CN108675711A - 高寒冻融交替环境下的预拌混凝土施工方法 - Google Patents

Abstract

一种高寒冻融交替环境下的预拌混凝土施工方法，步骤如下：（1）、按照下述重量份投料：碎石1015～1100、砂730～770、水泥330～365、粉煤灰82～92、减水剂4.1～4.6与水123～152；（2）、将物料入混合搅拌机，在600～900转/分的搅拌速度下混合搅拌1～2分钟至均匀；而后按照现有技术浇筑流程，将混凝土浆料泵输送至浇筑目标、浇筑、振捣、保温、拆模与覆盖。本发明不使用防冻剂，减少混凝土钢筋产生锈蚀；通过降低水灰比，控制混凝土的水胶比，减少拌和用水量，减少混凝土内部空隙，降低混凝土含水量，提高早期强度的方法，达到混凝土防冻融破坏的目的。节约了工程成本，确保了施工安全、工程进度与质量。

Description

高寒冻融交替环境下的预拌混凝土施工方法

技术领域

本发明属于预拌混凝土施工技术领域，具体的说是提供一种高寒冻融交替环境下的预拌混凝土施工方法，适用于高原高寒和昼夜反复冻融交替环境下的预拌混凝土施工。

背景技术

青藏高原地区平均海拔4000m，由于大气透明度高，年阳光辐射值高达5850～7950MJ/m²，风沙大，空气湿度低，紫外线强，从而导致该地区常常出现昼夜温度正、负交替等极端气象，给这一地区的建设工程，尤其是混凝土施工带来很大的困难。

青海玉树州结古镇地处青藏高原东部，位于玉树藏族自治州最东部，境内平均海拔4493.4米，地形以山地高原为主；属于典型的高原高寒气候，全年无四季之分，年最低气温-29.2℃，最高气温28℃，从收集到的气象资料看，项目所在地玉树州结古镇除了每年7、8两个月偶有例外，其余月份均会出现夜间结冰现象，昼夜温差常常在-5℃～+5℃之间，常年伴有大雪、早霜、干旱、冰雹等复杂、恶劣的天气，年平均蒸发量大。

目前工程施工一般都在每年5月～8月期间，从而导致工程建设周期长，建造费用居高不下，给这一地区大规模的建设和发展形成严重制约。或者，对于工期时限有要求，必须在4月～9月期间进行施工的建设项目，普遍采用在混凝土中加入防冻剂和引气剂来防止混凝土冻融破坏。这样一来，由于防冻剂的化学作用，一方面和混凝土耐久性受到影响，另一方面与混凝土联合作用的钢筋受到防冻剂的化学腐蚀，产生锈蚀，混凝土和工程结构的使用寿命大打折扣，给国家和地区带来经济损失。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种提高混凝土拌合物和易性、均质性和工作性，提升混凝土产品的质量品质的高寒冻融交替环境下的预拌混凝土施工方法。该方法适合高原地区正、负温度交替环境下耐久性混凝土的施工，确保施工质量。

本发明解决上述技术问题所采取的技术方案是：一种高寒冻融交替环境下的预拌混凝土施工方法，步骤如下：

（1）、按照下述重量份投料：碎石1015～1100、砂730～770、水泥330～365、粉煤灰82～92、减水剂4.1～4.6与水123～152；

（2）、将步骤（1）物料入混合搅拌机，在600～900 转/分的搅拌速度下搅拌1～2分钟至均匀；而后按照现有技术浇筑流程，将混凝土浆料泵输送至浇筑目标、浇筑、振捣、保温、拆模与覆盖。

混合搅拌前，结合环境温度，需要采取防冻方法，具体为：

（1）、为混凝土搅拌机和工程结构物搭设保温棚，进行保温，保证棚内温度不低于0.0℃。当气温连续三天低于-15℃时，应停止施工。

（2）、碎石与砂即粗细骨料中不得含有冰雪、冻块；如果有应对骨料地仓进行不少于72小时加热。

（3）、混凝土的原材料须在拌和前对其加热，优先对水进行加热；当气温较低且加热水无法满足温度要求时，应对骨料仓进行保温加热。

施工时，要保证如果混凝土的出机温度不低于13～15℃，如果低于13℃，则应按如下措施对原材料进行保温和预热：

（1）水泥、粉煤灰和粉状外加剂不宜直接加热，但采取有效保温措施，保证在正温条件下使用；

（2）拌和用水应采用锅炉进行加热，加热温度宜控制在30～70℃；

（3）砂、石材料应采用地仓进行预热，加热温度宜控制在5～20℃；

混凝土出机温度不应低于13～15℃；混凝土的出机温度T_c和原材料的温度关系可按下式进行计算：

T_c= ΣT_iW_c/ΣW_c

式中：T_c-混凝土拌合物的出机温度（℃）；T_i-混凝土原材料各自温度（℃）；

W_i-混凝土原材料的单方用量（kg）；W_c-混凝土原材料的热当量（kJ/℃），计算时混凝土原材料的比热c（kJ/kg·K)，水泥、砂、石、掺合料取0.84，水和液体减水剂取4.2。

混凝土产生冻融破坏是由三个主要原因所导致：(1)混凝土中存在着许多孔隙；(2)在一定的环境下,这些孔隙充满了水；(3)在寒冷条件下,孔隙中的水不断地冻融变化对孔壁产生不断变化的内压力，当内压力超过混凝土的抗拉强度时就会产生冻融破坏(水结冰后其体积膨胀约9%左右)，以上的三个条件缺少一个,混凝土都不会发生冻融破坏。

本发明针对现有混凝土防冻技术对混凝土耐久性影响的现实情况，通过减少混凝土内部空隙，降低混凝土含水量，提高早期强度的方法，达到混凝土防冻融破坏的目的。本发明节约了工程成本，确保了施工安全、工程进度与质量。

耐久性混凝土配合比的设计原则是在满足工程设计和施工所要求的强度、和易性、抗裂性、抗冻性、抗渗性及容重等条件下，确保混凝土在短期内具备足够的抗冻临界强度，保证混凝土的耐久性。本发明主要从混凝土产生冻融破坏的原因入手，合理地设计出混凝土各种组成材料用量，防止混凝土冻融破坏。其一，使用混凝土高效减水剂，减少混凝土的用水量；其二，控制混凝土的水胶比，进一步减少拌和用水量；其三，利用粉煤灰填充混凝土中的部分孔洞，同时利用粉煤灰中富含的SiO₂的二次反应形成网状胶结物填充混凝土中的部分孔洞，也提高混凝土的强度、抗冻性和耐久性。

水胶比的大小是影响混凝土密实性的主要因素，为保证混凝土的早期强度和耐久性，必须严格控制水灰比。单位用水量是影响混凝土抗冻性能、控制混凝土拌和物流动性的主要因素。通过使用高效减水剂，满足混凝土拌和物的流动性的要求，降低用水量，确保混凝土的抗冻性能。

本发明原料中掺加了活性粉煤灰，其主要活性成分为二氧化硅，通过它的二次反应减少了混凝土的孔隙率，从而提高了混凝土的密实度；通过加入高效减水剂减少混凝土用水量提高混凝土耐久性方法；提高混凝土的早期强度，解决了正、负交替条件下混凝土的冻融破坏，延长了工程构筑物的使用寿命。它们的作用机理为：

混凝土中的水泥在水化过程中，产生了大量的可溶于水的软弱的Ca（OH）₂夹杂在混凝土中，它们呈网状分布，形成孔隙和渗透通道，这是混凝土抗冻性、强度、抗渗、耐久性和其他性能受到限制的主要原因。

粉煤灰对混凝土的影响机理在于火山灰效应和颗粒填充效应：一方面，粉煤灰中的无定形SiO₂与水泥水化生成的Ca（OH）₂ 化合，使水泥石组分C-S-H水化物剧烈增长。同时，因SiO₂颗粒很快吸收水泥水化产物Ca（OH）₂并与之发生二次反应，使水泥颗粒周围的Ca²⁺离子饱和浓度状态发生变化，水泥颗粒的新鲜表面重新暴露出来继续水化，加快了水泥水化进程，形成大量的致密的C-S-H水化物网状结构，它们填塞了混凝土中的空洞，提高了混凝土强度；另一方面，由于粉煤灰颗粒极细，大量的粉煤灰颗粒及其水化产物起填充作用，改善了水泥石的微观结构，从而改善了混凝土的抗冻性和耐久性。

在普通混凝土中，由于拌合用水量比水泥水化所需的水量大得多，一般情况下，水泥水化所需的用水量约为水泥重量的20%左右，而施工时的拌合用水量为50%左右，甚至更多。在混凝土凝固后多余的水在混凝土以及水泥石和集料的界面区域形成各种大量孔径的空隙，以及因混合料泌水和混凝土失水收缩引起的微管和微裂，这些缺陷是导致混凝土抗冻性、强度、抗渗、耐久性和其他性能低劣的根本原因。本发明尽可能减少和消除这些缺陷，改善混凝土的结构，其基本的措施是掺加高效减水剂，降低混凝土的水胶比。

砂率的大小，也会降低拌和物的流动性，并严重影响混凝土拌和物的粘聚性、保水性和可泵性。故要通过试验取合理砂率，即最佳砂率。

具体实施方式

下述三个实施例均为工程实例，项目名称为玉树州博物馆工程，工程总占地面积1.6万m²，建筑物总长180m，宽60m，建筑面积11500.3m²。

在建设施工玉树州博物馆的过程中，由于项目地处高海拔高寒地区，自然条件恶劣，气温低，昼夜温差大，常年伴有大雪、早霜、干旱、冰雹等复杂气候情况，寒季混凝土施工量大，给混凝土构件施工和混凝土本身的耐久性带来了极大的挑战，尤其是工程造型是曲面结构，因其混凝土结构薄，更加大了难度，容易产生冻融破坏。针对出现的技术问题，我们进行了高原高海拔地区混凝土施工关键的攻关，提出了正负温度交替环境下无防冻剂混凝土施工方法，解决长期困扰了高原地区混凝土施工的关键技术难题，圆满的完成了青海玉树自治州博物馆这个具有民族特色的大型公共建筑这个青藏高原的标志性建筑。

下述实施例通过的高原高寒地区泵送C30、C35和C40混凝土，完全满足混凝土结构设计要求的强度等级，满足施工所要求的混凝土拌和物和易性，满足混凝土的耐久性(抗冻等级、抗渗等级等)。在满足各项技术性能的前提下，使各组成材料经济合理，保证了玉树地震灾后重建项目的质量和工期，受到青海省、玉树州政府和用户的高度好评，目前该项目获得青海省建筑工程"江河源"杯奖。

实施例1，C40混凝土；按照下述重量份投料：碎石10170公斤、砂7690公斤、水泥3640公斤、粉煤灰910公斤、减水剂46公斤与水1450公斤；将步骤上述物料入混合搅拌机，在900 转/分的搅拌速度下搅拌1分钟至均匀；而后按照现有技术浇筑流程，将混凝土浆料泵输送至浇筑目标、浇筑、振捣、保温、拆模与覆盖。

一、原材料的技术要求分别是：

1、水泥 严寒地区的反复冻融条件下露天施工的混凝土，寒冷地区处在水位升降范围内的混凝土，为了保证混凝土有充分的早期强度，应优先选用硅酸盐水泥、普通水泥。根据供应条件和其他因素，水泥选用祁连山水泥有限公司生产的PO.42.5水泥，按GB175检测的水泥物理性能见表1。

2、粉煤灰 粉煤灰采用兰州西固热电厂出厂，规格种类为F类Ⅱ级。细度19%，需水量比99%，其主要化学成分见表2。

3、粗、细骨料 骨料在混凝土中起骨架作用，粗、细骨料是混凝土为主要组成材料，石子在混凝土中堆聚成紧密的架构，细骨料与水泥、混合成砂浆，填充架构的空隙。砂的粗细程度及颗粒级配的好坏，对混凝土的技术性能有很大影响。当砂的用量相同如果过粗、则拌出的混凝土粘聚性较差，容易产生离析，泌水现象；如果过细，则它的总表面积较大，需要包围在砂子表面的水泥浆较多，所以拌制的混凝土所用的砂子既不要过粗也不要过细。在配制泵送混凝土时宜优先选用中砂或中粗砂。

砂的含泥量(即粒径小于0.080mm的尘屑、淤泥和粘土的总含量)，对混凝土质量有很大影响，这些极细粒的泥屑在骨料表面形成包裹层，妨碍骨料与水泥的粘结；或者以松散的颗粒出现，大大地增加了表面积，因而增加了需水量；特别是粘土颗粒，体积不稳定，干燥时收缩，潮湿时膨胀，对混凝土有很大的破坏作用。总之，含泥量过多，混凝土容易产生塑性干缩裂缝，降低混凝土温度，增加浮浆量，降低混凝土的耐磨性。对于有抗冻其它特殊要求的混凝土用砂，其含泥量不应大于3.0%。

泥块含量指的是砂中粒径大于1.25mm，经手捏后变成小于0.630mm颗粒的含量，对混凝土质量有较大影响的泥和粘土的总含量，对有抗冻、抗渗或其它特殊要求的混凝土，其所用碎石或卵石的含泥量不应大于1.0%。

如含泥量基本上是非粘土质的石粉时，含泥量也不得超过 3.0%。

粗、细集料均由中铁二十一局集团第二工程公司玉树砂石厂生产供应。试验结果为：作为细骨料的砂为II类中砂，细度模数2.8，含泥量2.7%，堆积密度1544，表观密度2691，孔隙率42.6%；

作为粗骨料的碎石，粒级9.5～31.5mm，含泥量0.2%，堆积密度1544，表观密度2677，孔隙率42.4%。

4、减水剂 在保证混凝土中水泥充分水化的前提下，尽量降低混凝土中的含水量，一般情况下，水泥充分水化的需水量约为水泥重量的20%，为了减少混凝土中多余的液相，避免遭受冻融破坏，需要参加混凝土减水剂。根据试验，项目选用的高效减水剂为山西黄腾化工有限公司生产的HT-HPC聚羧酸系减水剂。

5、拌和用水：拌合水采用生活用井水。

二、施工方法现场管理

施工前应对选用的原材料进行检验，符合标准及本方法要求后方可使用。

施工前，应对粗、细骨料的含水率进行检验，并在理论配合比的基础上，对拌和用水量进行折减。须对项目所在地的气候气象资料进行收集分析，对即将发生的气温变化要有应对措施和预案。

当气温低于-10℃时，要对粗细骨料地仓采取保暖加热措施，为施工的混凝土搅拌机和工程结构物搭设保温棚，进行保温，保证棚内温度不低于0.0℃。当气温连续三天低于-15℃时，应停止施工。

施工时注意骨料中不得含有冰雪、冻块；如果有应对骨料地仓进行不少于72小时加热。

混凝土的原材料须在拌和前对其加热，优先对水进行加热。当气温较低且加热水无法满足温度要求时，应对骨料仓进行保温加热。

施工时，如果混凝土的出机温度低于13～15℃℃时，应按如下措施对原材料进行保温和预热：

1、水泥、粉煤灰和粉状外加剂不宜直接加热，但采取有效保温措施，保证在正温条件下使用；

2、拌和用水应采用锅炉进行加热，加热温度宜控制在30～70℃；

3、砂、石材料应采用地仓进行预热，加热温度宜控制在5～20℃；

4、混凝土的出机温度T_c和原材料的温度关系可按下式进行计算：

T_c= ΣT_iW_c/ΣW_c

式中：T_c-混凝土拌合物的出机温度（℃）；T_i-混凝土原材料各自温度（℃）；

W_i-混凝土原材料的单方用量（kg）；W_c-混凝土原材料的热当量（kJ/℃），计算时混凝土原材料的比热c（kJ/kg·K)，水泥、砂、石、掺合料取0.84，水和液体减水剂取4.2。

为了保证混凝土的出机温度、坍落度和可泵性，混凝土应集中搅拌。混凝土在拌和之前，应对原材料进行预热，用热水冲洗搅拌机，拌和时间应适当提高15～30s,控制好混凝土出机温度，使其不应低于13～15℃。混凝土的运输车辆的搅拌罐进行保温，搅拌机和运输车辆在完成全部任务后，用热水冲洗干净。

浇筑前，应保证冬季施工的混凝土的入模温度不低于10±2℃。在高寒地区，为了保证混凝土的抗拉强度和密实度，混凝土浇筑一般采用二次振捣工艺，同时，要采用二次抹面来减少混凝土表面的收缩裂缝。

高寒地区施工时，为防止混凝土内部温度的很快丧失，裸露的表面应及时覆盖保温层。在正温条件下施工时，应对浇筑的混凝土进行保湿养护，防止混凝土失水开裂。同时，应采取措施防止突如其来的降温引起的冻害。

为保证施工期间混凝土的施工质量和合理加快施工进度，必须在混凝土浇筑时预留同条件试件和标准试件，以便了解混凝土强度增长情况，作为养护和拆模的依据。

混凝土浇筑收面后，应立即用塑料膜和保温层覆盖，并搭设保温棚。当棚内温度低于0℃时，要采取加热措施。

根据同条件混凝土试件的抗压强度，按有关标准决定混凝土的拆模时间，模板和保温层在混凝土达到要求后方可拆除拆模时间宜在环境温度较高的白天进行。拆模后的混凝土必须及时用阻燃草帘覆盖，并保持阻燃草干燥，使其缓慢冷却。严禁浇水养护，拆模后应立即对柱角留洞进行保护，特别是阳台栏板、墙角处、楼梯踏步等部位。

实施例2，C35混凝土；按照下述重量份投料：碎石10930公斤、砂7500公斤、水泥3440公斤、粉煤灰860公斤、减水剂43公斤与水1230公斤；将步骤上述物料入混合搅拌机，在600 转/分的搅拌速度下搅拌2分钟至均匀；而后按照现有技术浇筑流程，将混凝土浆料输送至浇筑目标、浇筑、振捣、保温、拆模与覆盖。原材料的技术要求与施工方法现场管理，同实施例1。

实施例3，C30混凝土；按照下述重量份投料：碎石10960公斤、砂7430公斤、水泥3280公斤、粉煤灰820公斤、减水剂41公斤与水1520公斤；将步骤上述物料入混合搅拌机，在600 转/分的搅拌速度下搅拌1.5分钟至均匀；而后按照现有技术浇筑流程，将混凝土浆料输送至浇筑目标、浇筑、振捣、保温、拆模与覆盖。原材料的技术要求与施工方法现场管理，同实施例1。

上述实施例C30、C35和C40混凝土的工程施工配合比表3。

C30混凝土施工时，测得砂、碎石的含水率分别为1.8%、0.0%；

C35混凝土施工时，测得砂、碎石的含水率分别为4.0%、1.0%；

C40混凝土施工时，测得砂、碎石的含水率分别为2.5%、0.0%。

上述实施例C30、C35和C40混凝土工程在玉树州博物馆工地现场进行了如下内容的试验和验证：

一、混凝土拌合性能

本次试验的C30、C35和C40混凝土拌合物的容重分别为2405、2400和2390Kg·m^-3；含气量均为2.8%；C30、C35和C40混凝土拌合物坍落度分别为170、170和170 mm，扩展度分别为600、650和660 mm，坍落度试验按照GB/T 50080-2006 《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行，测得的混合2h后分别为170、170和160 mm，在2小时内无明显坍落度损失。

二、混凝土力学性能试验

本试验方法按照GB/T 50081-2002 《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行。

C30、C35和C40混凝土的***试验结果如下：抗压强度试验试件尺寸150×150×150 mm，试验结果见表4。

三、混凝土耐久性

试验方法按照GB/T50082-2009 《普通混凝土长期性和耐久性试验方法标准》进行。

C30、C35和C40混凝土抗冻性：在标准养护28天后进行100次的冻融循环，该批混凝土经100次的冻融循环试验，受检的C30、C35和C40混凝土的强度损失率为3.4、3.1和2.9%，弹性模量损失均为0%，外观无变化，表明受检混凝土抗冻性能优异。

抗碳化性能：C30、C35和C40混凝土试件在28龄期后进行碳化试验，碳化28天后将试件破型，在破型的新鲜面喷酚酞酒精溶液，破型面均无明显碳化，仅表层有少量变白。

抗渗性能：C30、C35和C40养28天后进行抗渗试验，试验从水压为0.1MPa开始，加压到抗渗仪的最大加压值4.0Mpa，观察试件端面的均无出现渗透情况。

Claims (3)

1.一种高寒冻融交替环境下的预拌混凝土施工方法，其特征在于步骤如下：

（1）、按照下述重量份投料：碎石1015～1100、砂730～770、水泥330～365、粉煤灰82～92、减水剂4.1～4.6与水123～152；

（2）、将步骤（1）物料入混合搅拌机，在600～900 转/分的搅拌速度下混合搅拌1～2分钟至均匀；而后按照现有技术浇筑流程，将混凝土浆料泵输送至浇筑目标、浇筑、振捣、保温、拆模与覆盖。

2.如权利要求1所述的一种高寒冻融交替环境下的预拌混凝土施工方法，其特征在于混合搅拌前，结合环境温度，需要采取防冻方法，具体为：

（1）、为施工的混凝土搅拌机和工程结构物搭设保温棚，进行保温，保证棚内温度不低于0.0℃；

当气温连续三天低于-15℃时，应停止施工；

（2）、碎石与砂即粗细骨料中不得含有冰雪、冻块；如果有应对骨料地仓进行不少于72小时加热；

（3）、混凝土的原材料须在拌和前对其加热，优先对水进行加热；当气温较低且加热水无法满足温度要求时，应对骨料仓进行保温加热。

3.如权利要求2所述的一种高寒冻融交替环境下的预拌混凝土施工方法，其特征在于：施工时，要保证如果混凝土的出机温度不低于13～15℃，如果低于，则应按如下措施对原材料进行保温和预热：

（1）水泥、粉煤灰和粉状外加剂不宜直接加热，但采取有效保温措施，保证在正温条件下使用；

（2）拌和用水应采用锅炉进行加热，加热温度宜控制在30～70℃；

（3）砂、石材料应采用地仓进行预热，加热温度宜控制在5～20℃；

混凝土的出机温度T_c和原材料的温度关系可按下式进行计算：

T_c= ΣT_iW_c/ΣW_c

式中：T_c-混凝土拌合物的出机温度（℃）；T_i-混凝土原材料各自温度（℃）；

W_i-混凝土原材料的单方用量（kg）；W_c-混凝土原材料的热当量（kJ/℃），计算时混凝土原材料的比热c（kJ/kg·K)，水泥、砂、石、掺合料取0.84，水和液体减水剂取4.2。