浅析混凝土冬期施工技术措施

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   【摘要】我国北方地区冬季比较寒冷,一般冬季不宜施工,而对于一些为达到最优经济效益的工业建筑来说,采用合适的冬施方法,不仅可以保证建筑物混凝土质量,而且可以使投资项目提前投产进入项目资金回收期,使投资项目的经济效益更加显著。本文将以钢盛建安公司所承揽的宣钢新2#2500m³高炉矿焦槽工程冬期施工措施为例,从混凝土冬期施工过程中原材料准备、操作工艺、养护方法等方面进行介绍。
   【关键词】混凝土;冬期施工;技术措施;养护
  中图分类号: TU37文献标识码:A 文章编号:
  冬期施工由于施工条件及环境不利,是工程质量事故的多发季节,尤以混凝土工程居多,混凝土冬期施工的质量事故一般具有隐蔽性、滞后性。即工程是冬天干的,大多数在春季才开始暴露出来,因而给事故处理带来很大的难度,轻者进行修补,重者重来,不仅带来经济损失,而且影响工程的使用寿命。混凝土冬期施工的计划性和准备工作时间性强,这是由于准备工作的时间短,技术要求复杂,往往有一些质量事故的发生,就是由于这一环节跟不上,仓促施工造成的,所以必须采用合适的冬施方法以保证混凝土施工质量。本文以钢盛建安公司第一施工处所承揽的宣钢新2#2500m³高炉矿焦槽工程冬期施工措施为例,从混凝土冬期施工操作过程中几个方面对冬期施工的技术措施进行阐述。
  一、冬季对混凝土施工影响原理
  混凝土拌和物浇筑后之所以能逐渐凝结和硬化,直至获得最终强度,是由于水泥水化作用的结果。而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的。当温度升高时,水化作用加快,强度增长也较快;而当温度降低到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(水)。这时参与水泥水化作用的水减少了,因此,水化作用减慢,强度增长相应较慢。温度继续下降,当存在于混凝土中的水完全变成冰,水泥水化作用基本停止,此时强度就不再增长。
  水变成冰后,体积约增大9%,同时产生约2500千克每平方厘米的冰胀应力。这个应力值常常大于水泥石内部形成的初期强度值,使混凝土受到不同程度的破坏从而降低强度。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,从而影响混凝土的抗压强度。当冰凌融化后,又会在混凝土内部形成各种各样的空隙,而降低混凝土的密实性及耐久性。
  由此可见,在冬期混凝土施工中,水的形态变化是影响混凝土强度增长的关键。新浇混凝土在冻结前进行必要的措施进行养护,可以增加其内部液相,减少固相,加速水泥的水化作用。保证结构强度,减少混凝土强度损失。
  二、冬施作业条件及施工准备
  1、冬期施工时间:根据《建筑工程冬期施工规程》(JGJ104-97)要求,当室外日平均气温连续5天稳定低于5℃即进入冬期施工;日平均气温连续5天高于5℃,为冬施结束日期。因为新拌制混凝土在5℃的环境下养护,其强度增长很慢,而且在日平均气温低于5℃时,一般最低气温已低于0—1℃,混凝土已有可能受冻。所以,现场应于11月初即开始对大气进行测温,上述条件达到即确定为冬施的起、止日期。
  宣钢新2#2500m³矿焦槽工程采用混凝土筏板基础,主体为高25.3m的混凝土框架结构,分为4层,标高依次为4.5m、8.3m、14.46m及25.3m以下料仓部分。本工程2009年10月8日开工,在筏板基础施工完毕后,开始4.5m平台施工时气温达到冬施规程要求,开始安排冬施。
  2、通过计算并结合工程特点,根据初冬(11月1日~12月15日)和严冬(12月15日~次年3月初)各时期的气温,适时选用合理的外加剂和保温措施。
  3、现场准备
  施工现场根据施工进度计划,由材料部门提前组织有关机具、外加剂和保温供暖设备、材料的进场,并且对各种加热的设备、保温材料仔细检查其安全可靠性。工地临时供水管道做好保温防冻工作。同时做好冬期施工混凝土、砂浆及外加剂的配验工作,检查施工配合比。
  4、组织实施
  现场组织有关人员学习施工方案,并向具体操作人员交底。进入冬期施工前对混凝土试验、保温人员专门组织技术培训,学习本岗位有关知识,明确责任,专人负责。同时安排专人进行气温观测,做好记录并与气象部门保持联系,及时了解天气变化情况,防止寒流袭击,积极采取应对措施。
  三、冬施原材料准备
  1、钢筋:
  (1)钢筋接头及浇筑混凝土前将钢筋上的冰雪冻块清理干净。
  (2)对浇筑完混凝土面的预留钢筋上的混凝土及时清理干净。
  (3)钢筋要做好保温、防雪准备。在钢筋原料和成料上要覆盖一层彩条布。
  (4)钢筋焊接应在室内进行,如必须在室外焊接,其最低气温不低于-20℃,且应有防雪和防风措施,刚焊后钢筋应放置在避风处保证钢筋缓慢冷却,并严禁立即碰到冰雪造成冷脆现象。
  2、模板保温措施:
  本工程框架梁、柱模板采用塑料薄膜包裹,外挂草帘子保温,顶板随混凝土浇筑随铺一层塑料薄膜,上加草帘子保温。混凝土达到设计强度70%后方可拆除保温,梁、板待混凝土强度达100%方可拆除模板及支撑,模板拆除后混凝土表面加临时覆盖,以保证混凝土缓慢冷却。
  3、混凝土工程:
  (1)根据工期要求,必须在冬期进行混凝土的浇筑工作。为保证冬施工程质量,我们对混凝土加热、搅拌、运输、浇筑作如下要求:
  (2)材料要求:
  ①水泥:水泥优先选用硅酸盐水泥、普通硅酸水泥,应注意其中摻合材料对混凝土抗冻、抗渗等性能的影响,注意冬期施工尽量不使用水化热较小的矿渣水泥。施工用的水泥标号不低于42.5等级,最小水泥用量不宜少于300kg/m³,水灰比不应大于0.6。并不得直接接触80℃以上的热水,水泥不得直接加热。
  ②砂子:选用优质中砂,含泥量不得大于3%。砂子中不得含有冻块、冰雪等杂物。
  ③石子:选用粒径为5~31.5mm级配良好的石子。混凝土所用骨料必须清洁,不得含有冰雪等冻结物及易冻裂的矿物质。在这里特别注意,在掺用含有钾、钠离子防冻剂的混凝土中,骨料中不得混有活性材料,以免发生碱——骨料反应。
  ④拌合水:采用用自来水及洁净的天然水都可作为拌制混凝土用水,严禁使用污水、工业废水、ph值小的酸性水、硫酸盐含量(按SO4)超过水重约1%的水。为了减少冻害,本工程将配合比中的用水量降低至最低限度。具体办法是:控制塌落度,加入减水剂,优先选用高效减水剂。水的热容量比较大,施工前在水箱内接通蒸汽加热,水温不大于80℃。
  ⑤外加剂:冬期施工中外加剂选择主要考虑改善混凝土和易性,减少用水量,提高拌合物的品质,提高混凝土的早期强度;降低拌合物的冻结冰点,促使水泥在低温或负温下加速水化;促进早中期强度的增长,减少干缩性,提高抗冻融性;外加剂的选择时还要注意其对混凝土后期强度的影响、对钢筋的锈蚀作用及对环境的影响,如含氨的混凝土外加剂;外加剂采用无盐类防冻剂,严格控制防冻剂等外加剂掺量等。结合以上因素,本工程选用复合早强抗冻剂,掺入量为水泥的2.5%~5%,抗冻指数要求为≤-25℃。外加剂使用必须符合设计规范规定,并符合《混凝土外加剂应用技术规范》(GB8075、GB8076)的规定,方可使用。
  (3)混凝土材料的加热
  我方搅拌站拌制混凝土时采用蓄热法对材料预热,搅拌加热水的方法进行,拌合水的温度为60℃,骨料的加热温度为40℃。
  (4)混凝土的搅拌
  ①搅拌前用热水冲洗预热搅拌机,同时搅拌时间延长0.5倍。
  ②投料顺序为先投入骨料和已加热的水,然后投入水泥。
  ③混凝土拌合物的出机温度不宜低于10℃,入模温度不低于5℃。施工过程中设专人进行观察测量。
  四、操作工艺
  1、混凝土的运输:冬期施工运输混凝土拌和物时,为尽量减少热量损失,我们采取了以下措施: 
  ①尽量缩短运输距离,选择最佳运输路线,缩短运输时间。 
  ②对罐车罐体及泵车泵管用保温材料(棉被)进行围裹保温。
  2、混凝土的浇筑:
  混凝土浇筑前要清除模板、钢筋上的冰雪和污物。已浇筑部分的混凝土温度不得低于2℃,混凝土表面覆盖草帘子并接通蒸汽养护,混凝土浇筑时,用于混凝土养护的塑料布和草帘子应做到随打随铺,利用混凝土自身蓄热和外部接通蒸汽进行养护。本工程在浇筑完平台后,立即覆盖3层塑料布加1层草帘,然后接通蒸汽,养护效果相当理想。
  3、混凝土的测温:
  混凝土的测温必须在混凝土入模前开始,测温方法如下:
  各区分别绘制测温孔布置图,每个孔都要有编号。测温孔应布置在有代表性、温度变化大、易冷却的部位。测温孔的深度为混凝土厚的一半。
  设立专职测温员。混凝土入模后24小时内,每隔2小时测温一次,25~72小时每隔4小时测温一次,72小时至最后每隔8小时测温一次,每次测温都要准确记录当时的温度,每次测温后的原始记录都要保留。当温度变化突然异常时,测温员要及时向项目部汇报,以做及时处理。
  (后附我处4.5m平台混凝土施工测温点分布简图及部分记录。)
  4、混凝土试块
  根据《建筑施工规范》要求混凝土试块每100m³(浇筑混凝土量超过1000 m³以上每200m³)或一个部位要留置试块4组,其中:
  第一组:标养28天,用以检查评定混凝土的强度等级。
  第二组:同条件养护,用以检验混凝土受冻前或温度低于防冻剂规定温度前是否达到临界强度。
  第三组:同条件养护,用以检验常温养护28天的混凝土强度。
  第四组:同条件养护,用以确定拆模日期。
  同条件试块在解冻后方可试压。
  五、养护方法
  冬期施工中做好混凝土养护工作是尤为重要的,养护工作不到位整个混凝土施工将功亏一篑。本工程采用蒸汽保温养护加暖棚法,首先采用挡风保温性能比较好的材料对建筑物周围脚手架外侧进行封闭围裹,本工程采用3m×4m定制棉被进行全封闭,在内部顶板均布管道通蒸汽养护。暖棚搭设必须牢固、不透风,内部采用燃煤取暖炉加热,注意将炉的排气管引出棚外,将烟气排到棚外,以防止煤气中毒和二氧化碳浓度过高加速混凝土的碳化。暖棚内底部温度不得低于5℃,当低于5℃时应采取增加煤炉的办法。混凝土养护期间,安排专人对煤炉进行检查,填加燃煤,保持棚内温度,同时加强防火工作。
  1、蒸汽热量需求量计算
  蒸汽为混凝土养护的主要热源,蒸汽源在养护期间必须稳定,且蒸汽热量通过计算需满足养护要求。蒸汽所需热量分为混凝土升温期需要的热量及恒温期所需热量,可根据以下公式进行计算。
  1、升温期需要热量。
  
   ——混凝土升温期间共需热量(KJ)
   ——混凝土体积
   ——混凝土比热容,取1.05KJ/(kg·k)
   ——混凝土质量密度,取2400kg/m³
   ——混凝土恒溫温度
   ——混凝土初温
   ——室外大气温度
  ——混凝土外围面积
  ——混凝土围护层传热系数
   ——升温时间
  ——换热系数 1W·h=3.6KJ
  2、恒温期需要热量
  
  ——混凝土恒温期间共需热量(KJ)
   ——恒温时间(h)
  3、蒸汽需要量
  
  ——混凝土养护蒸汽总需要量(kg)
   ——蒸汽含热量,取2500 KJ/kg
   ——损失系数,取0.2~0.3
  注:混凝土围护层传热系数计算式如下:
  
  ——围护各层的导热系数[W/(m·k)]
  ——围护各层的厚度
  附:建筑常用保温材料保温性能参数表
  
  
  本工程使用保温材料为草帘加塑料布。
  2、恒、升、降温措施
  由主蒸汽管道设分汽包,引出蒸汽分管,蒸汽分管向上通至4.5m平台板底,再设分汽包分管沿板底水平延伸,每2~4米设置一个蒸汽分管,板底蒸汽分管间隔500mm设置喷气孔,保证混凝土各个部位的温度均匀。每跨结构再设置火炉2个,设置在框架边侧,以解决边侧混凝土蒸汽不足温度偏低的状况。混凝土蒸汽养护温度达到70℃,恒温时间保持48小时,其强度可达到100%,经过12小时左右的养护,其强度可达到60%。
  
  
  
  3、注意事项
  (1)使用低压饱和蒸汽养护,蒸汽压力不宜过大,升温速度不宜过快,以保证混凝土内部及表面温度分布均匀。
  (2)蒸汽入口端不得靠近混凝土表面,以防温差过大产生裂缝。
  (3)混凝土的最高养护温度不得超过70℃。
  (4)拆模时应控制降温速度以防混凝土骤然冷却产生裂缝及水露结冰,使模板难以拆卸。
  六、混凝土冬期施工质量通病及预防措施
  1、钢筋的锈蚀与混凝土裂缝
  由于钢筋的氧化锈蚀伴生体积膨胀,致使混凝土沿主筋或箍筋方向产生裂缝。其次,水泥的安定性不良,混凝土的水灰比太大,早期强度低,失水太快也会引起开裂。混凝土内部水分由边缘向中心移动,形成压力也将引起轴向裂缝。
  预防措施:
  (1)严格控制氯盐的掺量。按照“钢筋混凝土工程施工及验收规范”规定:氯盐掺量不得超过水泥重量1%,基本钢筋就不锈蚀。
  (2)限定量的氯盐掺入时应充分溶解或搅拌均匀,以防止偏折引起局部钢筋锈蚀。
  (3)控制水泥质量和混凝土拌合物水灰比,增大其密实度,防止水分转移,均能有效地防止混凝土的裂缝产生。
  2、结构疏散与水分转移
  水分转移及结构疏散的混凝土,以表面呈冰晶、土黄色,砂浆骨料结合脆弱,声音空哑等为特征。同时由于混凝土内部压力差、温度、湿度差,使水分自边缘向中心移动造成空隙。
  预防措施:
  (1)适当掺用以防冻剂-减水剂-早强剂-引气剂组成的复合外加剂,减少水灰比,采取重复振动,加压振动,提高结构致密性。
  (2)混凝土表面“冰封”利用其湿水性均为有效。
  3、表面起灰
  所谓“表面起灰”是以砂浆和粗骨料相脱离,表面起灰,骨料裸露为特征。主要是由于混凝土拌合物水灰比太大,离析、泌水严重,粘聚性、保水性差,加上养护温度低,水泥水化趋于停止,混凝土水分迅速外离,导致表面起灰。
  预防措施:严格控制水灰比,延长混凝土混合物搅拌时间,表面覆盖塑料薄膜保水。
  4、结晶腐蚀-混凝土表面返霜
  混凝土硬化后,某种外加剂溶液通过毛细管的作用渗到混凝土表面,而混凝土表面的水分则逐渐蒸干,此种情况还将影响混凝土与饰面层的结合。
  预防措施:
  (1)适当控制外加剂的用量(最好不要超过水泥重量5~7%)
  (2)外加剂充分溶解后适当延长搅拌时间。
  (3)混凝土浇灌后,立即在其表面覆盖1~2层薄膜塑料,严防混凝土水分外移。
  七、冬期施工的安全和防火措施
  冬季施工过程中还应制定相应安全防火措施,我处针对本工程制定以下措施:
  1、施工现场除养护用炉火外严禁用明火取暖,应制定出具体防火安全注意事项,并将责任落实到人。
  2、电气设备,开关箱应有防护罩,通电导线要整理架空,电线包布应进行全面检查,务必保持良好的绝缘效果。
  3、必须采取防滑措施,脚手架、脚手板有冰雪积留时,施工前应清除干净,有坡度的跳板应钉防滑条或铺草包,并随时检查架体有无松动及下沉现象,以便及时处理。
  4、上下立体交叉作业的洞口临边及井架周围应设有防护棚或其它牢固可靠的隔离措施。
  5、高层作业必须用安全带,进入工地必须戴好安全帽,楼面预留孔洞必须用盖板盖好。不准用芦苇、草包遮盖,以防失足跌落。冬期施工拆除外脚手架应有围护警戒措施,严禁高空向下抛掷。
  6、打夯机、混凝土振动器等震动机械,以及经常移动的机具导线不得在地面上拖拉,不得浸放水中,应架空绝缘良好。
  7、工地临时水管应埋入土中或用草包等保温材料包扎严密,水箱存水下班前应放尽。
  8、棉被、草帘等保温材料不得堆放在露天,以免受潮失去保温效果。
  9、现场的易燃易爆及有毒物品应有专人保管,妥善安置。明火作业应实行动火证审批制度,并配置必要的安全防火用品。
  八、冬季施工效果總结
  在4.5m平台混凝土施工完,为了检测混凝土养护效果,特留置5组同条件试块。同条件试块分别在龄期3天、7天、14天、21天、28天时进行试压,将统计数据标准养护条件下的数据进行比较,绘制强度-龄期曲线图,如下图示:
  
  从上图可以看出,混凝土冬期养护在初期增长速度较标准养护条件下稍慢,但该曲线基本与其他季节现场自然养护曲线基本重合,表明我处采用冬季蒸汽 养护措施有效。
  总之,冬季混凝土施工难度大、重点多,这就要求施工单位必须精心组织设计,合理安排施工,克服冬季环境影响的不利因素,控制好冬期施工每一环节的质量。控制好冬施措施、创建精品项目是对我们施工管理人员施工组织管理水平的一种考验,也是对建筑企业施工能力的一种肯定,更是我们不懈的追求。
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