摘要：新時(shí)期，加強(qiáng)我國(guó)水利工程建設(shè)至關(guān)重要。為確保水利工程在灌溉期前投入使用，滿足防汛條件，冬季施工就不可避免。在北方一些地區(qū)，水利工程冬季工期長(zhǎng)達(dá)半年，而混凝土施工受到氣候影響因素較大，因此必須予以重視。本研究結(jié)合混凝土施工的優(yōu)勢(shì)和缺陷，系統(tǒng)地研究了凍融循環(huán)發(fā)生的機(jī)理、危害，分析了水利工程冬季混凝土施工存在的問(wèn)題，提出了最新的施工技術(shù)方案。以期給水工程在冬季施工提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水利工程；冬季；混凝土；施工技術(shù)

近幾年來(lái)，我國(guó)極端天氣頻發(fā)，各類水旱災(zāi)害給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，人民生活和群眾生命財(cái)產(chǎn)都造成了巨大的損失，嚴(yán)重影響了人民的安居樂(lè)業(yè)。在此背景之下，加強(qiáng)水利工程建設(shè)就至關(guān)重要。受到極寒天氣影響，冬季混凝土施工進(jìn)度緩慢，技術(shù)復(fù)雜度高，受到凍融循環(huán)作用的影響大，在冬季高寒天氣中，施工質(zhì)量隱患具有滯后性[1]。這是由于冬季低溫會(huì)影響混凝土的水分狀態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低其水化作用，影響其強(qiáng)度提升[2]。加之硬化混凝土存在脆弱性，在冬季受到凍融作用的影響，引發(fā)潛在的嚴(yán)重收縮開(kāi)裂問(wèn)題，造成飽和水的混凝土的開(kāi)裂和表面剝落，降低結(jié)構(gòu)的抗拉安全性、耐久性和整體穩(wěn)定性[3]。因此，在冬季必須高度重視水利工程混凝土施工的工作，深入分析其原理，針對(duì)冬季施工存在的問(wèn)題，不斷優(yōu)化施工技術(shù)。

1 混凝土施工的優(yōu)勢(shì)和缺陷

1.1 混凝土施工的優(yōu)勢(shì)

（1）混凝土強(qiáng)度高，在硬化后和石頭一樣堅(jiān)硬、耐磨、耐久而且耐風(fēng)化，混凝土和其他材料相比，耐火性更強(qiáng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于普通鋼結(jié)構(gòu)。（2）混凝土可塑性強(qiáng)，凝固前是流塑體，可以根據(jù)水利工程的實(shí)際需求，澆制成不同規(guī)格的構(gòu)件和結(jié)構(gòu)物。（3）混凝土適用范圍廣，在熱帶、寒帶，夏季、冬季都可以施工。而且隨著品種的增加和技術(shù)的創(chuàng)新，其復(fù)合性更強(qiáng)，比如鋼筋混凝土、纖維混凝土、樹脂復(fù)合成聚合物混凝土，其物理學(xué)性能更卓越。（4）混凝土成本低，90%左右是砂和石骨料，開(kāi)采容易，方便就地取材，還可以充分利用廢渣、廢液制造膠凝材料、骨料和外加劑。（5）混凝土施工方便，一般不需要復(fù)雜設(shè)備，使用的多是工業(yè)副產(chǎn)品，運(yùn)輸、攪拌、振搞工藝設(shè)備和技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，降低了施工難度。（6）混凝土施工能耗較低，與鋼材、塑料相比，污染低，還能夠充分利用廢渣和廢料，實(shí)現(xiàn)資源的再生利用。

1.2 混凝土施工的缺陷

（1）混凝土是非均質(zhì)材料，盡管抗壓強(qiáng)度很高，但是，不抗沖擊、折和拉，這需要使用鋼筋或者其他復(fù)合型材料提升其均勻性。（2）混凝土施工工期較長(zhǎng)，需要在一定溫度條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，才能夠達(dá)到需要的硬化強(qiáng)度。在冬季施工過(guò)程中，必須進(jìn)行保溫和促凝，因此，工期又比平時(shí)更長(zhǎng)。（3）混凝土在硬化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生干縮，一旦超過(guò)極限收縮值，就會(huì)產(chǎn)生裂縫。因此，一般都需要采用膨脹水泥補(bǔ)償收縮，以提升其抗裂性能。（4）水利工程混凝土長(zhǎng)期承受巨大負(fù)荷，久而久之產(chǎn)生塑性變形，從而發(fā)生徐變現(xiàn)象，進(jìn)而造成應(yīng)力松弛，引起預(yù)應(yīng)力的損失。

（5）水泥作為混凝土施工的重要原料，水化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生水化熱，從而發(fā)生溫度應(yīng)力，當(dāng)超過(guò)一定范圍，就會(huì)產(chǎn)生裂縫。（6）普通混凝土的密度較大，可達(dá)

2 500 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)較高，這樣會(huì)增加負(fù)荷，降低其保溫性，因此需要外加保溫措施。

2 凍融循環(huán)發(fā)生的機(jī)理、危害

在冬季寒冷天氣，氣溫長(zhǎng)期在5℃以下，在冰點(diǎn)以下水分就會(huì)凍結(jié)成冰，當(dāng)溫度提升就會(huì)溶解，長(zhǎng)期反復(fù)這種作用下，就會(huì)產(chǎn)生混凝土凍害，破壞其組織結(jié)構(gòu)[4]。由于混凝土的導(dǎo)熱效率較高，孔隙水中可溶鹽的濃度增加，毛細(xì)管內(nèi)冰體表面張力加強(qiáng)，讓凍體從大孔隙向小孔隙擴(kuò)散，導(dǎo)致冰體形成和膨脹。膨脹壓由兩種因素引發(fā)，一是水結(jié)冰導(dǎo)致體積增大9%，二是在水分?jǐn)U散過(guò)程中，產(chǎn)生滲透壓，造成冰晶分層的破壞現(xiàn)象。在長(zhǎng)期反復(fù)作用下，水分向易結(jié)冰區(qū)遷移，冰壓力讓裂隙不斷擴(kuò)大?？傮w來(lái)說(shuō)，大粗骨料更容易發(fā)生凍害，凍融與荷載通過(guò)疊加，會(huì)加劇凍害[5]。在凍融作用下，混凝土?xí)a(chǎn)生如下凍害：（1）裂縫：一般源自水分凍結(jié)膨脹，常存于混凝土接縫或構(gòu)造裂縫中。（2）侵蝕脫皮：在完全水化階段從空隙開(kāi)始，一般在2 nm到10μm左右，要解決這一問(wèn)題，需要降低水灰比，增加養(yǎng)護(hù)天數(shù)。（3）粗骨料露出：在水利工程中，由于水泥和粗骨料的界面剝離，產(chǎn)生凍結(jié)作用而膨脹。（4）崩出：一般也是由水分凍結(jié)導(dǎo)致的多孔質(zhì)骨料膨脹，因膨脹壓力擠壓骨料而產(chǎn)生。外側(cè)此外，混凝土本身也具有抗凍融性，其抗凍性好，受到凍融作用的影響就越小。

3 冬季混凝土施工存在的問(wèn)題

水利工程混凝土施工本身要求更高，要更多地考慮將來(lái)投入使用的質(zhì)量，以及受到水侵蝕等影響[6]。由于溫度較低，在施工過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致砂石結(jié)冰等現(xiàn)象，參與水泥水化作用的水就會(huì)相應(yīng)減少，強(qiáng)度增長(zhǎng)相應(yīng)減緩。如果溫度持續(xù)降低，那么水化作用就會(huì)完全停止，混凝土的強(qiáng)度就不再增長(zhǎng)[7]。水凝固的過(guò)程會(huì)導(dǎo)致體積增大9%，產(chǎn)生巨大的膨脹壓力，給施工帶來(lái)困難。此外，極度低溫也會(huì)導(dǎo)致外加劑凝固、骨料和鋼筋表面上產(chǎn)生冰凌、混凝土內(nèi)部形成各種空隙、攪拌機(jī)機(jī)口溫度過(guò)低、混凝土密實(shí)性低以及攪拌機(jī)無(wú)法正常工作等問(wèn)題。此外，大型混凝土構(gòu)件在冬季施工較為困難，主要是因?yàn)閮?nèi)外溫差較大，溫度越低，外部降溫越快，內(nèi)外溫差越大，這樣在內(nèi)部積累大量水分，就容易產(chǎn)生裂縫[8]。由于溫度越高，水化越快，在冬季混凝土施工中，硬化過(guò)程大大減緩，強(qiáng)度和質(zhì)量都會(huì)降低。在外界溫度降低時(shí)，水和礦物質(zhì)分離，產(chǎn)生廢水，對(duì)混凝土的性能造成不利影響，在加載點(diǎn)和壓縮點(diǎn)增加大量裂縫。在水利工程冬季施工中，既受到溫度的影響，又受到工期的限制，因此，工程質(zhì)量就面臨較大的壓力。在頻繁的凍融狀態(tài)下，水的形態(tài)反復(fù)變化，因此，對(duì)強(qiáng)度影響很大。另外，在冬季施工還要考慮混凝土鋼筋銹蝕，結(jié)晶腐蝕以及表面起灰等問(wèn)題。比如，在農(nóng)業(yè)節(jié)水工程中，混凝土表面經(jīng)常出現(xiàn)霜層，這就是典型凍害損傷問(wèn)題[9]。

4 混凝土冬季施工的技術(shù)優(yōu)化

4.1 引氣技術(shù)的應(yīng)用

4.1.1 引氣的原理和要求

引氣技術(shù)的原理是利用眾多的微小氣泡消除膨脹壓力，讓水分套利到充氣孔中，避免破壞現(xiàn)象產(chǎn)生。氣泡膜壁也能消耗水分，由于氣泡直徑小、分布均勻，能夠提高混凝土的抗?jié)B性，減少內(nèi)部水量，降低凍脹程度。在水利工程中，由于水分侵蝕量較大，如果能夠提高抗?jié)B性，就能夠有效控制侵蝕水的滲入。在反復(fù)凍融條件下，水分存在于氣孔中，即使在融化之后也不會(huì)產(chǎn)生凍害。具體技術(shù)優(yōu)化措施為通過(guò)外加劑引入空氣，形成近似球形、直徑50μm的氣泡，從而截?cái)嗨魍ǖ?，降低混凝土的滲透性。在引氣過(guò)程中應(yīng)該注意，要確保毛細(xì)孔體積的最小化，保證水灰比足夠小，氣泡盡量小，更好地抵御凍害。將混凝土和薄板的水灰比控制在0.5和0.45以下，確保其強(qiáng)度超過(guò)24 MPa。為確保引入氣泡起作用，氣孔間距應(yīng)該控制在200μm和250μm左右，從而限定逸出水流的最遠(yuǎn)距離。

4.1.2 引氣劑的使用

使用先進(jìn)的引氣劑進(jìn)行處理，比如復(fù)合減水劑或引氣減水劑，使之快速生成細(xì)小、穩(wěn)定的氣泡，在聚合與排斥的過(guò)程中，形成一層薄膜。為提升其性能，應(yīng)該摻用其他外加劑，并且不能與引氣劑直接接觸。一般來(lái)說(shuō)，引氣劑的摻量和氣泡量成正比，因此，還需要控制最大摻量。使用前，水泥應(yīng)完全分散、攪拌均勻。摻入引氣劑，能夠提高混凝土的強(qiáng)度，改善其工作性能，提高了其抗侵蝕性。

4.1.3 施工要點(diǎn)

必須采用機(jī)械攪拌方式，控制攪拌時(shí)間，以確保引氣量；控制混凝土溫度，以增大引氣量；適當(dāng)增加坍落度，以提升引氣量；提高砂率，確保砂的細(xì)度，提高引氣量；充分溶解后，再進(jìn)行配置，對(duì)絮凝進(jìn)行加熱溶解；在冬季環(huán)境下，要有規(guī)律地測(cè)試含氣量；保持振搗均勻，適當(dāng)降低頻率，確保試驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)一致；加入微量穩(wěn)泡劑，比如蛋白質(zhì)、明膠；根據(jù)不同品種確定摻和量，比如松香熱聚物和皂角粉分別控制在0.003%～0.02%和0.005%～0.02%。

4.2 施工前期準(zhǔn)備

4.2.1 原材料選擇

考慮到冬季極寒的特殊環(huán)境，混凝土施工必須選擇耐寒的材料，比如，強(qiáng)硅酸鹽成分的水泥。為保證快速硬化，可以采用快速?gòu)?qiáng)化型水泥，同時(shí)，搭配速凝劑提高效果。骨料要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格選擇，而且進(jìn)行預(yù)處理，具有一定的保溫性。粗骨料在5～40 mm，含泥率低于1%，細(xì)骨料在0.35～0.5 mm。在50～60℃的室外溫度下進(jìn)行攪拌。其水灰比應(yīng)該在0.6以下，甚至可以達(dá)到0.5，這樣才有利于后期施工。為了提升原料的質(zhì)量，需要對(duì)原材料進(jìn)行加熱，比如，采用水加熱方法，以確保水加熱效果達(dá)到10℃以上。水利工程中有大量的大體積混凝土施工，對(duì)于這一部分的施工應(yīng)該考慮使用中熱型水泥以及混合水泥。在鋼筋混凝土工程中應(yīng)該避免氯化物的使用，比如，無(wú)氯化物、無(wú)堿性防凍劑。一般可使用硝酸化合物，可通過(guò)加大劑量提高強(qiáng)度。針對(duì)外加劑容易凍結(jié)的狀況，可以采用加熱基材或模板，或者選擇防凍防水合金粉等。采用水灰比較低的富拌和物，控制早期溫度。對(duì)骨料的加熱需要通過(guò)管道蒸汽，避免造成含水量的變化，溫度控制在52℃以內(nèi)。冬季施工尤其需要注意的是骨料中不能含冰，這樣不但會(huì)改變水分含量，而且加熱溫度大量提升也會(huì)影響混凝土性能。

4.2.2 混凝土生產(chǎn)和澆筑

提前計(jì)算混凝土的生產(chǎn)溫度，同時(shí)，減少運(yùn)輸次數(shù)，充分考慮運(yùn)輸過(guò)程中的熱損失。先加熱熱容量大的水，然后對(duì)骨料進(jìn)行蒸汽管道加熱，確保受熱均勻，不發(fā)生含水率發(fā)生局部變化。在攪拌骨料后，再加入水泥，避免水泥過(guò)早受熱而馬上凝固，因此，需要溫度降低40℃以下再加入。混凝土澆筑必須在凍結(jié)溫度之上，而且，在作業(yè)之前需要將模板和鋼筋上的冰雪及時(shí)清除，同樣采用蒸汽清除的方式，確保這些地方不凍結(jié)?？刹捎眉訜岚暹M(jìn)行澆筑，避免溫度下降過(guò)快。通常應(yīng)該采用施工棚等確保澆筑后的混凝土不能過(guò)久暴露在寒冷空氣中。針對(duì)混凝土泵會(huì)凍結(jié)等問(wèn)題，要對(duì)輸送管道以及各類設(shè)備進(jìn)行加熱。

4.3 混凝土養(yǎng)護(hù)

根據(jù)溫度量計(jì)算養(yǎng)護(hù)天數(shù)，在極寒天氣下，應(yīng)該將溫度控制在10℃以上，在養(yǎng)護(hù)2 d以后，將溫度控制在0℃以上。冬季施工最重要的是進(jìn)行溫度管理，準(zhǔn)確記錄生產(chǎn)全過(guò)程中的溫度，一旦發(fā)生溫度異常，要及時(shí)采用有效措施進(jìn)行處理。隨時(shí)使用溫度測(cè)試裝置進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試，實(shí)時(shí)記錄積累溫度數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)計(jì)算養(yǎng)護(hù)停止等時(shí)間。如果實(shí)際氣溫較低，那么就要相應(yīng)增加養(yǎng)護(hù)時(shí)間。在現(xiàn)場(chǎng)多設(shè)供試體，對(duì)溫度和強(qiáng)度等指標(biāo)進(jìn)行多重測(cè)試。一般可使用隔熱材料覆蓋進(jìn)行保溫，在15℃以下，需要使用防凍劑。配合蓄熱法進(jìn)行保溫，根據(jù)實(shí)際不同狀況采用燒水鍋爐、蒸汽或電極加熱。冬季氣溫特低的情況下，可采用供熱養(yǎng)護(hù)方法，比如通過(guò)室內(nèi)、篷罩、隧道、立窯等方法進(jìn)行保護(hù)[10]。對(duì)蒸養(yǎng)制度進(jìn)行優(yōu)化，調(diào)節(jié)預(yù)養(yǎng)期，這非常有利于后期混凝土性能的提高。在升溫期對(duì)升溫速度進(jìn)行控制，比如預(yù)養(yǎng)時(shí)間長(zhǎng)，強(qiáng)度較高，那么應(yīng)該慢升溫、短熱養(yǎng)。在恒溫期將溫度控制在75～95℃左右。降溫期要從各方面均衡降溫，避免產(chǎn)生較大收縮。

4.4 質(zhì)量控制

水利工程作為大型工程，必須做好質(zhì)量計(jì)劃與控制，認(rèn)真進(jìn)行圖樣會(huì)審和技術(shù)交底，實(shí)施“4M1E”的控制。同時(shí)優(yōu)化施工現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量保證體系，嚴(yán)格各項(xiàng)工序，按照混凝土工程質(zhì)量管理卡進(jìn)行施工。利用現(xiàn)場(chǎng)智能化和信息化設(shè)備，做好巡回施工檢查。并且及時(shí)對(duì)成品進(jìn)行保護(hù)、包裹、覆蓋、局部封閉，防止污染和損壞。

5 結(jié)語(yǔ)

為確保水利工程主體結(jié)構(gòu)安全，在冬季應(yīng)該采用低溫混凝土施工方案，避免在反復(fù)凍融條件下造成裂縫、侵蝕脫皮、崩出等損害。因此在施工過(guò)程中，因此采用引氣等技術(shù)防止凍害，合理配比原材料，做好保溫等措施進(jìn)行澆筑和養(yǎng)護(hù)，并且嚴(yán)格進(jìn)行質(zhì)量控制，以確保水利工程混凝土的工作性能。

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