山东省交通工程监理咨询公司266071
内容摘要：与其他薄壁钢筋混凝土预制构件一样，预制沉箱冬季施工的技术难题主要是解决混凝土的出仓、入模温度，以及浇筑过程中、浇筑完成后的保温及养护问题，防止混凝土因受冻而影响构件质量。本文结合工程的实际情况，从低温对混凝土的影响机理、拌合水的温控、混凝土组料保温、混凝土搅拌及出仓、入模温控措施和注意事项，及浇筑完成后的保温措施等方面，进行技术总结和分析，积累施工经验。
关键词：冬季施工混凝土 温度保持 保温养护 温度监控 热工计算
谈到冬季沉箱预制，就必定涉及冬季低温对混凝土拌制、浇筑入模、保温养护，到硬化成形，最终达到设计强度等级要求这一整个过程的影响。本文根据施工先后顺序，以温度控制为核心，以某工程16仓格，设计强度等级为C30F250的沉箱预制工程为例，总结归纳了冬季沉箱预制混凝土质量控制技术措施。
一、低温冰冻对混凝土强度形成的作用
新浇筑混凝土中的水可以分为两部分：一是存在于组成材料颗粒空隙之间的处于游离状态的水，俗称“游离水”，它只对混凝土浇筑的和易性起作用；二是吸附在组成材料颗粒表面和毛细管中的水，这部分水与水泥颗粒结合并产生化学反应，起水化作用，俗称“水化水”。从混凝土结构的成形过程来说，混凝土强度的增长取决于在一定温度下水化水和水泥的水化作用以及游离水的缓慢蒸发。因此，影响混凝土强度增长的因素主要是温度和湿度。进一步分析，混凝土强度增长的速度在湿度一定时，取决于温度的变化。当混凝土的温度在＋5℃时的强度增长速度仅为＋15℃时的一半。当温度降到－1～－1.5℃时，游离水开始结冰，温度降至－4℃时，水化水开始结冰，水化作用停止，混凝土强度也停止增长。根据《混凝土施工技术》（人民交通出版社出版，刘秉京著）一书介绍：据有关试验，若塑性混凝土在终凝前（浇后3～6h）遭受冻结，混凝土在开冻后的强度损失在50%以上，凝结后2～3d遭冻，强度损失在15～20%，通常把遭受冻结混凝土后期的抗压强度损失在5%以内的预养护强度值定义为“混凝土受冻临界强度”。普通硅酸盐水泥配制的混凝土的受冻临界强度为设计强度等级的30%，矿渣硅酸盐水泥配制的混凝土的受冻临界强度为设计强度等级的40%。
综合考虑混凝土的强度储备，并结合《水运工程混凝土施工规范》中：“混凝土的允许受冻强度，不应低于设计强度标准值的50%或10MPa” 的规定，可以确定，沉箱预制混凝土（以C30F250为例）其实际强度达到设计强度等级的33.4%以上即可满足允许受冻的强度要求。
二、冬季施工混凝土施工技术措施
1、混凝土原材料的温度保持
根据《水运工程混凝土施工规范》中：“日平均气温连续5d稳定低于＋5℃时”，即属于冷天混凝土施工，“施工前应准备好加热、保温和防冻的材料”，“冷天施工时，应优先选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，标号不应低于425号；若使用矿渣硅酸盐水泥，宜优先考虑采用蒸汽养护；使用其他品种水泥，应注意其中掺合料对混凝土抗冻、抗渗等性能的影响；掺防冻剂的混凝土严禁使用高铝水泥”等相关要求，我们可以根据施工当地的实际情况，本着经济实用的原则，依据综合蓄热法的指导思路制定冬季预制沉箱的质量保证措施：
⑴采用常规P.O42.5R级的快硬水泥；
⑵在混凝土中拌合水中添加外加剂（早强减水剂），减少水的使用量，加快混凝土硬化速度，促使达到混凝土临界强度；
⑶在混凝土拌合水中，按照预定比例，加入防冻剂以降低水的冰点，使混凝土在负温下不致冻结；
⑷上料之前，提前将配制混凝土用水进行人工加温，提高混凝土拌制温度，预留混凝土温度损失空间，使混凝土既早强又不易冻结；
⑸合理组织施工，尽量缩短混凝土从出仓到入模的时间长度，减少温度损失。
⑹对已浇筑混凝土采取措施进行保温和人工加温，人为制造温湿环境，加强对混凝土的养护。
⑺针对砂的含水率较高，低温下容易冻结成块的问题，在砂料堆场上架设篷布防护棚，给砂堆保温、蓄能。
2、混凝土浇筑过程注意事项
⑴砂石不需加热，但必须除掉表面附着的冰雪；砂石、水的温度必须经常检查（每小时不少于两次），温度计停留在材料内的建议时间：砂石3min，水2min，温度计应带有金属防护罩。
⑵为防止水泥“假凝”，水泥不能与热水直接接触。拌和时应先将热水与粗细骨料搅拌，控制拌和物的温度不超过＋35℃后，再投入水泥进行搅拌，同时砼的搅拌时间较正温下搅拌时间延长50%。
⑶为减少热量损失，尽量减少混凝土的装卸、转运次数，运输工具的容器宜适当进行保温，并需保持清理干净。
⑷混凝土从出仓到入模的浇筑时间应控制在30min内完成，金属预埋件和直径大于25mm的钢筋在浇筑前应进行预热。
⑸浇筑期间如遇见气温急剧下降，应立即对混凝土实施加温保护措施，避免受冻。
⑹加强对混凝土出仓温度和浇筑温度的实时监控，建议每一工作班测量不少于四次。
3、浇筑完成后混凝土保温养护
⑴根据现场仓格体积实际测算，在仓格内布置电加热板。
在每个舱格内安装一块功率为2kw的加热板，在前后面板和两个侧面板上，每侧均布5块功率为2kw的加热板，每个沉箱需要36块加热板。
⑵在整个新浇层的模板外侧包裹一层篷布，篷布布置尽量密封；在沉箱顶部用钢盖板将舱格进行密封，同时用草帘覆盖盖板、箱壁及隔墙顶部。
⑶从沉箱接茬的下层砼1～1.5m范围进行防寒保温，对外露的粗钢筋或其它预埋铁件，亦在长1.0～1.5m的范围内用土工布进行御寒保温。
⑷沉箱的边角棱部位应采取保温加强防护措施，在包裹篷布设计时应做充分考虑。对拼装模板的接缝位置应实施双层保护。
浇筑完成后应在最短的时间内实施模板外侧的包裹及仓格内部加热板的布设，尤其是在气温低于0℃的时，更应立即进行御寒保温，使混凝土在＋5℃以上保持4~6h，之后再进行升温。
4、保温养护的温度监控
⑴测温孔的设置原则：在易受冻、易散热的部位，在远离加热板的位置，薄壁的边角，外侧和内侧分别设置。对全部的测温孔均进行编号，绘制测温孔布置图，测温表应采取措施与外界隔离。测温时，测点的埋入深度应为3～5cm，测温表留置在测温孔内不少于3分钟。在达到抗冻临界强度时，应每隔2h测定一次，以后每隔6h测定一次，并应同时测定环境温度。
⑵测温孔布置示例：在箱壁顶部四周中轴线上均匀布设测温孔：12个直径15mm一端开口、一端堵死的普通细钢管，L＝20cm，埋深18cm，开口端外露用海绵暂时封堵，以备测量砼温度用（见附图）。
⑶根据测温频率要求，按时进行温度测量，并做记录，绘制温度变化曲线，对测温周期中出现的温度骤变情况，进行原因分析和现场检查，及时采取措施，保证养护温度达到预期要求。
三、理论数据计算
根据《水运工程混凝土施工规范》要求：“混凝土的出仓温度应综合考虑气候条件、材料温度、保温方法、运输过程中的热量损失等因素，在保证混凝土的浇筑入模温度不低于＋5℃的条件下，通过试算和试验确定”的要求，根据理论计算，当外界的平均气温为4℃时，不需对砂石、水泥进行加热，拌和水的温度在20℃时即可满足需要，此时混凝土的出机温度为8.25℃，混凝土浇筑成型开始养护的温度为6.47℃，在此温度下采用覆盖篷布养护35h后的混凝土强度可以达到设计强度的35%；当外界的平均气温为0℃时，水泥和水的温度需要20℃和75℃以上，此时混凝土的出舱温度为15.07℃，混凝土浇筑成型开始养护的温度为8.74℃，在此温度下不用加热板，仅采用覆盖篷布养护，30h后的混凝土强度可以达到设计强度的34%；当外界的平均气温为－5℃时，水泥和水的温度需要控制在20℃和78℃，此时混凝土的出舱温度为12.28℃，混凝土浇筑成型开始养护的温度为5.02℃，在此温度下使用加热板加热，同时采用覆盖篷布养护27h后的混凝土强度可以达到设计强度的30.4%。（计算过程详见附表——以－5℃时为例）
原材料加热的热工计算 表一 序号 项目 符号 单位 数值 备注 一 水泥砂石具有的热量 T1 千卡 -216.70 1 水泥用量 C kg 404.00 2 砂用量 S kg 707.00 3 石子用量 G kg 1106.00 4 水泥温度 tc ℃ 20.00 需实测 5 砂温度 ts ℃ -5.00 需实测 6 石子温度 tg ℃ -5.00 需实测 7 水灰比 0.45 二 加热的水具有的热量 T2 千卡 10688.71 1 水的加热温度 tw ℃ 78.00 2 水的实验室配合比用量 W kg 182.00 3 砂的含水率 Ps ﹪ 0.06 需实测 4 石子的含水率 Pg ﹪ 0.00 需实测 5 砂用量 S kg 749.42 6 石子用量 G kg 1106.00 7 水的比热 b kcal/(kg℃) 1.00 三 砂石中的水具有的热量 T3 千卡 -212.10 骨料温度＞0 千卡 -42.42 骨料温度≤0 1 水的比热 b kcal/(kg℃) 1.00 2 水的溶解热 B kcal/(kg℃) 1.00 3 砂的含水率 Ps ﹪ 0.06 4 砂用量 S kg 707.00 5 砂温度 ts ℃ -5.00 6 石子的含水率 Pg ﹪ 0.00 7 石子用量 G kg 1106.00 8 石子温度 tg ℃ -5.00 四 砼搅拌后的温度 T ℃ 15.57 五 砼出搅拌机的温度 T０ ℃ 12.28 1 搅拌棚内温度 Tｄ ℃ -5.00 需实测 2 砼搅拌后的温度 T ℃ 15.57 3 温度损失系数 0.16 六 砼运输至成型的温度损失 Ts ℃ 7.26 1 砼运输至成型的时间 ｔ ｈ 0.40 需实测 2 砼倒运次数 ｎ 次 1.00 3 砼出搅拌机的温度 T0 ℃ 12.28 4 室外温度 Tα ℃ -5.00 需实测 5 温度损失系数 α ｈ-1 0.25 七 砼成型后的温度 ℃ 5.02
蓄热法热工计算 表二 序号 项目 符号 单位 数值 备注 一 结构表面系数 M 6.125 1 砼构件的冷却面面积 F m2 4318.000 2 砼构件的体积 V m3 705.000 二 砼冷却到零度时的延续时间 X ｈ 40.705 1 砼浇筑振捣完毕开始养护的温度 ｔ ℃ 5.022 1.1 砼热容量 C0 千卡／ｍ３．℃ 600.000 1.2 保温材料的热容量 C0′ 千卡／ｍ３．℃ 0.135 1.3 材料的体积 V m3 0.020 1.4 材料的密度 γ kg/m3 150.000 1.5 材料的比热 C 千卡／kg．℃ 0.045 1.6 砼的入模温度 t′ ℃ 5.023 1.7 室外平均温度 t2 ℃ -5.000 2 砼养护期间的水泥水化热 Qｃ 千卡／kg 27.000 查表 3 模板、保温层的总热阻系数 R m2.h.℃／千卡 0.110 3.1 模板的厚度 ｈ1 ｍ 0.004 3.2 保温材料的厚度 ｈ2 ｍ 0.003 3.3 模板的导热系数 λ1 千卡/(m.h.℃) 43.000 3.4 保温材料的导热系数 λ2 千卡/(m.h.℃) 0.050 4 砼养护冷却期间的平均温度 t1 ℃ 3.305 查表 5 透风系数 β 1.500 查表 6 砼养护x小时后的强度（用R28的百分数表示） Rx % 37.341 6.1 系数 A 25.500 查表 6.2 系数 B 0.960 查表 7 保温材料的选择 7.1 砼冷却到零度时的延续时间 X ｈ 40.705 7.2 结构表面系数 M 6.125 7.3 砼养护冷却期间的平均温度 t1 ℃ 3.305 7.4 砼硬化期间的室外平均温度 t2 ℃ -5.000 7.5 砼浇筑振捣完毕开始养护的温度 ｔ ℃ 5.022 7.6 每立方米砼的水泥用量 gc kg 404.000 7.7 模板、保温层的总热阻系数 R m2.h.℃／千卡 0.110论文作者:付欣,徐冰
论文发表刊物:《基层建设》2016年14期
论文发表时间:2017/9/14
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