冬季混凝土施工电加热养护工艺研究与应用

朱 华,熊 静

(中国水利水电第十二工程局有限公司,杭州 310004)

1 综 述

冬季混凝土浇筑和养护比较困难,混凝土的质量和强度难以保证。我国北方等高寒地区很多工程项目到冬季在经济因素和技术因素的影响下基本停止混凝施工,影响整个工程的进度。在负温环境中进行混凝土作业并保证其施工质量就显得尤为重要。

传统混凝土浇筑的环境气温一般需保持+5℃以上,使用电加热养护技术,有效解决了在严寒、高寒地区的混凝土结构在负温条件施工养护的问题。

2 工艺原理

混凝土在终凝前如受到负温环境,水泥的水化作用受到阻碍,其中游离水分开始结冰,体积增大,使混凝土冻裂而严重影响混凝土质量;混凝土初期受冻后再置于正常温度下养护,其强度虽仍能增长,但因体积膨胀导致混凝土的孔隙率增大且不可逆,强度不能恢复到正常水平。因此冬季混凝土施工在其未达到抗冻临界强度前必须保证其正温下养护。

根据《建筑工程冬期施工规程》的规定,普通混凝土采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥配制时,其抗冻临界强度应为设计的混凝土强度标准值的30%;采用矿渣硅酸盐水泥配制的混凝土,应为设计的混凝土强度标准值的40%;但混凝土强度等级为C10及以下时,≥5.0N/mm2。

使用发热电阻线对整体混凝土结构进行电加热,确保混凝土在正温的条件下养护。电阻线加热法工作原理就是通过降压变压器将380V变压到55V-95V作为二次电源,在将带有绝缘橡胶外皮的电阻线敷设于混凝土结构中,电阻线在接通电源后他的两个电极由未凝固的混凝土构成导电回路,此时变压器二次电流很大,使导线发热并释放热能,其热量将会以散失的方式传递给混凝土,由于其发热电阻线是埋置于混凝土内部,其所产生的热量将全部传递给混凝土构件。从而保证了混凝土在正温条件下进行养护[1]。

理论上混凝土强度达到临界强度即可停止加热,但在实际施工中为了加快进度,其加热停止时的强度都会高于抗冻临界强度。通过施工经验证明,加热养护一般≥72h。

3 施工工艺流程及操作要点

3.1 施工工艺流程

钢筋模板安装、加热电阻线和设备安装、混凝土浇筑、覆盖保温材料、通电加热、温度监控、养护结束拆模。

3.2 施工准备

1)技术准备:根据现场的实际施工情况,确定浇筑混凝土的范围,构件类型。计算混凝土体积,计算需要布置加热电阻线的混凝土面积,需要保温的面积,确定电加热参数以及功率。

2)主要设备准备:降压变压器,主电缆,连接导线,电阻加热线,其他辅助设备设施以及工器具。

3)电力参数的计算:现以某施工项目为例,采用当地市场常用的设备系统作为计算依据。

变压器选择100KVA,最大电流500A,降压输出电压分55V,65V,75V,85V,95V五个档次,加热电阻线采用直径1.2mm的铁芯绝缘电阻丝,电阻率为0.15(Ω.m),额定电流为8A,不同品牌和厂家数据不同,实际施工中需要仔细阅读说明书或者在现场实测。连接导线我们选用4mm2铜芯单股电缆,分区供电主电缆采用35mm2铜芯单股电缆。电阻线长度的计算公式为:

(1)

式中:I为导线的额定电流;L为导线的长度;U为工作电压,取55V;R为导线的电阻率。

(2)

通过上述计算可得,当选择55V为工作电压时,其单根电阻线的最大长度45m,但为了用电安全,加热线长度的控制在40m以内。

计算每台变压器可以接多少根单根长度为40m的电阻线,N=500A/8A=62.5根,实际在施工过程中,环境因素影响较大,为了保证整个加热系统的安全和有效性,单台变压器最大连接加热线≤50根。

3.3 加热导线的布置和设备的安装

3.3.1 发热电阻线安装

混凝土结构在钢筋绑扎完成或者绑扎过程,按照加热线布置图,利用原设计的钢筋作为支架将电阻线绑扎在钢筋笼上,若设计没有钢筋则需要在结构内部设置骨架筋用以固定电阻线。

绑扎固定加热线可以用专用橡胶绑扎带绑扎,也可以用带绝缘橡胶皮的电阻加热线按绑扎需要剪切成小段供绑扎用。

电阻线安装注意事项:

1)绑扎、或者其他作业过程中电阻线的橡胶外皮不能损坏,否则将可能因为短路电阻被烧坏影响加热效果,最终影响混凝土的养护质量。若损坏了外部绝缘橡胶皮则需要对整根加热线进行替换,不能用绝缘胶带将破损处缠绕修复将就使用。

2)加热线埋入混凝土中深度在5～10cm左右,在有钢筋的混凝土构件中,我们选择将电阻线布置在钢筋网架的外侧,其钢筋保护层的厚度就是电阻线的埋设深度。加热线间距100～400mm,需根据环境和加热要求来定,若环境温度高,加热线间间距可以增大,反之则应减小。

3)加热线必须全部埋入混凝土内部,严禁接触到模板。

4)安装电阻线之前须清除模板和钢筋上的垃圾、雪和冰层。

5)在安装导线不能用力拉拽,在带有尖锐边缘的拐角处,须安装橡胶垫等保护材料。避免电阻线的绝缘层可能发生的损坏和导线本身因受力而断裂。

3.3.2 连接导线安装

发热电阻线不能直接同主电缆连接形成通电回路,且不能暴露于空气中,否则因散热不均匀极易引起电阻线绝缘层烧坏,接地断路,连接的端头容易被烧坏导致断路。因此需要用截面积为发热电阻线的2～3倍的导线从混凝土构件内部将发热电阻线引出。常用的是4mm2单芯铜芯电缆。连接处用电工胶布做绝缘处理。

3.3.3 主供电电缆安装

将35mm2主电缆从变压器接出,并沿需要加热构件周围布置。所有电缆必须架空,架空高度≥800mm,架空线需平行且顺直,不能交叉,避免导线的连接过程中出现可能接错等情况。也方便在发生故障是能快速进行检查修复。将4mm2连接导线同主电缆相接,接头处用电工胶布做绝缘处理。

3.3.4 安装温度感应器

温度感应器安装规范要求:对于混凝土楼板、混凝土地坪等板式结构每50m2设置一个测温点;对于基础混凝土每3m3设置一个测温点,测温点间距均匀;对于梁、条形基础等构件每6m设置一个测温点;温度感应器插入混凝土内部≥10cm;在实际施工中,常用红外线测温枪对混凝土构件的外表面温度进行实时全方位监测。

3.3.5 加热变压器安装

将变压器布置在建筑构件25m范围内平坦且坚固的的场地内,必要时可提前铺设混凝土预制板等。变压器不能直接与地面接触,需要和大地绝缘,因此在布置变压器之前需垫橡胶绝缘垫。

变压器的布置场地内设置高度≥1.5m的硬围护,围护栏杆距变压器距离≥2m,场地内不能堆放杂物,严禁堆放易燃易爆材料,配置2个5L的二氧化碳灭火器,悬挂安全警示标识。

关闭变压器上面的所有通电开关,电压器同外部电源连接,按要求打开变压器开关,对变压器进行空载试验。

3.4 浇筑混凝土

3.4.1 确认浇筑条件

浇筑混凝土前确认热电阻线布置完毕,发热电阻线同导线,导线同主供电缆,主供电缆同降压变压器,变压器同外部电源连通。确认无断路、短路现象,确保所有接地都已经完成。

浇筑前按混凝土浇筑要求清理模板、钢筋上的垃圾,提前去除冰层和积雪。少量的垃圾和冰雪可以利用内燃式吹风机吹出,对于量大且难以清除的冰雪层我们可以利用空气压缩机和铁铲配合进行清理。

当环境温度以及钢筋、模板等与混凝土直接接触的构件温度<0℃时,如果直接浇筑混凝土,混凝土急速受冷,游离水分结冰受冻,影响混凝土的养护质量,因此要对钢筋和模板等与混凝土直接接触的构件进行预热,使构件温度上升5℃以上。对于构件的预热我们采取搭设暖棚,利用大功率柴油风炮和电热风机对其加热。

3.4.2 浇筑过程中注意事项

在进料和振捣过程中需要特别注意不能破坏加热体系,可能发生的加热线错位、断裂、绝缘层脱落等现象都会影响混凝土结构的养护质量。

混凝土入模温度≥5℃,在环境温度较低时,需采取对原材料进行预热,并用热水搅拌,对运输罐车用保温棉包裹等措施进行保温,浇筑完毕后及时覆盖塑料薄膜并覆盖保温棉进行保温。

浇筑过程须连续,且需保证其在加热养护前温度为正,防止混凝土中游离水分结冰破坏混凝土质量。

及时用薄膜和保温棉覆盖其构件表面的表观质量难以保证,因此这种覆盖适用于基础和有二次找平工序的工程,若无二次找平,例如一次成型地坪,其需要混凝土初凝后覆盖薄膜和保温棉,在此之前我们需要持续对暖棚加热保证环境温度,若不具备暖棚条件则不能进行类似地坪的浇筑[2]。

3.5 混凝土的养护

3.5.1 加热前的准备工作

1)确认浇筑工作已经完成,塑料薄膜、保温棉等辅助保温工作也已经完成。

2)所有与电加热养护的人员已经全部撤离现场。

3)再次检查所有的接头连接牢靠,并用电工胶布进行绝缘处理完毕,检查所有接地点是否接地完成,并用万能表检测所有回路是否连通。

4)检查现场的所有安全维护是否搭设完成,并悬挂安全警示标语,安全消防用设备设施是否全部配备齐全并能正常使用,现场照明条件是否满足要求。

5)检查应急备用发电机是否已经布置到位且能正常使用无故障,燃料储备充足。

3.5.2 加热养护

混凝土在加热养护过程中需要经过3个阶段:升温、恒温和降温。在确认上述所有检查项目符合条件时,接通电源开始加热。

初始电压需要选择55V档,在开始加热的第1h内每15～20min检测一次温度,如果升温过快我们需要降低电压;若上升过慢甚至出现降温则需要增加电压。混凝土最大养护温度和温度变化速率见表1～2。

表1 构件升温、降温冷却速度

表2 电加热养护混凝土的最大温度 ℃/h

对于养护温度的确定以每次测得数值的平均值作为当次检测值,所测温度中有超过最大值和出现负值,则应该立即查明原因采取相应的处理措施。一般确定恒温养护的温度为40℃。当温度达到40℃时开始恒温养护。

恒温养护阶段每2h需要检测温度一次,并做详细的检测记录,随着混凝土的持续硬化和外部环境的变化,在养护阶段我们需要据混凝土温度的变化对电压进行调整。恒温养护结束后停止供电,即开始降温冷却,其降温速率不能超过上述附表中的数值。如果降温太快应该及时加热,保证混凝土养护质量。

3.5.3 加热养护阶段需要注意事项

1)在通电养护开始的前6h内。每2h检测整个线路的电流、电压以及加热变压器的其他工作状态参数情况,若数据异常则应立即查明原因并采取处理措施。之后每4h检测一次或者每班次检测2次。

2)养护期间需专业电气技术操作人员值班监护,随时检查电流表和加热设备的工作状态各项参数是否超过允许值。

3)定时巡查,并检查接头位置,若有烧坏则应立即修复处理。

3.6 模板以及保温棉的拆除

当确认混凝土强度达到可以停止加热并拆除保温棉时,保温棉需要待混凝土构件冷却至5℃以内方能拆除;构件在急速受热和受冷的情况下极易损坏,混凝土若急速受冷则会产生裂缝,因此在准备拆除模板和保温棉之前先要确认混凝土构件本身内外温差≤25℃,混凝土构件与环境的温度,温差≤20℃; 若不能保证其条件,则需对混凝土构件进行覆盖,使之能缓慢冷却。

4 质量控制措施

1)施工前制定电加热混凝土养护专项施工方案,施工工程中按施工方案进行技术交底,所有人参与施工的作业人员和管理人员参加。

2)在空气温度处于零度以下时对混凝土构件进行电加热的质量管理必须符合相关的施工规范的要求。

3)加热系统所有设备、电缆等材料,工程实际用混凝土、钢筋等在进场使用之前必须经过入场检查,主要通过外部检视检查其是否符合规范要求和设计要求,是否有出厂合格证、第三方签发质量检测报告及其它必须要经过检查的内容,混凝土还需要检查其坍落度,入模时的温度是否符合规范要求。

4)负责电加热施工的作业人员必须进过专业培训并持证上岗,施工过程中严格遵守电气作业相关规定。

5)钢筋、预埋铁件、管道等隐蔽工程需验收合格后方能进行混凝土浇筑,混凝土入模倾倒高度尽量放低,使用小直径振动棒,振捣过程严禁振动棒与加热线接触,避免损坏加热电阻线的绝缘外皮。

6)加热过程中实时监测构件和环境的温度是否满足规范要求,设备的电流、电压以及其他的控制参数是否与计算数据一致,并按规定填写检查日志。

5 结 语

电加热养护技术,有效解决了在严寒、高寒地区的混凝土结构在负温条件施工养护的问题,通过在我国东北地区及俄罗斯多个项目的积极探索,使用电阻线加热法,并以暖棚、保温材料覆盖、混凝土外加剂、加热风炮等组成的综合养护系统,最低可以在-40℃环境中进行混凝土浇筑。成本可控,施工质量和进度均可以得到有效保证。