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严寒地区高性能混凝土的冬季施工技术研究

2014-10-30 09:28:30   来源:基础建设网   评论:0


                                                                    中铁十六局集团五公司  何 伟
摘 要: 随着改革开放进程的不断深化,我国的各项事业取得了突飞猛进的发展。其中,我国的高铁建筑业也在改革的春风的吹拂下,全国展开了高铁建设的高潮。高铁建筑工程的质量管理显得重要,因为质量管理得好,会直接影响到建筑的整体质量,那么最终,也就会影响到整个工程的经济效益。其特别是高铁在各种特殊的环境下,高铁建设的实体的质量尤其重要。本文论述了高铁建设在严寒地区如何保证混凝土实体质量,提出了进一步加强高铁混凝土实体在严寒地区施工管理的具体办法。
 关键词: 高铁建设   严寒地区   工程质量   混凝土
一、前言
   东北地区属于我国最严寒、环境恶劣条件之一的地区,根据国家十二· 五经济规划,在东北地区建设高铁,其地区属于中温带亚湿润~亚干旱大陆性季风气候区。冬季严寒干燥漫长,夏季多雨凉爽,春、秋季干旱多风。由于沿线最冷月平均气温均低于-15℃,属严寒地区。年平均气温4.1℃~4.7℃,极端最低温度-36.8℃~-39.3℃,年平均风速2.9~4.0m/s,最大定时风速21.7~24.7m/s,最大积雪厚度13~24cm,最大季节冻土深度189~272cm。高铁建筑在这特殊的环境下如何保证混凝土实体质量,是对施工极大地挑战,本文就高铁建筑在特殊的环境下如何保证混凝土实体质量,提出了进一步加强高铁混凝土实体在特殊环境下施工管理的具体办法。
二、主要研究内容及研究方法
1、主要研究内容:
严寒地区高性能混凝土的冬季施工技术研究、
2、研究方法
综合运用工程实例调查、前期试验分析、资深专家论证、现场监控量测,信息反馈,指导施工研究、技术成果整理等研究方法
3、组织实施方式
针对东北地区严寒的恶劣环境条件,地区属于中温带亚湿润~亚干旱大陆性季风气候区。冬季严寒干燥漫长,夏季多雨凉爽,春、秋季干旱多风。由于沿线最冷月平均气温均低于-15℃,属严寒地区。年平均气温4.1℃~4.7℃,极端最低温度-36.8℃~-39.3℃,年平均风速2.9~4.0m/s,最大定时风速21.7~24.7m/s,最大积雪厚度13~24cm,最大季节冻土深度189~272cm。针对在这如此严寒地区中施工,如何保证工程质量和调控好结构物混凝土的配合比,调制出高性能混凝土,使其混凝土在高寒地区的抗冻性、耐久性达到最佳,是本工程的重中之重。
三、主要实施技术
1基本技术要求
1.1进入冬季施工的评定标准
根据《铁路混凝土工程施工质量验收补充标准》6.1.17规定,当结构物所处环境的昼夜平均气温(最高和最低气温的平均值或当地时间6时、14时及21时室外气温的平均值)连续3d低于5℃或最低气温低于-3℃时,应按冬季施工处理。
冬季施工时间,我分部安排试验人员在每日6h、12h、21h,对温度进行监控,并及时做好记录工作。根据温度监控记录,确定严寒地区冬季混凝土施工具体开始时间。
1.2冬季施工的各项要求
总结《铁路混凝土工程施工质量验收补充标准》、《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》、混凝土拌和站的规范要求如下:
1.2.1 《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》7.0.5冬季搅拌混凝土时,混凝土出机温度不宜低于10℃。
1.2.2拌和设备安装在气温不低于10℃的地方。
1.2.3 《铁路混凝土工程施工技术指南》当需要对水进行加热处理时,水的加热温度不宜高于80℃。当骨料不加热时,水可加热至80℃以上,但搅拌时应先投入骨料和已加热的水,拌匀后再投入水泥。
1.2.4 当加热水尚不能满足要求时,可将骨料均匀加热,其加热温度不应高于60℃。
1.3冬季高性能混凝土施工对原材料的要求
水泥:选用水泥强度等级42.5级以上的硅酸盐水泥,其技术质量符合国家和铁路客运专线现行规范的有关规定。
细骨料:采用级配良好的硬质、洁净的中砂,不含有冰块、雪团,贮备场地选择地势较高,不积水的地方。
粗骨料:采用级配良好,硬质、洁净、强度较高、抗冻融的粗骨料,并存放在地势较高,不积水的地方。
外加剂:采用具有防冻效果的多功能复合外加剂,外加剂必须经试验室检验并试配验证质量合格、性能稳定的产品。
1.4 混凝土成型期间的规范要求
1.4.1《铁路混凝土工程施工质量验收补充标准》规定,混凝土的入模温度不低于5℃。
1.4.2新浇注与邻接的已硬化混凝土或岩土介质间的温差不大于15℃。
1.5 混凝土拆模、养护期间的规范要求
1.5.1 《铁路混凝土工程施工质量验收补充标准》规定,当环境温度低于5 ℃时禁止洒水。
1.5.2 《铁路混凝土工程施工质量验收补充标准》规定,混凝土内部最高温度不宜超过60℃,最高不得大于65℃。
1.5.3 《铁路混凝土工程施工质量验收补充标准》规定,混凝土养护期间,混凝土内部最高温度不宜超过60℃,混凝土内部温度与表面温度之差、表面温度与环境温度之差不宜大于20℃,养护用水温度与混凝土表面温度之差不大于15℃。
2、高性能混凝土拌和、运输温度控制措施
2.1 高性能混凝土拌合站原材料的保温、加热措施
2.1.1 安排试验室技术人员一名、拌和站管理人员一名,密切跟踪记录天气、温度,及时掌握气象变化情况。
2.1.2 按照冬季施工要求,我部在进行混凝土配合比设计时,考虑适当缩短混凝土的初凝时间,提高高性能混凝土的早期强度等因素。
2.1.3 粗细骨料的保温措施。拌和站粗细骨料大棚实行全部封闭,在料仓四周布设暖气片(图1),以提高料仓内整体温度,并备碘钨灯、电暖风,保证暖棚内细骨料在清洗筛选后,表面不结冰及形成冻块。根据热工计算,保证骨料在混凝土出机温度不低于10℃的情况下进行投放(详见骨料投放工艺流程图2)。
2.1.4 外加剂储存罐储存于彩钢房内并采用土工布、电热毯包裹一层,外面包裹塑料泡沫保温层的方式,保温为主,若温度低于-10℃,采用电热毯加温的形式,保证外加剂的正常使用。
2.1.5 水温加热。水温加热是保证混凝土的出机温度满足验标要求的重要保证,因此对拌和站水温加热及保温采用锅炉加热、保温。拌合站蒸汽锅炉已开始启用(图3)。

 
 

                        图2  骨料投放工艺流程图
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.2 混凝土搅拌
拌和楼使用电暖器等加温设备进行加热,最大限度避免热量散失。混凝土搅拌时应先投入骨料和已加热的水,搅拌均匀后再投入水泥。当加热水不能满足要求时,可将骨料均匀加热,以保证混凝土出机温度。搅拌混凝土前及停止搅拌后,用热水冲洗搅拌机鼓筒。
混凝土搅拌时间宜较常温施工延长50%左右,冬季混凝土的搅拌时间每盘不少于180s。
2.3 温度控制方案
为保证冬季施工期间混凝土出机温度高于10 ℃,由试验室安排专人对所有原材料进行温度实测,然后计算出拌和后混凝土的出机温度,若计算的出机温度高于10℃则可以拌和混凝土,若计算出的温度低于10℃则采取水加温,骨料加温等手段提高原材料温度,以满足温度要求。
2.3.1 收集各种材料的温度。
拌和前对水泥、砂、石子、水进行测温,并做好相关测温记录。
2.3.2 将所测温度,利用热工计算公式,自行计算出混凝土的拌和温度。
2.3.3 根据计算结果进行判定,若计算结果表明拌和后的混凝土温度符合要求,那么可立刻进行混凝土拌和,若计算结果表明拌和后的温度不能达到要求,通过水加温等手段提高各原材料温度,重新进入下一道工序(详见工艺流程图)。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   工艺流程图
2.4 混凝土输送过程保温
所有砼采用混凝土罐车运输至现场,将对所有砼运输车进行保温处理,用专用保温被进行包裹覆盖,运输时间不大于1小时,缩短混凝土运输时间,为确保混凝土的入模温度不低于5℃。
2.5 混凝土浇注
混凝土入模前,清除模板及钢筋上的积雪、杂污;测定混凝土的温度、坍落度、含气量、泌水率等工作,保证混凝土入模温度不低于5℃,并做好各项记录。
混凝土温度的测量:按要求布置测温孔并编号,按规定测量混凝土的入模温度,混凝土养护的初始温度,升温、恒温、降温过程中的混凝土的温度。根据养护测温记录,推算混凝土强度增长情况,决定同条件试块试压时间、混凝土拆模时间以及拆模后混凝土外表面的保温措施,拆模时混凝土表面温度和自然温度之差不超过15℃。
3、桩基冬季施工
3.1、桩基钢筋工程的冬季施工
A、从事钢筋焊接施工的施工人员必须持有焊工上岗证,才可上岗操作。钢筋焊接工序全部在棚内进行,温度保持在5°C以上。
B、负温下钢筋焊接施工,可采用闪光对焊,电弧焊(帮条,搭接,坡口焊)等焊接方法。
电弧焊接时必须防止产生过热,烧伤,咬肉和裂纹等缺陷,在构造上应防止在接头处产生偏心受力状态。为防止接头热影响区的温度突然增大,应采用分层控温施焊。帮条焊时帮条与主筋之间用四点定位焊固定。搭接焊时用两点固定,定点焊缝离帮条或搭接端部20mm以上。
C、钢筋焊接注意事项
由于大部分钢筋连接拟采用搭接焊方式,温度对焊接加工有很大影响,因此,钢筋的焊接在场地内采用暖棚内加工的方式,焊接时的环境气温不低于5℃。在钢筋加工场地四周用棚架密封,在棚内四周用碘钨灯或电暖堡加热保温。在7:00~18:00时段内加工,尽量避开夜晚低温时段。钢筋提前运入棚内,焊毕后的钢筋应待完全冷却后才能运往室外,钢筋采用电弧焊焊接时,应有防雪防风及保温措施,焊接后的接头,严禁立即碰到冰雪。现场钢筋的绑扎和焊接严格按照规范相关要求施工。低温施工时注意施工人员的保护。
3.2、桩基混凝土的冬季施工养护
桩头砼的保温:如设计桩头在地面2m以下,可直接超灌50cm-100cm,上面以泥浆保温即可。现场实际为桩头埋深均在2m以下,以泥土回填保温即可。
3.3、灌注桩冬季施工的技术措施
灌注桩混凝土的冬季施工,灌注桩混凝土冬季施工的要求如下:
A、施工机械的保温措施
钻机采用防冻油燃料,保障其在-30摄氏度的环境中能正常运转,油路系统换用防冻油,推土机、翻斗车等在车体外覆盖棉苫布并设暖库存车。
B、附属系统的保温
造浆用的粘土用大棚覆盖并在冰冻前入暖库,桩基钻孔施工时,对泥浆池采取覆盖保温(见图示),泥浆池用碳火炉升温控制泥浆温度在2摄氏度以上,并在使用前进行二次搅拌。

图示 泥浆池覆盖保温
C、混凝土到达现场后,及时灌注,避免长时间停放,减少温度损失。
D、导管在使用前,全部进行预热法预热。
E、灌注前,严格监测入模温度,灌注过程中,每间隔45分钟或埋深接近6米时活动导管,防止导管埋在混凝土中。
3.4、桩基冬季施工注意事项
桩基础的轴线引出的距离应适当增加,以免在打桩时受冻土硬壳层的影响。水准点的数量不应少于两个。确保平面坐标和纵向高程满足规范和设计要求。
4、承台冬季施工
4.1、承台钢筋工程的冬季施工
同桩基钢筋工程的冬季施工
    4.2、承台混凝土的冬季施工养护
4.2.1、一般承台混凝土的冬季施工养护
     A、当环境温度低于-10℃时,不得进行混凝土施工。
     B、接茬混凝土和钢筋应在正温条件下进行。
     C、模板和保温层,应在混凝土冷却到5℃后方可拆除。当混凝土与外界温差大于15℃时,拆模后的混凝土表面,应临时覆盖,使其缓慢冷却。
     D、未冷却的混凝土有较高的脆性,所以结构在冷却前不得遭受冲击荷载或动力荷载的作用。
     E、混凝土浇筑前,应清除模板和钢筋上,特别是新老混凝土(如桩基和承台)交接处的冰雪及垃圾。新、旧混凝土施工缝的清理工作应符合下列规定:当旧混凝土面和外露钢筋暴露在冷空气中时,应对距离新、旧混凝土施工缝1.5米范围内的旧混凝土和长度在1米范围内的外露钢筋进行防寒保温;当混凝土不需加热养护且在规定的养护期内不致冻结时,对于非冻胀性地基或旧混凝土面,可直接浇筑混凝土。
     F、分层浇筑混凝土时,分层厚度不得小于30cm,已浇筑层在未被上一层的混凝土覆盖前,不应低于计算规定的温度也不得低于2℃。
     G、现场应留设同条件养护的混凝土试块座位拆模依据。
     H、冬季浇筑的混凝土,由正温转入负温养护前,混凝土的抗压强度不应低于设计强度的40%,对于C10以下的混凝土不得小于5Mpa。
I、承台混凝土的养生一般采用蓄热法,与桩头砼基本一致。采用的保温材料(草袋,麻袋)应保持干燥,以免影响保温效果。拆模后立即回填,在顶面覆盖2m厚度土层蓄热保温。
     J、在模板外部保温时,除基础可随浇筑保温外,其他结构必须在设置保温材料后方可浇筑混凝土。钢模表面可先挂草帘,麻袋等保温材料并扎牢,然后再浇筑混凝土。
     K、保温材料不宜直接覆盖在刚浇筑完毕的混凝土层上,可先覆盖塑料薄膜,上部再覆草袋,麻袋等保温材料。保温材料的铺设厚度为:一般情况下0℃以上铺一层;0℃以下铺二层或三层;大体积混凝土浇筑及二次抹面压实后应立即覆盖保温。
4.2.2、承台混凝土的冬季施工养护
部分承台需要考虑下一步的墩身施工能采用蓄热法养护,需采用暖棚保温措施。
在浇注结束后的养护过程中,顶面混凝土初凝前,先覆盖一层塑料布以保持水分,再覆盖一层土工布进行保温;初凝收浆抹面后,在土工布上再覆盖两层麻袋片或草帘保温。
在承台的浇筑与养护过程中,对承台侧面的保温采用炉火加热的方式保温。在承台四周每隔5米放置一个蜂窝煤炉,在炉火上放一盆水,利用炉火保温,同时可利用散发的水蒸气对承台进行养生。具体形式见下图。
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
                                            

                              承台保温现场实际图示
 4.3、承台冬季施工注意事项
    A、冬季施工的测温规定
    ①蓄热法养生时,每6小时测一次。
    ②掺加防冻剂的混凝土,3.5Mpa以前,2小时测一次,以后6小时测一次。
    ③室外和工地环境每日3次。
    ④测温孔深不小于10cm,布置时应考虑薄弱部位。
    ⑤测温要专人负责,每日签认一次,通过测温监控养生工人,防止混凝土受冻。
    B、试件留置
    按规范及施工要求制作,管理,养护,送检混凝土试块。取样与试件留置应符合下列规定:
①每拌制100盘且不超过100m³的同配合比的混凝土,取样不得多于一次。
②每工作班拌制的同一配合比的混凝土不足100盘时,取样不得少于一次。
③当一次连续浇筑超过1000m³时,同一配合比的砼每200m³不得少于一次。
④对有抗渗要求的砼结构,其混凝土试件应在浇筑地点随机取样。同一工程,同一配合比的砼,取样不应少于一次,留置组数可根据实际需要确定。
⑤每次取样至少留置一组标准养护试件,同条件养护试件的留置组数应根据实际需要确定。
5、墩台身冬季施工
5.1混凝土浇筑成型后,高墩应采用保暖包裹法、矮墩采用暖棚法进行防寒保温。
5.2保暖包裹措施应在浇注混凝土前预先包裹,保暖包裹措施在模板外侧使用帆布+电热毯+双层棉被,以及其他保温材料构成,待混凝土浇注完成后顶部使用同样方法覆盖。暖棚应在浇注混凝土前预先搭设。暖棚由双层脚手架做骨架,外侧使用蓬布或草帘+彩条布以及其他保温材料构成,待混凝土浇注完成后顶部使用同样方法覆盖。在暖棚内用炭火增温。,棚内温度不得低于5℃。
5.3当混凝土抗压强度达到设计强度的30%,且高于5MPa后方可拆除模板,浸水冻融条件下混凝土强度不得小于设计强度的75%。
5.4安排专人对结构物进行温度测量,拆模时混凝土芯部与表面,表面与环境的温差不得大于15℃。当养护完毕后的环境温度仍在0℃以下时,应待混凝土冷却至5℃以下且混凝土与环境温之间的温差不大于15℃后,放可拆除模板。
5.5拆除模板时,应边拆除模板边内用塑料布外用棉被对拆除部分包裹,包裹时间自拆除模板时计不得小于21天。采用暖棚法时,混凝土模板拆除完毕后可拆除暖棚。
5.6冬期施工不得直接洒水养护,采用喷涂养护剂养护。
5.7模板拉杆孔道应在擦模后进行封堵,防止水进入产生冻胀。
5.8保温法布置见下图:

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

包裹法保暖示意图

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


墩身保温现场示意图
5.9养护控制要点
保温要尽可能使热量分布均匀,温度不得低于5℃,并设置专人检查棚内温度,测温点选择具有代表性位置进行布置,测温每昼夜不少于4次。
保温包裹和暖棚搭设一定要牢固、不透风,设置专门养护值班人员,每天按三班制轮班,值班人员负责煤炉加煤,并检查保温温度。
在保温温度冷却至基本与外界同等气温后进行拆模,当砼与外界气温相差大于15℃时,拆除模板后的砼表面应加以覆盖,使其缓慢冷却。模板拆除后,若砼强度未达到满足抗冻要求时继续采用保温包裹法、暖棚法对砼进行养护。
按规范要求,结构砼抗压强度达到设计强度的60%前不得受冻,现场依据结构砼同条件养护试件的抗压强度决定是否拆除保温材料等。
3 结论
3.1  严寒地区高性能混凝土生产施工,生产各环节必须按系数规范要求操作,才能确保高性能混凝土的质量。
3.2  对于严寒地区高性能混凝土,必须综合运用工程实例调查、试验分析、资深专家论证、现场监控量测,信息反馈,指导施工研究、技术成果整理等研究方法
 
 
 
 
 
 
 
 
参照文献:
《铁路混凝土工程施工质量验收补充标准》
《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》
《铁路混凝土工程施工技术指南》

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