎,也可以用帶絕緣橡膠皮的電阻加熱線按綁扎需要剪切成小段供綁扎用。

電阻線安裝注意事項:

1)綁扎、或者其他作業過程中電阻線的橡膠外皮不能損壞,否則將可能因為短路電阻被燒壞影響加熱效果,最終影響混凝土的養護質量。若損壞了外部絕緣橡膠皮則需要對整根加熱線進行替換,不能用絕緣膠帶將破損處纏繞修復將就使用。

2)加熱線埋入混凝土中深度在5～10cm左右,在有鋼筋的混凝土構件中,我們選擇將電阻線布置在鋼筋網架的外側,其鋼筋保護層的厚度就是電阻線的埋設深度。加熱線間距100～400mm,需根據環境和加熱要求來定,若環境溫度高,加熱線間間距可以增大,反之則應減小。

3)加熱線必須全部埋入混凝土內部,嚴禁接觸到模板。

4)安裝電阻線之前須清除模板和鋼筋上的垃圾、雪和冰層。

5)在安裝導線不能用力拉拽,在帶有尖銳邊緣的拐角處,須安裝橡膠墊等保護材料。避免電阻線的絕緣層可能發生的損壞和導線本身因受力而斷裂。

3.3.2 連接導線安裝

發熱電阻線不能直接同主電纜連接形成通電回路,且不能暴露于空氣中,否則因散熱不均勻極易引起電阻線絕緣層燒壞,接地斷路,連接的端頭容易被燒壞導致斷路。因此需要用截面積為發熱電阻線的2～3倍的導線從混凝土構件內部將發熱電阻線引出。常用的是4mm2單芯銅芯電纜。連接處用電工膠布做絕緣處理。

3.3.3 主供電電纜安裝

將35mm2主電纜從變壓器接出,并沿需要加熱構件周圍布置。所有電纜必須架空,架空高度≥800mm,架空線需平行且順直,不能交叉,避免導線的連接過程中出現可能接錯等情況。也方便在發生故障是能快速進行檢查修復。將4mm2連接導線同主電纜相接,接頭處用電工膠布做絕緣處理。

3.3.4 安裝溫度感應器

溫度感應器安裝規范要求:對于混凝土樓板、混凝土地坪等板式結構每50m2設置一個測溫點;對于基礎混凝土每3m3設置一個測溫點,測溫點間距均勻;對于梁、條形基礎等構件每6m設置一個測溫點;溫度感應器插入混凝土內部≥10cm;在實際施工中,常用紅外線測溫槍對混凝土構件的外表面溫度進行實時全方位監測。

3.3.5 加熱變壓器安裝

將變壓器布置在建筑構件25m范圍內平坦且堅固的的場地內,必要時可提前鋪設混凝土預制板等。變壓器不能直接與地面接觸,需要和大地絕緣,因此在布置變壓器之前需墊橡膠絕緣墊。

變壓器的布置場地內設置高度≥1.5m的硬圍護,圍護欄桿距變壓器距離≥2m,場地內不能堆放雜物,嚴禁堆放易燃易爆材料,配置2個5L的二氧化碳滅火器,懸掛安全警示標識。

關閉變壓器上面的所有通電開關,電壓器同外部電源連接,按要求打開變壓器開關,對變壓器進行空載試驗。

3.4 澆筑混凝土

3.4.1 確認澆筑條件

澆筑混凝土前確認熱電阻線布置完畢,發熱電阻線同導線,導線同主供電纜,主供電纜同降壓變壓器,變壓器同外部電源連通。確認無斷路、短路現象,確保所有接地都已經完成。

澆筑前按混凝土澆筑要求清理模板、鋼筋上的垃圾,提前去除冰層和積雪。少量的垃圾和冰雪可以利用內燃式吹風機吹出,對于量大且難以清除的冰雪層我們可以利用空氣壓縮機和鐵鏟配合進行清理。

當環境溫度以及鋼筋、模板等與混凝土直接接觸的構件溫度<0℃時,如果直接澆筑混凝土,混凝土急速受冷,游離水分結冰受凍,影響混凝土的養護質量,因此要對鋼筋和模板等與混凝土直接接觸的構件進行預熱,使構件溫度上升5℃以上。對于構件的預熱我們采取搭設暖棚,利用大功率柴油風炮和電熱風機對其加熱。

3.4.2 澆筑過程中注意事項

在進料和振搗過程中需要特別注意不能破壞加熱體系,可能發生的加熱線錯位、斷裂、絕緣層脫落等現象都會影響混凝土結構的養護質量。

混凝土入模溫度≥5℃,在環境溫度較低時,需采取對原材料進行預熱,并用熱水攪拌,對運輸罐車用保溫棉包裹等措施進行保溫,澆筑完畢后及時覆蓋塑料薄膜并覆蓋保溫棉進行保溫。

澆筑過程須連續,且需保證其在加熱養護前溫度為正,防止混凝土中游離水分結冰破壞混凝土質量。

及時用薄膜和保溫棉覆蓋其構件表面的表觀質量難以保證,因此這種覆蓋適用于基礎和有二次找平工序的工程,若無二次找平,例如一次成型地坪,其需要混凝土初凝后覆蓋薄膜和保溫棉,在此之前我們需要持續對暖棚加熱保證環境溫度,若不具備暖棚條件則不能進行類似地坪的澆筑[2]。

3.5 混凝土的養護

3.5.1 加熱前的準備工作

1)確認澆筑工作已經完成,塑料薄膜、保溫棉等輔助保溫工作也已經完成。

2)所有與電加熱養護的人員已經全部撤離現場。

3)再次檢查所有的接頭連接牢靠,并用電工膠布進行絕緣處理完畢,檢查所有接地點是否接地完成,并用萬能表檢測所有回路是否連通。

4)檢查現場的所有安全維護是否搭設完成,并懸掛安全警示標語,安全消防用設備設施是否全部配備齊全并能正常使用,現場照明條件是否滿足要求。

5)檢查應急備用發電機是否已經布置到位且能正常使用無故障,燃料儲備充足。

3.5.2 加熱養護

混凝土在加熱養護過程中需要經過3個階段:升溫、恒溫和降溫。在確認上述所有檢查項目符合條件時,接通電源開始加熱。

初始電壓需要選擇55V檔,在開始加熱的第1h內每15～20min檢測一次溫度,如果升溫過快我們需要降低電壓;若上升過慢甚至出現降溫則需要增加電壓。混凝土最大養護溫度和溫度變化速率見表1～2。

表1 構件升溫、降溫冷卻速度

表2 電加熱養護混凝土的最大溫度 ℃/h

對于養護溫度的確定以每次測得數值的平均值作為當次檢測值,所測溫度中有超過最大值和出現負值,則應該立即查明原因采取相應的處理措施。一般確定恒溫養護的溫度為40℃。當溫度達到40℃時開始恒溫養護。

恒溫養護階段每2h需要檢測溫度一次,并做詳細的檢測記錄,隨著混凝土的持續硬化和外部環境的變化,在養護階段我們需要據混凝土溫度的變化對電壓進行調整。恒溫養護結束后停止供電,即開始降溫冷卻,其降溫速率不能超過上述附表中的數值。如果降溫太快應該及時加熱,保證混凝土養護質量。

3.5.3 加熱養護階段需要注意事項

1)在通電養護開始的前6h內。每2h檢測整個線路的電流、電壓以及加熱變壓器的其他工作狀態參數情況,若數據異常則應立即查明原因并采取處理措施。之后每4h檢測一次或者每班次檢測2次。

2)養護期間需專業電氣技術操作人員值班監護,隨時檢查電流表和加熱設備的工作狀態各項參數是否超過允許值。

3)定時巡查,并檢查接頭位置,若有燒壞則應立即修復處理。

3.6 模板以及保溫棉的拆除

當確認混凝土強度達到可以停止加熱并拆除保溫棉時,保溫棉需要待混凝土構件冷卻至5℃以內方能拆除;構件在急速受熱和受冷的情況下極易損壞,混凝土若急速受冷則會產生裂縫,因此在準備拆除模板和保溫棉之前先要確認混凝土構件本身內外溫差≤25℃,混凝土構件與環境的溫度,溫差≤20℃; 若不能保證其條件,則需對混凝土構件進行覆蓋,使之能緩慢冷卻。

4 質量控制措施

1)施工前制定電加熱混凝土養護專項施工方案,施工工程中按施工方案進行技術交底,所有人參與施工的作業人員和管理人員參加。

2)在空氣溫度處于零度以下時對混凝土構件進行電加熱的質量管理必須符合相關的施工規范的要求。

3)加熱系統所有設備、電纜等材料,工程實際用混凝土、鋼筋等在進場使用之前必須經過入場檢查,主要通過外部檢視檢查其是否符合規范要求和設計要求,是否有出廠合格證、第三方簽發質量檢測報告及其它必須要經過檢查的內容,混凝土還需要檢查其坍落度,入模時的溫度是否符合規范要求。

4)負責電加熱施工的作業人員必須進過專業培訓并持證上崗,施工過程中嚴格遵守電氣作業相關規定。

5)鋼筋、預埋鐵件、管道等隱蔽工程需驗收合格后方能進行混凝土澆筑,混凝土入模傾倒高度盡量放低,使用小直徑振動棒,振搗過程嚴禁振動棒與加熱線接觸,避免損壞加熱電阻線的絕緣外皮。

6)加熱過程中實時監測構件和環境的溫度是否滿足規范要求,設備的電流、電壓以及其他的控制參數是否與計算數據一致,并按規定填寫檢查日志。

5 結 語

電加熱養護技術,有效解決了在嚴寒、高寒地區的混凝土結構在負溫條件施工養護的問題,通過在我國東北地區及俄羅斯多個項目的積極探索,使用電阻線加熱法,并以暖棚、保溫材料覆蓋、混凝土外加劑、加熱風炮等組成的綜合養護系統,最低可以在-40℃環境中進行混凝土澆筑。成本可控,施工質量和進度均可以得到有效保證。