严寒地区大体积混凝土低温施工措施综述.pdf
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1、第 3 3卷第 4期 Vo 1 3 3 N o 4 水 利 水 电 科 技 进 展 Ad v a n c e s i n S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f W a t e r R e s o u r c e s 2 0 1 3年 7月 J u 1 2 01 3 D O I : 1 0 3 8 8 o j i s s n 1 0 0 6 7 6 4 7 2 0 1 3 0 4 0 2 1 严寒地区大体积混凝土低温施工措施综述 金毅勐 , 竹怀水 , 黄达海 ( 1 北京航空航天大学交通科学与工程学院, 北京1 0 0 1 9 1 ; 2 黄河
2、勘察规划设计有限公司, 河南 郑州4 5 0 0 0 3 ) 摘要: 详述 了我 国东北、 西北、 西藏等严寒地区在低温环境 中进行骨料准备、 混凝土运输、 混凝土浇 筑、 混凝土养护时采取的具体施工措施 , 介绍 了前 苏联和北美一些国家的大体积混凝土冬季施X - 方 法。工程实践表明, 合理选择温控标准, 严格控制热量损失, 使用暖棚法与综合蓄热法相结合的浇 筑方法, 采用新型材料加强混凝土表面养护等施工措施可以使在低温环境中施工的混凝土较好地 发育, 保证施 工质量达到设计标准。 关键词 : 严寒地 区; 大体积混凝土; 低温施工措施; 暖棚法; 蓄热法 中图分类号 : T V 5 4
3、4 9 1 文献标志码 : A 文章编号 : 1 0 0 6 7 6 4 7 ( 2 0 1 3 ) 0 4 0 0 8 9 0 6 Re v i e w o n c o n s t r u c t i o n me a s u r e s f o r ma s s c o n c r e t e i n l o w t e mp e r a t u r e i n c o l d r e g i o n s J I N Yi me n g ,Z HU H u a i s h u i ,H U A N G D a h a i ( 1 S c h o o l o f T r a n s p o
4、r t a t i o n S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ,B e ij i n g U n i v e r s i t y of A e r o n a u t i c s a n d A s t r o nau t i c s , B e ifi n g 1 0 0 1 9 1 , C h i n a ; 2 Y e l l o wR i v e r E n g i nee r i n g C o n s u l t i n g C o , L t d , Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 3 ,C h i na)
5、 Ab s t r a c t : S p e c i fi c c o n s t r u c t i o n m e a s u r e s i n l o w t e m p e r a t u r e f o r w a t e r c o n s e r v anc y and h y d r o p o w e r p r o j e c t s i n t h e c o l d r e g i o n s o f No r t h e a s t C h i n a,N o r t h we s t Ch i n a a n d C h i n a S T i b e t a
6、r e i n t r o d u c e d,s u c h a s a g g r e g a t e p r e p a r a t i o n,c o n c r e t e t r a n s p o rt a t i o n,c o n c r e t e p o u rin g a n d c o n c r e t e c u rin g T h e wi n t e r c o n s t r u c t i o n me t h o d s f o r ma s s c o n c r e t e i n t h e f o r me r S o v i e t Un i
7、o n a n d s o me c o u n t ri e s i n No r t h Ame r i c a a r e a l s o i n v o l v e d T h e e n g i n e e rin g p r a c t i c e s s h o w t h a t t h e f o l l o wi n g c o n s t r u c t i o n me a s u r e s c a n ma k e t h e c o n c r e t e i n l o w t e mp e r a t u r e s a t i s f a c t o ri
8、l y g r o w a n d t h e c o n s t ruc t i o n q u ali t y a c h i e v e s t h e d e s i g n c ri t e ri a:r a t i o n al s e l e c t i o n o f t e mp e r a t u r e c o n t r o l s t a n d a r d s ,s e v e r e r e s t r i c t i o n o f h e a t l o s s ,c o mb i n e d g r o u t i n g p r o c e d u r e
9、 s o f t e n t h e a t i n g me t h o d a n d c o mp r e h e n s i v e t h e rm o s me t h o d,a n d u t i l i z a t i o n o f n e w ma t e rials t o s t r e n g t h e n t h e s u r f a c e c u ri n g o f c o n c r e t e Ke y wo r d s :c o l d r e g i o n;ma s s c o n c r e t e ;c o n s t r u c t i
10、o n me a s u r e i n l o w t e mp e r a t u r e ;t e n t h e a t i n g me t h o d;t h e rm o s me t h o d 目前国内大型水利水电工程建设如火如荼 , 混 凝土作为水利枢纽工程的最重要材料 , 其性能与施 工工艺亦在不断发展 J 。截至 2 0 0 1年 , 我 国仅碾压 混凝土重力坝就有 4 2座建成并投入使用 。然而 , 随着我国大型水利资源开发的重心不断 向云南 、 四 川 、 西藏等高海拔 、 严寒地区转移 , 低气温 、 强辐射 、 大温差、 稀氧气等地区环境特点给混凝土的冬季施 工
11、带来巨大的挑战。因此有必要总结国内外严寒地 区已建工程的混凝土低温施工措施 , 以便 在严寒地 区进行混凝土低温施工 时, 可以保证混凝土较好地 发育 , 达到工程设计标准。 1 混凝土冬季施 工概 况 自2 O世纪 3 0年代 后 , 国外大体积混凝土 的冬 季施工普遍存在。前苏联一直倡导全年施工, 因而 积累了丰富 的混凝 土低温施工 经验 。欧美 国家 也于 1 9 3 0年以后设立了针对大体积混凝土冬季施 工措施的研究机构 , 这些国家也具有较高 的混凝 土 低温施工技术水平。第二次世界大战之后 , 在气候 寒冷 的日本北海道地 区有 1 8座大坝进行过冬季施 工 , 其 中桂泽坝更是
12、全部在冬季完成L 4 J 。 我国水工混凝土冬季施工始于 1 9 4 9年 丰满水 电站的修复与改建工程 引, 之后在东北的拉古哨、 桓仁水电站以及西北 的李家峡 、 积石峡 、 青铜峡、 公 伯峡 、 八 盘峡等水 电站建 设 中均在 冬季 进行 了施 工 。其中2 0 世纪 6 0年代建设的白山水电站, 在最低一 3 5 的条件下共施工 6个冬季 , 年冬季混 凝土浇 筑量 达 8 4 7万 m , 占年 混凝 土浇 筑量 的 3 3 。随着混凝土低温施工技术水平的不断提 高, 西藏满拉水利枢纽工程、 金河水电站、 直孑 L 水电 站等几个工程的实践 , 也为正在建设 的西藏藏木 、 党
13、恩水 电站提供了宝贵的经验 。 作者简介 : 金毅勐 ( 1 9 8 7 一 ) , 男 , 内蒙古呼和浩特人 , 硕士研究生 , 主要从事大体积混凝土温度控制研究 。E ma i l : j i n y i m e n g y a h o o C O B a n 水利 水电科技进展 , 2 0 1 3 , 3 3 ( 4 )T e l : 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 E ma i l : h h u e d u c n h t t p : k k b h h u e d u c a 8 9 我 国早期水利工程的混凝土冬季低温施工多采 用“ 停工处理” , 如太平湾、 红山水电
14、站均没有安排 冬季施工。随着低温施工技术水平 的进步 , 加之水 电工程施工工期紧 , 工序复杂 , 局部工程必须在冬季 枯水季节完成 , 因此我国在 1 9 4 9年建 国初期先后在 东北地区的红石、 桓仁等水 电站建设 中尝试冬季施 工 , 但 由于施工经验不足 , 加之 当时一切以进度为 目 标等历史原因, 一些坝体受到 了非常严重 的冻害损 伤。由此可见在高寒地 区冬季施工过程 中, 控制大 体积混凝土浇筑温度 , 防止混凝土早期受冻 , 对保证 工程建设质量尤为重要。 2 混凝土冬季冻害机理 混凝土冬季施工产生裂缝 的主要原 因是混凝土 内外温差和新浇混凝土的早期受冻。混凝土中自由
15、水受冻形成的冰晶会直接影响混凝土的强度发展及 耐久 性 。美 国华盛顿 大学 的 M c N e e s e研 究发 现 , 混凝土遭受冻害后的强度损失取决于其受冻前 的养护 时间 : 如果浇筑 温度 为 4 , 浇筑后 立 即受 冻, 受冻温度虽然只有一 4 , 但强度损失却很大; 如 果浇筑温度提升至 2 4, 并且受冻前经过 6 h凝结硬 化, 则强度损失将会很小 。前苏联钢筋混凝土科 学研究所研究显示新浇混凝土在养护 7 2 h之前受冻, 混凝土强度损失较大 引。我国在桓仁水电站施工工 地进行了2 1 0组的受冻对比试验 J , 结果表明混凝 土受冻的强度损失取决于混凝土浇筑温度、 养
16、护时间 与养护方法等几方面的因素。 国内现行水工规范推荐使用成熟度、 容许临界 应力等 方法估 算混 凝土早 期强 度。英 国学者 S a u l 。 。 将温度与时间的乘积定义为成熟度, 他认为 一 定配合比的混凝土, 不管其温度与时间如何组合 , 只要成熟度相等 ,其强度也是相 等的; 1 9 5 3年 , 瑞 典 B e r g s t r o m根据 S a u l 的定义 , 对一系列混凝土抗 压强度试 验结果进行 了归 纳 ; 1 9 5 6年 , P l o w ma n 又利用等效龄期概念对成熟度法进行了优化 。 在各国成熟度研究的基础上 , 考虑工程应用的方便 性 , 我国混
17、凝土施工规范 。 建议采用的成熟度计 算公式为 b f c =a e 一 ( 1 ) =( + l 5 ) t ( 2 ) 式中: 厂 c 为混凝土抗压强度, M P a , 当采用综合蓄热 法时 , 需乘 以调整系数 0 8 ; a 、 b为参数 ; N为混 凝土成熟度 , h ; T为某时间段 内混凝 土的平均 温度 , o C; t 为混凝土温度为 时的持续时间, h 。 9 0 水利 水电科技进展 , 2 0 1 3 , 3 3 ( 4 ) z : 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 3 国内大体积混凝土低温施工措施 我国在东北地区的桓仁 、 白山、 红石 、 观音 阁、 白
18、石等水 电站最 早进 行 大体 积混 凝 土低 温 环 境 施 工 J , 由于积累 了大量 的混凝 土冬季 施工 技术 经 验 , 其中暖棚法、 蓄热法等混凝土冬季施工技术被相 应的水电行业规范所借鉴, 并被其他工程广泛采用。 随后我国西北 、 西藏等地也逐步开始尝试大体积混 凝土冬季施工 。水电行业规范对混凝土低温季节施 工有明确的规定 , 但在实施过程 中各地区的具体措 施亦有所不同。下面仅针对我国东北、 西北、 西藏等 严寒地区, 以骨料准备、 混凝土运输 、 混凝土浇筑、 混 凝土养护为序 , 对严寒地 区混凝土施 工措施进行简 要分析。 3 1 骨料准备 为保证混凝土浇筑温度符合设
19、计 标准 , 需要严 格控制新拌混凝土的出机温度。在混凝土冬季施工 中, 采用热水拌和混凝土通常是最直接、 最经济的手 段。但是当采用热水拌和依旧不能满足出机温度要 求时, 则需要直接加热混凝土骨料。丰满水电站拌 和水温度为 7 08 0 C, 同时采用蒸汽排管加热混凝 土骨料, 并在混凝土拌和前根据温度计算确定所需 的加热机型号及数量。为减少混凝土拌和过程中的 热量损失, 在混凝土搅拌机外部加设草袋、 水泥袋等 保温材料。白山水电站混凝土骨料加热分为两个阶 段 : 第一阶段是在预热仓内预热 , 预热仓用混凝土挡 墙 围成 , 外表面用木丝板保温 , 仓 内预制蒸汽排管 ; 第二阶段是在拌和楼
20、储料仓中加热, 在第一阶段中 没有达到预热要求的混凝土骨料被送入储料仓 中继 续加热 。 合理的骨料储存和先进的加热机械可 以大幅减 少因加热骨料而带来的附加费用 , 冬季施工的骨料 储备通常会 计算用量 的 1 5倍。在早期冬 季施工 中, 一般选用蒸汽排管加热骨料, 但这会使骨料含水 量增加从而影响混凝土水灰 比。近年来 , 骨料加热 机械不断进步 , 如拉西瓦水电站就采用热风机风热 混凝土骨料 。 3 2混凝土运输 混凝土从 出机至完成浇筑 , 要经过水平 、 竖直两 种运输路径。在运输过程中, 如不采用保温措施便 会损失大量混凝土热量 , 甚至造成混凝土早期受冻。 丰满水电站在运输车外
21、 围包裹草袋 , 控制运输温度 损失 2 3。白山水 电站用 门机和缆机直接 吊混 凝土入仓 , 减少倒运次数 ; 用麻袋布做成两层的建筑 用毛毡围裹混凝土罐进行保温 ; 将混凝土泵置于保 温棚内进行保温; 运送混凝土的皮带必须设置在廊 E m a i l : 豇h h u e d u c n 印 : b h h u e d u c n 道内, 廊道温度不得低于 0 o C 。拉西瓦水电站水平 运输车的侧面采用橡塑海绵保温, 顶口安装滑动保 温布袋 , 确保运输过程 中温度损失在 1 o C以内; 垂直 运输车的四周采用橡塑海绵保温, 温度损失低于 1 【 26 。西藏吉前水电站对其运输车周围
22、采用双层 高发泡塑料板保温 , 外封黑铁皮 固定 , 车顶部安装可 移式高发泡聚乙烯泡沫塑料保温被, 设置可靠的防 风装置, 避免新鲜混凝土表面受冻, 同时对自卸汽车 尾气装置和通道进行改造 , 利用尾气对车厢底板加 热 , 以减少混凝土从 出机 口到浇筑仓 面之间的热量 损失 , 混凝土的温度损失控制在 3 以内 。 3 3混凝土浇筑 根据施工原理 的不 同, 目前我 国混凝土冬季浇 筑施工方法大致分为 3类 : a 提高混凝土养护温度 , 使混凝土在正温条件 下硬化。施工方法有暖棚法 、 电加热法 、 蒸汽法 , 适 用于环境温度为一 2 50 的情况。 b 冬季冷法施工, 添加防冻剂使混
23、凝土在负温 条件下硬化。典型的施工方法是负温养护法, 适用 于环境温度在一 1 5以下的情况。 c 提高混凝土入模温度 , 对混凝土进行 蓄热保 温 ; 或者通过使用外加剂使混凝 土在受冻前达 到临 界抗压强度 。该类方法在混凝土低温施工中较为常 见, 具体分为蓄热法、 综合蓄热法、 广义综合蓄热法, 其适用环境温度分别处于一 5 q C、 一 1 5 、 一 2 5以下 的情况 。 暖棚法是较为 常用 的混凝 土冬季施工方法 , 适 用于混凝土工程 比较集 中的区域 ; 电加热法包括 电 极法、 电热毯法等, 应用于大坝表面一些连续不规则 的区域 。东北早期混凝土施工多采用暖棚法 , 混凝
24、土浇筑温度为 1 0l 3 , 棚 内温度 8 o C; 拉西瓦水 电站在 1 2月至次年 1 月采用综合蓄热法施工 ( 同时 满足暖棚法施工要求) , 在其他时间采用蓄热法施 工【 2 9 ; 新疆吉林 台水电站和西藏吉前 、 金 河水 电站 均采用 暖棚法施 工, 浇筑温度 分别为 8 9 o C与 7 cC_ 3o 。 ; 西藏直孔水电站采用暖棚法与蓄热法相 结合的方法 , 取得 了令人满意的效果 。 使用暖棚法会使施工区域具有较好的施工环 境 , 但是搭设暖棚 费工费 时, 搭装 与拆卸较 为复杂 。 因此对于近几年在冬期施工 的水利工程 , 大多采用 蓄热法与综合蓄热法浇筑混凝土。拉
25、西瓦水 电站的 外加剂采用高效减水剂和引气剂联掺 , 同时对混 凝土的配合比进行优化, 采用“ 两低三掺”的方法, 即采用较低的水胶 比和用水量, 掺人优质 I 级粉煤 灰 、 缓凝高效减水剂和引气剂 , 有效 降低了混凝土温 升, 提高了混凝土的抗裂、 耐久和抗冻性能以及极限 水利水 电科技进展 , 2 0 1 3 , 3 3( 4 ) T e l : 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 拉伸值。对比拉西瓦水电站混凝土施工措施的暖棚 法 , 可以发现暖棚法较蓄热法具有升温快 、 温度稳定 等优点, 但投入设备多, 造价偏高; 蓄热法养护方案 经济简便, 可操作性强。实践证明, 蓄热法
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