寒冷地区冬季混凝土施工措施探讨

钱怡（中国水利水电第九工程局有限公司第三分局 贵州贵阳 550008）

寒冷地区冬季混凝土施工措施探讨

钱怡（中国水利水电第九工程局有限公司第三分局 贵州贵阳 550008）

我国西北地区从11月至次年3月为寒冷季节，水利水电工程建设由于工程本身施工时段的特殊性，在冬季进行混凝土施工是不可避免的。本文结合工程实际与相关规程规范，根据工程所在地的自然环境与施工条件，通过配合比设计、施工工艺质量保证措施入手，对混凝土在-15℃环境下施工措施进行总结和探讨，实现了-15℃环境温度条件下混凝土施工连续作业，保证了该工程在次年汛前顺利达到防洪度汛形象面貌。

冬季；混凝土；施工措施；探讨

【DOI】10．19312/j．cnki．61-1499/c．2016．09．049

一、工程概况

1.工程简介

达克曲克水电站枢纽工程位于玉龙喀什河下游河段的峡谷山区内，坝址位于玉龙喀什河与布亚河汇合口下游29km的河段上，工程主要由挡水建筑物、溢洪道、导流兼泄洪冲沙洞、发电引水洞及电站厂房组成。导流兼泄洪冲沙洞、溢洪道布置于右岸，发电引水洞位于枢纽左岸，发电厂房位于坝址下游11km的河道左岸阶地处。

达克曲克水电站拦河坝为碾压式沥青混凝土心墙堆石坝，最大坝高62．6m。坝顶宽度8m，坝顶长度为214m，坝顶采用沥青混凝土路面，路面净宽7．5m，路面向下游单向倾斜，坡度为2%。上游坝坡1:2．0；下游坝坡1:1．8。上游坝坡EL1768．50以上采用混凝土面板护坡，护坡厚0．25m，下游坝坡采用混凝土网格梁填干砌块石护坡，护坡厚度0．3m。

2.气象条件

工程区深居内陆区，远离海洋，受喀喇昆仑山影响，冷湿气流难以侵入。气候特征主要表现为：降水量小而蒸发强烈；气温日、年变幅大；属于温带大陆性气候类型；气候干燥、风沙大；日照时间长；蒸发强烈；降雨量少等特点。多年平均气温11．0℃；多年最冷月平均气温-5．1℃；极端最高气温37．5℃；极端最低气温-23．5℃；多年平均降水量55．1mm；多年平均蒸发量为3485．8mm(ф20cm型蒸发器)；年平均风速为2．09 m/s。

二、冬季混凝土施工总体规划

1.温度对混凝土质量的影响

根据施工进度计划，拦河坝基座混凝土与回填混凝土、溢洪道结构混凝土、发电洞控制段结构混凝土必须进行冬季混凝土施工才能确保次年进入汛期前达到设计度汛面貌。通过学习混凝土冬季施工的一般原理，掌握并控制冬季混凝土施工的不利因素，确保冬季混凝土施工质量满足设计与规范要求。

混凝土水泥水化作用的速度除与混凝土本身组成材料和配合比有关外，主要是随着温度的高低而变化。当温度升高时，水化作用加快，强度增长也较快；而当温度低于0℃时，存在于混凝土中的水有一部分开始结冰，逐渐由液相（水）变为固相（冰）。这时参与水泥水化作用的水减少了，水化作用减慢，混凝土强度增长相应较慢。当温度继续下降，存在于混凝土中的水完全变成冰，水泥水化作用基本停止，此时混凝土强度就不再增长。水变成冰后，体积约增大9%，同时产生冰胀应力，这个应力值常常大于混凝土内部形成的初期强度值，使混凝土受到不同程度的破坏（即早期受冻破坏）而降低强度。此外，当水变成冰后，还会在骨料和钢筋表面上产生颗粒较大的冰凌，减弱水泥浆与骨料和钢筋的粘结力。当冰凌融化后，又会在混凝土内部形成各种各样的空隙，从而降低混凝土的密实性及耐久性。由此可见，在冬季混凝土施工中，水的形态变化是影响混凝土强度增长的关键，确保混凝土施工过程中不受冻，并使其在正常温度下养护，保证水泥的水化作用，使混凝土达到遭受冻害的临界强度（大体积混凝土不应低于7．0MPa（或成熟度不低于1800℃．h），非大体积混凝土和钢筋混凝土不应低于设计强度的85%）。

2.混凝土冬季施工方法的选择

根据温度对混凝土质量影响的分析，在冬季混凝土施工中主要是控制混凝土的出机口温度、入仓温度及拆模后的养护温度。常用的施工方法有：调整配合比方法、蓄热法、外部加热法、掺抗冻外加剂等。（1）调整配合比方法：①选择适当品种的水泥；②尽量降低水灰比，适当增加水泥用量，从而增加水化热量，缩短达到龄期强度的时间；③掺用引气剂，在保持混凝土配合比不变的情况下，加入引气剂后生成的气泡，改善其粘聚性及保水性，缓冲混凝土内水结冰所产生的水压力，提高混凝土的抗冻性，同时提高拌和物的流动性。④掺加早强外加剂，缩短混凝土的凝结时间，提高早期强度。（2）蓄热法：对原材料（水、砂、石）进行加热，使混凝土在搅拌、运输和浇筑以后，还储备有相当的热量，以使水泥水化放热较快，并加强对混凝土的保温，以保证在温度降到0℃以前使新浇混凝土具有足够的抗冻能力。（3）外部加热法：通过加热混凝土构件周围的空气，将热量传给混凝土，或直接对混凝土加热，使混凝土处于正温条件下能正常硬化。具体方法有：①火炉加热：方法简单，但室内温度不高，比较干燥，且放出的二氧化碳会使新浇混凝土表面碳化，影响质量。②蒸气加热：用蒸气使混凝土在湿热条件下硬化。此法较易控制，加热温度均匀，但因其需专门的锅炉设备，费用较高，且热损失较大，劳动条件亦不理想。③电加热：将钢筋作为电极，或将电热器贴在混凝土表面，使电能变为热能，以提高混凝土的温度。此法简单方便，热损失较少，易控制，不足之处是电能消耗量大。④红外线加热：以高温电加热器或气体红外线发生器，对混凝土进行密封幅射加热。（4）抗冻外加剂：对混凝土拌和物掺加一种能降低水的冰点的化学剂，使混凝土在负温下仍处于液相状态，水化作用能继续进行，从而使混凝土强度继续增长。

通过以上分析，本工程将以上4种方法根据工程实际综合运用，通过配合比设计、暖棚保温、蓄热、掺加抗冻剂及外部加热等措施保证混凝土施工各个环节所需温度。根据施工进度计划，该工程冬季混凝土施工部位为引水发电洞控制段、大坝基座与溢洪道控制段混凝土，为保证冬季施工混凝土质量，依据气象资料、地理环境以及设计文件，编制冬季混凝土专项施工方案，分别从原材料的选材、配合比设计、原材料保温、混凝土半成品的加工、运输、混凝土成品保温等方面制定详细、可行的作业方案，明确方案实施的开始时间和原材料的采购、准备情况。

三、冬季混凝土施工措施

1.混凝土配比设计

针对冬季气温低及该地区骨料为碱性骨料的特点，通过掺配粉煤灰、高效减水剂、防冻剂、骨料加热、利用热水拌和、混凝土保温等技术手段达到负温条件下混凝土施工质量要求。工程所在地冬季自然条件下最低环境气温约为-15℃～-20℃，配合比的设计考虑了以下三个因素：一是通过减水剂生产厂家调整减水剂的终凝时间（由夏季的10～12小时缩短至冬季的8～10小时）；其次是通过添加粉煤灰（同时抑制砂石骨料碱活性反应）、高效减水剂来降低水灰比，提高混凝土和易性和流动性，便于溜槽输送和泵送；三是添加防冻剂，降低混凝土中水的冰点，保证临界气温时混凝土不结冰。由于高寒地区混凝土抗冻指标较高，添加引气剂后的混凝土在相同条件下其强度有所偏低，试配时按提高一个等级进行。

本工程混凝土施工采用当地水泥厂生产的P．O42．5普通硅酸盐水泥，经检测其物理性能指标满足GB175-2007规范要求；粉煤灰采用就近火电厂生产的Ⅱ级粉煤灰，主要检测指标满足DL/T5055-2007规范Ⅱ级灰要求；所用砂石骨料在工程区附近河床阶地砂砾料经过冲洗、筛分加工，少量超径卵石破碎补充的方式进行生产，细砂细度模数2．6，含泥量1．4%左右；粗骨料内无杂质与泥块，超逊径满足规范要求。减水剂使用FDN高效减水剂，掺量0．8%～1．2%；防冻剂采用HD型号，掺量3%～8%；引气剂采用AE引气剂，掺量0．01%～0．025%；由于当地砂石骨料呈弱碱性，粉煤灰掺量根据碱活性抑制试验结果为20%。试验室模拟现场施工环境条件下，选用较小的水灰比和较小的塌落度，其试配强度较设计强度提高一个等级进行配合比抗压强度、抗渗、抗冻等性能比选试验，最终选择满足设计要求、经济合理、便于施工的最佳施工配合比。

2.砂石骨料保温措施

根据气象资料，在环境温度进入负温季节之前加工完成所需砂石骨料（经检验合格），并做好防冻块、防雪、防雨等措施。工程所在地12月中旬至次年2月中旬外界气温多数为负温，不宜进行砂石骨料的冲洗与筛分，因此，进入12月份前按照施工进度计划储备好所需砂石骨料，堆码成形，以便于覆盖、除雪、排水等。加工完成经检验合格的砂石骨料覆盖塑料薄膜后加盖一层草垫，最后覆盖帆布保温、防风、防雪。外界气温在-10℃时，对于堆高6米以上的砂石骨料，覆盖物以下与堆场内部温度约为（0～10）℃。砂石骨料取用时从背风一侧开始装车取料，装车结束后对取料口及时覆盖。

拌和系统砂石骨料仓为细砂、小石、中石、大石共4个仓，C20混凝土结构，每个仓净空尺寸15．0×6．0m，隔墙厚度0．8m，底板以上墙高2．5m，每仓可储存约180m3骨料。料仓底板中部设宽×高=0．4×0．5m的地笼，生火部位适当加宽加高，两侧均匀布置DN150排烟管道，通过燃煤释放热量为砂石骨料加热。仓内骨料提前堆满，覆盖保温阻燃被，取料时砂石骨料温度可达11℃（外界气温-10℃左右）。

3.拌和系统保温措施

拌和系统按照全封闭设计，通过热工计算配置加热设备和保温材料，保证室内温度高于10℃。拌和系统除粉煤灰、水泥罐外，拌和楼、皮带输送机、配料机、外加剂存储室等作为一个整体进行封闭，依托拌和系统骨架，采用Ⅰ10工字钢和［10槽钢为支撑架，10 cm泡沫彩钢板进行封闭，混凝土运输车辆出入口设快速提升棉被门帘。

根据热工计算，拌和系统室内供热设备采用直径80cm、高120cm自制燃煤火炉，在拌和楼接料层4个墙角放置4台，皮带输送机底部布置两台，配料机房放置两台，每班派两人对拌和系统所有加热火炉进行运行与维护，确保生产的混凝土半成品满足质量要求，同时在拌和设备未使用期间也不被冻住。

施工用水加热设计是根据配合比与拟浇筑混凝土仓号最大拌和用水量进行计算，当计算出的热水供应量不满足浇筑用水需要时采取分仓浇筑措施。为拌和系统供水共有3个水池，第一个是200 m3主水池，另一个为30 m3加热水罐，第三个为27 m3拌和楼拌和用水蓄水池，外罩10cm厚泡沫彩钢板，顶部布置2盏1000W碘钨灯对空间进行加热，另外安装10根2000W热水器作为加热补充。

拌和楼运行时提前对30 m3加热水罐内的水进行加热，水温加热至（60°～80°），拌和楼运转前根据料仓内砂石骨料的温度在拌和用水蓄水池进行配兑，用完一池配兑一池，中途利用池内热水器补充热量损失。另外主水池仍然采用10cm厚泡沫彩钢板封闭，棚顶安装4盏1000W碘钨灯对池内空间进行加热，保证水池内水不结冰。拌和楼水管、主水池至热水罐、拌和楼用水蓄水池管路利用75W电伴热带缠绕，外部包裹橡塑保温管和胶带，冬季保持长期通电，管道温度保持在（0°～65°）之间，确保供水管路不结冰。

4.混凝土拌制及运输

（1）混凝土拌制

拌和系统在运行前楼内气温升至10℃以上，进行混凝土拌制前及停止拌制后，用热水冲洗搅拌机和运输罐。当日平均气温稳定在-5℃以下时，将骨料加热，骨料不需加热时，应注意不要结冰，也不得混入冰雪、冻块及易冻裂的矿物质。

混凝土拌和前根据骨料温度、环境气温，拟定拌和用水温度，本工程利用水温控制混凝土出机口温度，开仓前通过试拌确定满足混凝土浇筑需要的出机口温度。拌和楼蓄水池内水的温度不高于80℃，当骨料不加热时，水可加热至80℃以上，采用先投入骨料和已加热的水，搅拌均匀后再投入水泥。当加热水不能满足要求时，将骨料均匀加热，其加热温度不高于60℃。当拌制的混凝土出现塌落度减小或发生速凝现象时，重新调整拌和料的加热温度，混凝土搅拌时间较常温施工延长50%左右，对于JS-1500型强制搅拌机来拌和时间约为2．5min。

（2）混凝土运输

混凝土水平运输。混凝土水平运输采用8．0m3混凝土罐车运输，运输车罐体采用阻燃保温被包裹，外贴防水塑料薄膜，并用铅丝网固定。罐车在运输混凝土前用热水对罐体内进行预热，运输结束后用热水对罐体内进行清洗。

混凝土垂直运输。混凝土卸料平台至仓面垂直高差10至20米，由于经常变换入仓位置，采用露天溜槽进行入仓，主、分溜槽角度在35°左右，分溜槽出口安装缓降存料斗挂串筒入仓，混凝土入仓高度小于2．0m。混凝土一旦开仓保持连续下料，当中途中断混凝土供应时，立即采用热水冲洗溜槽（废水排至仓外），在后续混凝土到达后，采用人工敲掉溜槽上的冰块，热水冲洗溜槽后再放混凝土入仓。必要时在溜槽上间隔2米挂1000W碘钨灯对溜槽进行加热。外界气温-10℃左右时，混凝土运距800 m，混凝土出机口温度15℃左右，运至仓面温度损失约为6℃。

5.混凝土施工及养护措施

混凝土养护环境的温度与湿度将对其整体强度能否满足要求产生重大影响，本工程冬季混凝土施工部位根据各混凝土浇筑仓面的不同特点，通过热工计算及经济分析，选择外部热源对混凝土加热的暖棚法、电热法等综合法进行施工。对于溢洪道、引水隧洞控制段采用暖棚法；对于大坝基座混凝土采用蓄热法。

（1）暖棚法施工

根据溢洪道、引水隧洞控制段结构特点，利用施工脚手架经过完善后在外侧悬挂6．0m宽塑料布，相邻两块之间搭接30cm，利用两道3cm宽双面胶粘结，塑料布外在挂帆布，外侧利用3．0×3．0m竹片网格将塑料布、帆布固定在脚手架上。仓面顶部利用8号铅丝纵横拉成网格铺塑料薄膜保温，混凝土开仓前在暖棚底部按20m2安置一台直径80cm、高120cm自制燃煤火炉供热；对于闸墩等薄壁结构，在闸墩之间增加两台火炉，仓面边角、结构复杂部位采用1000W碘钨灯补充加热。混凝土浇筑前棚内、直径大于或等于25mm的钢筋和金属预埋件加热至正温，混凝土的入仓温度为（6°～9°），满足规范大于3℃的要求。

（2）蓄热法施工

对于大坝基座混凝土施工选择蓄热法、电热法施工。混凝土仓面垃圾清理、立模完成后，用高压风对仓面进行清理，经监理检查验收合格后，采用DH-40直燃式燃油加热机对基岩或老混凝土表面进行加热，加热深度不小于10cm或加热至仓面边角（最冷处）表面正温（大于0℃）为准，经检验合格后再浇筑混凝土。对于宽度10米的混凝土仓面，采用台阶法进行浇筑（浇筑厚度1．5m），仓面两侧各布置3台DH-40直燃式燃油加热机对仓面输送热风，达到混凝土封仓线后及时铺盖保温薄膜和阻燃保温被，在仓面1．2米上部架设间排距2．0×2．0m 1000W碘钨灯对混凝土表面进行外部加热。3天过后阻燃保温被下混凝土表面温度可达26℃左右。

（3）冬季混凝土养护及温度控制

冬季混凝土浇筑封仓后及时对混凝土进行保温，温度测量人员按照温度监控措施准时准点测量混凝土内外部、环境温度的变化情况，及时调整混凝土养护温度，既要保证混凝土水泥水化作用的正常进行，同时要减小混凝土表面与环境的温度差，避免混凝土表面温度裂缝的出现。在没有专项措施的情况下，分仓高度的设计就很重要。

为避免混凝土温度与环境温度温差过大，对混凝土内部温度与环境温度进行仔细的监控与记录，其中包括混凝土浇筑过程中混凝土搅拌测温的记录、大气温度、原材料温度、出罐温度、入模温度、混凝土表面温度（距混凝土表面下10cm）、暖棚内温度等。大气温度测量在离建筑物10m以外，距地面高度1．5m，通风条件较好的地方安装规格300×300×400mm的白色百叶箱，测温孔位置放在温度变化大、容易散失热量、易于遭受冻结的部位，测温孔的口不迎风，且临时封闭。

混凝土施工过程中，经常检查混凝土出机口和入模温度（每班不少于4次，采用蓄热法养护时，其间每6小时测量一次），混凝土出机口温度控制在10℃～15℃左右，入模温度约为5℃～10℃。虽然混凝土里掺加了防冻剂，混凝土养护仍然采用正温养护工艺，对于大坝基座混凝土封仓后采用塑料薄膜保湿，阻燃保温被覆盖保温，均匀分布的碘钨灯加热。当混凝土由于水化作用自身温度上升热之后，混凝土强度达到设计强度的30%以上时，停止外部加热。对于搭设暖棚浇筑的部位，由于暖棚内温度控制在10℃以上，混凝土不会受冻，只注意混凝土表面的保湿，封仓后的塑料薄膜接缝、四周封盖密实。

按照非大体积混凝土早期受冻临界强度不低于设计强度值85%的原则，混凝土浇筑时分别取7、14、28天试件，根据试验报告确定混凝土养护结束日期。拆模后的混凝土立即防寒保温，并保持干燥。对结构的边棱隅角按加强覆盖进行保温，迎风面采取了防风措施。

四、混凝土试件检测结果分析

本次冬季混凝土施工进行溢洪道控制段堰体结构混凝土、引水隧洞控制段闸墩与门库板梁结构混凝土及大坝基座混凝土施工，历时4个月，三个部位共浇筑混凝土1．5万余立方米，共取样104组，相关统计数据见表1。

表1 混凝土强度统计表

通过上表统计分析可知：溢洪道堰体混凝土（C20F200W6）百分率P=100%，标准差σ=1．6，mƒcu（27．2）≥ƒcu,k+Ktσ0 （24．2），ƒcu,min（25．7）≥0．90ƒcu（17．0）,k(≤C9020)；

溢洪道边墙及闸墩混凝土（C25F300W6）百分率P=100%，标准差σ=2．7，强度保证率=98．1%，mƒcu（30．6）≥ƒcu,k+Ktσ0 （29．0），ƒcu,min（26．0）≥0．90ƒcu（22．5）,k (＞C9020)；

溢洪道过流面混凝土（C40F300W6）百分率P=100%，标准差σ=2．5，强度保证率=97．9%，mƒcu（45．0）≥ƒcu,k+Ktσ0 （43．6），ƒcu,min（41．4）≥0．90ƒcu（36．0）,k(＞C9020)；

发电洞进口闸井闸墩混凝土（C25F300W6）百分率P=100%，标准差σ=3．3，mƒcu（31．3）≥ƒcu,k+Ktσ0（29．5），ƒcu,min （27．1）≥0．90ƒcu（22．5）,k(＞C9020)；

发电洞进口闸井回填混凝土（C15F200W6）百分率P=100%，mƒcu（19．7）≥ƒcu,k+Ktσ0（17．7），ƒcu,min（18．1）≥0．85ƒcu （12．8）,k(≤C9020)；

大坝基座混凝土（C25F200W6）百分率P=100%，标准差σ=2．0，强度保证率=98．3%，mƒcu（29．4）≥ƒcu,k+Ktσ0 （28．1），ƒcu,min（25．3）≥0．90ƒcu（22．5）,k(＞C9020)；

大坝垫层混凝土（C15F200W6）百分率P=100%，标准差σ=1．5，mƒcu（20．1）≥ƒcu,k+Ktσ0（18．0），ƒcu,min（18．4）≥0．85ƒcu（12．8）,k(≤C9020)；

根据上述数据分析，以上冬季施工部位混凝土满足设计要求及《水工混凝土施工规范》DL/T5144-2015要求。

通过本次冬季混凝土施工技术措施探讨可知，在寒冷地区地区（-20℃左右）进行冬季混凝土施工，只要混凝土原材料保温措施得当、拌和用水温度得到保证，施工现场采用综合蓄热法施工，完善后期养护措施，混凝土质量能够得到充分保证。另根据现场试验，在日平均气温-5℃左右，夜间最低气温-15℃的环境下，直接放置在暴露环境下的混凝土试件28天龄期抗压强度值约为标准条件养护下的10%～20%，而且混凝土表层遭受到了严重的冻害。

由于冬季混凝土施工措施费用较高，在施工计划编排时，能够在暖和季节施工的项目即便增加赶工措施也尽量避免进入冬季施工；进入冬季混凝土施工项目搭设的暖棚尽量宽敞，便于棚内作业，对于覆盖保温材料的部位必须严实，严禁漏盖。冬季混凝土保温措施必须有备用方案，预防停水、停电、管道堵塞或供热中断等原因造成的影响。

虽然在本次冬季混凝土施工技术措施探讨之前进行了精心的准备与策划，由于是第一次进行严寒地区冬季混凝土施工，仍然存在不足之处，为保证混凝土的质量，配合比设计相对较为保守，水泥用量比内地常规混凝土多用了6．3%左右。

［1］王磊，马晓敏．冬季混凝土施工技术：河南省土木建筑工程学会2008年学术大会论文集，2008．6：381-382．

［2］满卫东，孙俊峰，王亚东，等．高寒地区冬季混凝土施工，黑龙江，黑龙江水专学报，2000（3）：74-75．

［3］张冠伦，王玉吉，孙振平，等．混凝土外加剂原理与应用．北京：中国建筑工业出版社．

［4］电力工业标准汇编·水电卷《施工》．北京：水利电力出版社．

［5］饶勃，黄美霞，顾明玉，等．实用混凝土工手册．上海：上海交通大学出版社．

［6］王庆春，柳春圃．建筑施工常用数据手册．北京：中国建筑工业出版社．

［7］《水电水利工程混凝土预热系统设计导则》（DL/ T5179-2003）

［8］《水工混凝土施工规范》（DL/T5144-2015）

钱怡（1972--）男，汉族，贵州凤岗县人，本科学历，学士学位，总工程师，高级工程师，研究方向：工程技术管理。