摘要：随着公路工程的蓬勃发展，混凝土材料是当前世界上最为重要的土木工程材料之一。由于其具有成本低、耐久性好、本地材料利用率高等优点，在我国基础设施建设，如公路、桥梁、隧道等工程中得到广泛应用，为经济发展发挥了巨大的作用。新疆西北地区气候特点主要有：太阳辐射强，日照充足，干湿季节分明，雨热同季，冷干时间长，温湿时间短，冬寒夏凉，气温日差大，风力较强。由于温度和湿度的频繁变化，日温差大，给混凝土材料的质量和混凝土结构的耐久性带来了严峻的考验，给混凝土结构造成严重危害，主要表现为混凝土结构在西北复杂气候环境下发生开裂，在侵蚀性介质作用下发生剥离、破坏和钢筋锈蚀等，将会成为影响该地区交通工程质量和使用寿命以及行车安全的重要因素。
关键词：西北地区；高温差；多风；干旱特殊环境条件；混凝土；质量控制
1.工程概况
1.1项目简介
本项目为乌鲁木齐规划国道G216乌鲁木齐过境段公路（东二环路），通过新建环城快速路系统，缓解市区道路的巨大交通压力和部分集散交通压力，加强与区域干线公路网以及城市快速路、主干路网的衔接，形成“三环十二射”的快速路网格局，疏解城市交通，纯化市区道路交通功能，加强市区组团之间的联系，促进乌鲁木齐的经济发展。
路线途经乌鲁木齐市沙依巴克区、天山区，主线全长22.3km，辅道伴行线长11.6km，辅道绕行线长9.7km。道路设计速度为快速路80 km/h、辅道40～50km/h，快速路车道数为双向6-8车道、辅道车道数为双向4车道，项目主要构造物有高架桥6座（金沙滩街高架桥、跃进街高架桥、花儿沟路高架桥、延安路高架桥、仓房沟高架桥、燕北高架桥），互通立交1处（乌奎互通）、跃进街上下口桥。
1.2本项目环境介绍
本路段经过的地区大多为荒漠戈壁，属暖温带干旱气候区，年平均降水量不到70mm，年平均蒸发量高达1950mm，气候干燥，冬季最低温度-20℃，昼夜温差大，无霜期为205-219天，风起沙来，沙尘弥漫，遮天蔽日。
在借鉴参考其它工程施工经验的基础上，结合本工程的特点：工期紧、自然环境恶劣等因素，点多线长，构造物分散，运输距离远，建设单位对混凝土结构质量要求非常严格，因此必须通过高温差、多风、干旱特殊环境条件下混凝土质量控制技术研究。保证试配出的混凝土仍能够满足施工性能和强度等各项指标要求，通过减少质量病害的使用来增加项目的经济效益，进一步增加社会效益。
2.戈壁地区影响混凝土施工质量的主要因素
戈壁地区浇筑混凝土，不仅对新拌混凝土的出仓温度、入模温度、工作性能、坍落度等造成影响，而且对混凝土结构实体强度、耐久性以及混凝土外观质量带来不利后果。其影响混凝土施工质量的主要因素如图1所示：
图1 戈壁地区影响混凝土质量的主要因素关系图
2.1空气湿度小
混凝土从出仓到浇筑入模过程中，其失水速度会比其他地区快好几倍，坍落度损失很大，不利于浇筑振捣，同时加大混凝土干缩裂缝产生的危险。混凝土成型后，对保湿要求很高，必须采取特殊保湿养护措施，以保混凝土强度增长。
2.2昼夜温差大
戈壁地区昼夜温差最大能达到20℃，如不采取措施控制，在混凝土浇筑完成初期，混凝土芯部与表面很容易形成较大温差，温度梯度大使混凝土表面产生塑性、温度裂缝。
2.3多风且风大
大风使混凝土表面水分会快速蒸发，同时由于风力较大，对结构采取的包裹措施必须考虑风力的影响，如果措施不当，包裹材料将被风破坏，无法保证混凝土结构养护进行。
3.对比试验、数据分析
3.1试验环境及方法
为了获得混凝土在戈壁环境条件下，采用更行之有效的混凝土施工措施保证混凝土具有良好的工作性能、强度、抗裂缝性和外观质量，并真正为现场施工提供理论支持，特选择本路段设立于箱梁预制场为试验特定环境，对该梁场混凝土施工实测数据及运作情况进行一系列比对试验和措施效果分析。主要从蒸汽养生，使用保温材料养护和不使用保温材料养护，标准养护、包裹塑料薄膜养护和新型节水保湿养生膜养护三个方面比对试验进行研究，分析其对混凝土各项性能技术指标的影响。
3.2 混凝土原材料及主要试验设备
采用C50强度等级普通混凝土进行试验。
3.2.1混凝土原材料
水泥：新疆青松建材有限公司P.O42.5水泥；
砂：新疆胜骐智诚矿业有限公司生产的水洗中砂；
碎石：新疆胜骐智诚矿业有限公司生产的5-25mm级配碎石，由5-16mm，16-25mm单粒级碎石按4：6比例混合而成；
外加剂：山西奥瑞特建材科技有限公司生产的ART-003高效减水剂；
水：地下饮用水。
3.2.2主要试验设备
（1）LSH1-0.7-A型立式蒸汽锅炉，锅炉蒸发量1t/h，额定蒸汽压力0.7MPa，额定蒸汽温度170℃；
（2）HT225W型全自动数字回弹仪，ZC3-A型混凝土回弹仪两台，回弹仪标定钢砧一个；（3）抗压强度试膜150mm×150mm×150mm数套；
（4）YE-2000C型压力试验机一台；
（5）数显温度计一个，玻璃温度计数根，表盘式温湿度计数个。
3.2.3试验条件保证措施
蒸汽养生温湿度保证是影响混凝土梁体强度稳定形成的重要因素，温湿度的升高与降低主要靠送气量和蒸汽气压来进行调控，而恒温保证则需要一些辅助技术措施：
（1）每片梁通入四条软式胶皮管供气，即梁内一条，梁体两侧腹板下部各一条，梁体顶板一条，供气时先将软质胶皮管与供气主管预留接头相连，然后在软质胶皮管上设置出气孔，按2m/1孔布置，孔眼直径Ф5mm，以保证蒸汽施放的均衡性。
（2）养护棚的规格
用钢管制作养护支撑骨架，上覆防水帆布，分节段拼装，以形成足够容积的蒸汽养护棚。
（3）恒温控制
采用60℃蒸汽恒温养生，经多次试验，采用LSH1-0.7-A型锅炉，在供汽压力控制0.6-0.7MPa的情况下，可同时蒸汽养生2片梁板。当然，对于供气压力、供气空间的大小与恒温高低之间的关系，在不同的施工地点，不同气候条件下，要经过多次试验总结的出，不能照搬照套。
（4）湿度的保证
蒸汽养生过程中的湿度基本能够保证，重点是蒸汽养生结束后的湿度保证，否则影响混凝土后期强度的发展，因此，梁体保湿措施也是我们研究的重要一部分。
3.3采用蒸汽养生实测及试验数据分析
通过制取12×7组混凝土同条件养生标准试件，分别在混凝土浇筑结束后以不同时间放入蒸汽养生棚随梁体进行同条件养护，然后对各组进行3d、7d、10d、14d、28d、56d、128d龄期的强度试验，经数据整理，其结果如下图：
图2.不同蒸汽养生开始时间混凝土同养试件强度增长图
3.3.1试验数据分析
（1）混凝土浇筑完成后蒸汽养生开始时间的早晚对相同蒸汽养生时间试件3d强度影响差异很大。从图2可以看出，在混凝土浇筑完成后1h内对其进行蒸汽养生，强度增长很明显，特别是其增长趋势程稳定上升，不同龄期强度均处于强度发展最佳状态，而时间越往后推移进行蒸汽养生，其不同龄期试件强度增长趋势很不明显，特别是3h后蒸养的同条件试件7d强度无法满足梁板预应力张拉强度大于设计强度80%的要求，且28天强度满足均无法满足设计要求。因此，通过试验数据分析表明，混凝土最佳蒸汽养生时刻应该是混凝土浇筑完成后马上进行，以防止混凝土因抑制水化反应的进行。
（2）蒸汽养生开始时间控制在3h以内能加速混凝土早期强度的发展，而相对开始时间越滞后，尤其是晚于5h后无法满足早期强度的发展，同时对后期强度增长有负面影响。从2可以看出，5h后蒸养开始时间下同养试件28d强度普遍增长非常缓慢，12h后进行蒸汽养生的同养试件28d到128d的强度几乎停止发展，甚至还出现不足设计强度70%的情况。
3.3.2 分析理论依据及结论
通过查阅相关资料得知，特别是新疆戈壁地区自然天气高温差，减弱了水的化学活性，使水泥水化反应速度减慢，混凝土强度增长减缓，再加上部分水结冰体积膨胀9%，使得刚刚搭接的水泥石凝胶网络骨架失去胶凝特性，界面变得松散而丧失强度，从而对新形成的很薄弱的水泥晶粒结构会产生永久性伤害。所以，在新疆戈壁地区气候的环境下，特殊施工环境采取不同施工措施，采取混凝土浇筑完成后马上开始蒸汽养生，养生开始保持最佳效果时间在初期的1h-3h，超过这一时间蒸汽养生效果不大。
3.4包裹塑料薄膜喷灌养护和新型节水保湿养生膜喷灌养护的比对试验
在梁板模板拆除后，标准蒸汽养生条件下分别对包裹塑料薄膜养护和新型节水保湿养生膜养护两种种条件下混凝土梁板实体回弹强度及外观质量进行试验检测、评定，总结分析这三种保湿养护方式对混凝土实体的效果优劣。
表1 不同保湿养护混凝土强度和外观质量评定
3.4.1 试验数据分析
（1）通过上表1对比可看出：在标准蒸汽养护条件下，采用普通塑料薄膜包裹养护的混凝土各龄期的强度均低于标养混凝土，但是最终可以达到强度要求；采用新型节水保湿养生膜包裹养护的混凝土，其强度均高于标养混凝土和塑料膜包裹养护的混凝土。这说明新型节水保湿养生膜对混凝土强度发展有明显的促进作用，这是因为新型节水保湿养生膜既可以保持混凝土内部水化反应水分，又可以及时对混凝土进行湿度补给。
（2）在养护温度条件下，采用普通塑料薄膜包裹养护的同强度等级的混凝土各龄期的强度均低于标养混凝土的强度，说明蒸汽养生环境条件下保湿措施不到位对混凝土强度发展是不利的，在这种情况下，可以通过包裹养生膜的方式在一定程度上促进混凝土强度发展。其中，包裹新型节水保湿养生膜的养护混凝土，其强度高于包裹普通塑料薄膜养护的混凝土之上，特别是对早期强度发展特别有利。
（3）标准养护，包裹普通塑料薄膜养护的梁板，均有出现不同程度的裂缝，而采用包裹新型节水保湿养生膜的混凝土基本没有产生裂缝，这说明采用包裹新型节水保湿养生膜养护可以减少裂缝的出现，起到很好的防开裂作用。
3.4.2 分析理论依据及结论
戈壁地区气候干燥，空气湿度小，如不采取有效保湿措施将很难满足混凝土水化反应需水环境。采用蒸汽养生条件，蒸汽湿度一般为50-70%，无法满足混凝土最合适保湿养生条件，而新型节水保湿养生膜是以新型可控高分子吸收材料为主的复合膜。这种高分子吸收材料具有特种官能团，可根据水、油、酸、碱、盐有机溶剂等物质的不同特性，调整官能团形成三维网络结构，有针对性地吸收溶液，吸收量可达自重的几十至上千倍，即使受压也难以挤出溶液。该膜分为面膜和芯膜。面膜颜色为深色，芯膜为白色复合膜，膜内有专用于混凝土的新型可控高分子吸收材料，经反复应用实验，对水泥无任何不良化学反应，可通过日光和生物降解，最终产物为水和二氧化碳。通过实际应用，采用新型节水保湿养生膜对梁板进行保湿养护不仅可反复循环使用、经济性好和环保，而且保证了拆模后混凝土的强度和抗裂性。
3.5 使用保温材料养护和不使用保温材料养护的对比试验分析
在预制梁板蒸汽养护过程中，对混凝土内部和表面温度实时监测，数理分析混凝土内部与混凝土表面温差变化情况，通过采取未加保温材料养护、加保温材料养护两种养护方法进行试验比较，得温度曲线图如下：
3.5.1 试验数据分析
从上图3可看出，梁板温度从浇注混凝土入模到30h这段时间温度程急剧上升趋势，从30h后温度回落，到120h时表面及内部温度分别降到53.4℃及80.7℃，从120h到180h之间，温度降低速度相对较缓，从180h后温度速度缓慢，直到停止蒸汽养生与外界温度相同为止。在浇筑30h后达到最高温度，而此时内部温度与表面温度之差为27.3℃；在内部温度最大时，并不是内部温度与表面温度温差最大的时候，浇筑100h后，内部温度与表面温度温差达到最大值28.4℃，该值已超出规范要求的最大温差值20℃，说明温差最大的时候不是温度升到最高的时刻，而是相对滞后，这主要是因为在升温时，温差较小，而在降温时，内部降温速度慢，而表面降温速度快，致使内外温差大。通过温度梯度分析可知，在戈壁地区特殊气候条件下，梁板需要采取养护保温措施，以避免梁板温度应力过大而产生裂缝。
图3.未加保温材料时温度变化曲线
图4.加保温材料时温度变化曲线
从上图4可看出，梁板温度从浇注混凝土入模到30h这段时间温度程急剧上升趋势，从30h后温度回落，到140h时表面及内部温度分别降到51.9℃及70.8℃，从140h后温度降低速度缓慢。从图2看出表面温度与中心温度变化趋势相似。在浇筑30h后表面温度达到最高温度62.9℃，内部温度达到最高温度80.9℃，在浇筑80h后，内部温度与表面温度温差达到最大值19.1℃。通过在梁板四周覆盖土工布、棉被等保温材料，可以大大降低梁板温度梯度，通过选择一定厚度保温材料可以满足混凝土梁板内部到表面温差不超过20℃的规范要求。
3.5.2 分析理论依据及结论
由于混凝土热传导性能差，温度作用会使结构表面温度迅速变化，而结构的内部温度则变化很小，这就导致混凝土结构各部分处于不同温度状态，由此产生温度变形。当温度变形辈结构内、外约束阻碍时，会产生很大的温度应力，引起结构变形、开裂甚至破坏。由此可见，采用保温材料对混凝土结构进行温度调控，能有效避免混凝土结构内外温差大、温度梯度大等问题带来的不利影响，更好的保证混凝土强度在适宜的温度环境下平稳增长。
4结束语
戈壁地区浇筑的混凝土，如养护不当，会造成混凝土强度降低或结构表面出现裂缝等不良外观，因此必须加强混凝土的养护。在混凝土施工养护过程中，必须根据不同条件罗列出影响混凝土质量的因素，然后针对性采取相应措施，施工过程中还应对措施效果进行验证，如未达到预期目标，立即调整措施，使混凝土质量始终处于可控状态之下。此处重点说明戈壁地区预制梁场混凝土养护方法及措施：
（1）严格控制混凝土浇注时间及蒸汽养生开始时间。实践发现，蒸汽养生开始时间对混凝土强度增长有着极大的关系，因此必须在混凝土浇筑开始立即同步混凝土蒸汽养生工作，以保证浇筑完的混凝土温度、湿度。特别是在混凝土浇筑完成后，无需进行蒸汽静置，应马上开始对混凝土带模板保温养生程序。
（2）由于戈壁地区特殊的气候条件，在模板拆除阶段完成后就必须开始混凝土保温、保湿材料的覆盖。经过以上试验对比分析，总结出最有效且经济的方法是，采用蒸汽养生保温，同时在梁体顶板覆盖一层养护用的棉毡，尽量选择质量好、吸水性好的材料，可以重复使用，此层棉毡主要作用给梁板顶板保湿，养护用水通过棉毡散步在整个梁体顶板。梁体腹板使用双面胶带粘贴新型节水保湿养护膜保湿养护。
（3）经适当龄期保温保湿养生后，混凝土强度达设计预应力张拉要求，即可停止蒸汽养生。待混凝土张拉结束，需在梁体上继续包裹保温保湿材料，此时可以采用常用的覆盖洒水养护，注意保持覆盖物始终湿润即可。
参考文献：
[1] 吴中伟，廉慧珍，高性能混凝土，北京：中国铁道出版社，1999
[2] 冯杰，混凝土质量事故的分析与处理，山西建筑，2010，36（3）254-255
[3] 公路桥涵施工技术规范，JTG T F50-2011
[4] 回弹法检测混凝土抗压强度技术规程，JGJ/T 23-2001
作者简介：
徐洪斌，女，1996 年 4 月生，本科，助理工程师，15947914664
刘云鹏，男，1990 年 4 月生，本科，工程师，18891622665
韩世权，男，1986 年1月生，本科，工程师，18599109010
论文作者:李全欢,唱立军,贺文升,黎大艳
论文发表刊物:《基层建设》2019年第25期
论文发表时间:2019/12/17
标签：混凝土论文; 强度论文; 蒸汽论文; 温度论文; 温差论文; 戈壁论文; 包裹论文; 《基层建设》2019年第25期论文;