大体积连续箱梁混凝土冬季施工技术.docx

大体积连续箱梁混凝土冬季施工技术
　 　中铁十四局五公司
       杨 勇 刘治宝 陈祥龙 王可用
摘要：本文介绍了大体积连续箱梁冬季施工技术的制定和实施的成功经验，全面叙述了箱梁冬季施工的控制指标、热工计算以及保证措施，对于类似工程的冬季施工具有一定的指导和借鉴意义。
关键词：大体积箱梁 混凝土 冬季施工
一、工程概况及气候条件
天津滨海快速轨道交通一期工程全长45.409km，自天津市区中山门起，途经市区、东丽开发区、发电厂、军粮城等重要经济控制点并最终到达天津滨海新区休闲娱乐区。该交通工程设计为城市轻轨形式，为天津市重点工程，是联系天津市区和滨海新区重要的交通命脉。其中我单位负责XQk标段的施工任务，本标段里程为DK4+105～DK11+055.6，主要分为桥梁工程和车站工程等。全标段共有桥梁79联，钻孔桩1375根，桥墩209个，承台217个以及两个车站和部分停车场出入线的施工。其中桥梁共计4729.75延米，根据已到位图纸统计共有圬工数量76000余方。
由于本项目工期短受制约因素多、技术含量较高，为力保全线按期通车，业主要求本项目冬季安排部分箱梁和桥墩施工。箱梁高1.5m，每联75m，混凝土368m3；桥墩高度10m左右，每个桥墩砼方量40m3左右。混凝土拌制采用自建拌和站，拌和站每小时供应能力40m3/h以上，混凝土运输采用搅拌运输车，运输距离3公里以内，混凝土灌注采用汽车泵灌注。箱梁模板为大块钢模板，底模为1.4cm竹胶板。
天津地区冬季最低气温在零下15℃左右，风力按5级考虑，冬季气温一般在-10℃以上。
就本工程概况和气候情况看，本项目冬季施工难度较大，其主要需要解决难题和控制点如下：
1、箱梁单位工程量较大，施工时间长且难度相对较大，从而更不利于冬季温度的控制，且我公司在北方地区冬季施工大体积混凝土梁尚属首次，没有可借鉴的经验和成熟的工艺。
2、预应力箱梁由于其受力的特殊性以及压浆、张拉等工序较多，对环境温度的要求更高，因此，在温度控制上更增加了控制难点。
3、如何保证大规模、大体积的冬季混凝土施工质量稳定、措施可行、工艺成熟是本项目冬季施工确保质量的关键。
二、冬季施工控制目标
根据《建筑工程冬季施工规范》（JGJ104-97）和《铁路桥梁施工规范》结合本项目特点，当工地昼夜气温连续3d低于5℃或最底气温低于-3℃应采用冬季施工措施，并能满足以下目标：
1、冬季施工的混凝土在入模后，混凝土强度未达到设计强度30%以前不得受冻。
2、混凝土出厂及入模温度在5℃以上。
3、箱梁砼入模时，模板温度不低于2℃。
4、从施工工艺及工期考虑，砼在10天内达到设计强度和弹模。
5、孔道压浆必须保证在正常温度下进行，其强度在25Mpa前不得受冻。
6、预应力钢筋张拉温度不宜低于-15℃。
7、雪天或施焊现场风速5.4m/s(3级风)焊接时，应采取遮蔽措施，焊接后冷却的接头应避免碰到冰雪。
8、钢筋焊接、加工、张拉工艺应按《建筑工程冬期施工规程》办理。
三、冬季施工有关计算
（一）、混凝土搅拌、运输、浇筑温度计算
1、假定天津地区冬期外界温度-5℃，混凝土入模温度按要求不低于5℃，混凝土运输采用搅拌车运输，则混凝土在运输过程中的温度损失：
ts=（at1+0.032n）（T1-Ta）
ts—运输过程温度损失
a—温度损失系数，采用损失系数为0.25
t1—运输到浇筑的时间，取0.3小时
n—拌和物运转次数，取2
T1—拌和物出机温度
Ta—运输时环境温度，取-5℃
所以，TS=（0.075+0.064）（T1+5℃）=0.139T1+5℃
故：混凝土浇注时温度（5℃）T2≤Ｔ１－ｔｓ
即： Ｔ１-０.１3９Ｔ１-5℃≥5℃
∴ ０.８6１Ｔ１≥10℃
Ｔ１≥11.6℃
取Ｔ１＝11.6℃
２、计算混凝土拌和物温度
根据以上计算，取Ｔ１＝11.6℃
由公式：Ｔ１＝Ｔ０-０.１６（Ｔ０－Ｔ３）
得：Ｔ０＝（Ｔ１-０.１６Ｔｉ）÷０.８４＝11.9℃
式中：T0—混凝土拌和物温度
T1—混凝土出机温度，取11.6℃
Ti—拌和机棚内温度，取10℃
3、假设水加热至60℃，砂石料0℃，根据配合比每m3混凝土用水泥、水、砂，石用量分别为543Kg、190Kg、639Kg、1088Kg，假定砂子含水量4%，石子1%，根据公式：
T0=[0.92(MceTce+MsaTsa+MgTg)+4.2Tw(Mw-WsaMsa-WgMg)+C1(WsaMsaTsa+WgMgTg)-C2(WsaMsa+WgMg)]÷[4.2Mw+0.9(Mce+Msa+Mg)]㎏
得T0=13.6℃＞11.9℃ （能满足要求）
式中T0—混凝土拌合物温度（℃）；
Mw—水用量（Kg）；
Mce—水泥用量（Kg）；
Msa—砂子用量（Kg）；
Mg—石子用量（Kg）；
Tw—水的温度（℃）；
Tce—水泥的温度（℃）；
Tsa—砂子的温度（℃）；
Tg—石子的温度（℃）；
Wsa—砂子的含水率（℃）；
Wg—石子的含水率（℃）；
C1—水的比热容（KJ/kg·K）;
C2—冰的溶解热（KJ/kg）。
当骨料温度大于0℃时，C1=4.2，C2=0。
同以上计算，当环境温度为-10℃时，T0应不小于18.8℃，此时假定水、砂石料加热温度分别为70℃、5℃、５℃，根据公式计算，得
T0=18.9℃＞18.8℃ 满足要求
（二）砂石料暖棚耗热量计算
假定砂石料保温棚温度为10℃，暖棚设计为40m×40m×5m。
Q=MbK(tb-ta)=Mb·K·Δt
Q—每立方米暖棚的耗热量
Mb---表面系数，即冷却面与外部度量暖棚的体积之比；为0.3。
K—暖棚围护结构的平均传热系数（W/m·K）
tb—棚内温度（℃）
ta—棚外大气温度（℃）,取-10℃。
k=1/[0.043+a1/λ1+a2/λ2+a3/λ3]=2.9
式中：a1、a2、a3分别是棉棚布、单棚布和棉毡的厚度，λ1、λ2、λ3分别是各种材料的导热系数，取0.06。
∴ Q=0.3×2.9×20=17.4W
∴暖棚每小时耗热量Qh=Q×a×V=17.4×1.25×（40×40×5）=174000W （相当于150000大卡）
（三）箱梁保温棚的计算
同砂石料暖棚的计算（暖棚体积为10m×2m×80）: Q=MbK(tb-ta)=Mb·K·Δt=116W
式中Mb为1，K为2.9，Δt为30℃。
Qh=Q×a×V=69.6×1.25×（10×2×80）=139200W(相当于119686大卡)
（四）拌合用水用锅炉的选择
根据拌合站施工能力，每小时需要热水8吨，每次施工需要70吨热水，采用预先加热并储存一定数量（20吨）的办法，每小时需供热水5吨，选用CLHS0.47MW-95/70Y型常压热水锅炉可满足要求。
（五）桥墩养生热量计算
同箱梁暖棚耗热量的计算，按桥墩高度12m计算(暖棚4m×4m×13m)：
Q=MbK(tb-ta)=Mb·K·Δt=87W
式中Mb为1，K为2.9，Δt为30℃。
Qh=Q×a×V=87×1.25×（4×4×13）=22620W(相当于19449大卡)

四、混凝土施工技术保证措施
1、混凝土的搅拌：
（1）在混凝土中掺加广州西卡天津分公司生产的HE-200-C型防冻剂，C25、C30砼的掺量为1.55~2.0%（-5，对搅拌站主机采取挡风和保温措施，采用棉蓬布对砂石料进行覆盖，避免砂石料结冰。
注：防冻剂经天津24站检验符合GB18588-2001标准。
砼的配合比如下：
砼标号
水泥
砂子
石子
水
防冻剂
C50
500
676
1104
170
12.5
C40
405
731
1144
165
8.1
C35
472
686
1119
170
8.5
C30
447
697
1136
170
6.7
C25
395
716
1169
170
5.5
（2）、搅拌站蓄水池用保温材料覆盖并密封，热水采用40万大卡热水锅炉（每小时出热水8吨）直接加热，加热温度控制在60℃以内（环境温度-5℃以上时），当环境温度低于-10℃，可将水加热到70℃，但此时混凝土搅拌时应将水和砂石料搅拌均匀后方可投入水泥，避免水泥和热水直接接触。
（3）、砂石料场地分为保温棚和存料场两部分，保温棚采用大型军用帐篷，计划40×40×5m大小，确保存混凝土1500m3以上的原材料，帐篷内采用煤炉加热保温，确保环境温度5℃以上，每次混凝土施工前5小时，对砂石料加热。环境温度-5℃以下时，砂石料加热到0℃，环境温度-5℃~-10℃时，砂石料加热到5℃），存材料场40×40m，直接用帐篷覆盖。
（4）、搅拌站蓄水池用保温材料覆盖并密封，热水采用锅炉直接加热，加热温度控制在60℃以内（环境温度-5℃以上时），当环境温度低于-10℃，可将水加热到70℃，但此时混凝土搅拌时应将水和砂石料搅拌均匀后方可投入水泥，避免水泥和热水接触。
（5）、用保温材料对搅拌站进行封闭，棚内利用热风机配合暖气进行保温，棚内温度控制在10℃左右。技术人员每小时测量并记录温度一次。
（6）、砂石料保温棚内在不同部位放置不少于3个温度计，工地试验室，拌和站技术人员在施工期间每小时对保温棚温度、砂石料温度、水温度、混凝土拌和物温度测量一次，环境温度-5℃以下时确保混凝土出料温度在18.8℃以上（环境温度-5℃以上出料温度应在11.6℃以上）。
（7）、试验人员每次根据采用蒸气保温后砂石料的含水量调整施工配合比。
（8）、为确保冬季施工混凝土的和易性和流动性，混凝土搅拌时间应不小于2.5min，但不宜大于3min
（9）、为提高混凝土的早期强度，混凝土坍落度控制在12cm~14cm范围内，并搀配高效减水剂。
2、混凝土的运输
混凝土运输采用搅拌运输车运送，运送距离3公里以内，地泵或泵车进行混凝土的灌注，为减小混凝土运输过程温度损失，采取了如下措施：
（1）、施工时间应尽量避免交通高峰期，缩短混凝土运输时间。
（2）、沿途十字路口、拐弯处提前和交警联系，并设专人指挥、协调疏导车辆。
（3）、加强调度协调，避免运输车在施工现场等待时间过长。
（4）、混凝土输送泵尽量采用直管，不宜铺设过长，以免发生堵管现象，发生堵管时，维修时间不宜过长，必要时及时采用备用管道。
（5）、对输送管道用保温材料进行包裹。
3、混凝土的灌注
（1）箱梁砼灌注
暖棚采用多功能脚手架做骨架，外套采用棉棚布、单 棚布一层。棉棚布按暖棚布尺寸及相互搭接减小漏风的要求进行特殊加工，棚布中均夹杂毛毡，毛毡厚度为1.5cm，棚底为现浇支架的木板、铁皮共同构成的保温层组成。

箱梁混凝土浇筑前，需对暖棚进行预热，始终保证棚内最低温度不低于10℃，同时除了对混凝土输送管道进行加热外，用采用温度不低于10℃的砂浆润湿管道，清理模板内杂物，用温水清洗，模板、钢筋、管道经过预热，表面温度在5℃以上。混凝土灌注应分层分段进行，桥面应根据混凝土灌注顺序及时进行覆盖。采用插入式振捣器时，特别注意钢筋密集的底层跟部的振捣，避免管道碰坏。
已浇筑层的混凝土在未被上一层混凝土覆盖前不应低于2℃，采取加热养护时，养护前的温度也不得低于2℃。混凝土温度控制由质检工程师和试验室共同分工负责。
（2）桥墩砼灌注
桥墩施工时，保温棚由棚布和脚手架共同组成，其温度控制和砼施工工艺可参照箱梁砼的施工。
4、混凝土的养生及温度测试
（1）混凝土养生
混凝土浇筑完后，及时覆盖暖棚，通过燃烧无烟煤火炉对梁底、腹板加热进行保温养护，无烟煤炉的布置根据暖棚空间所需的热量进行计算。根据计算，我们在侧模下方共放置了20个炉子,同时根据温度变化增减取暖设备（炉子或者热风机）。
由于大气温度较低，棚内外温差悬殊，棚内底部与顶部温差也较大，按设计要求棚内温差不大于10℃，为达到此目的，可在棚内空间设置两道温度屏障，以减弱空气在竖向的对流速度，。
当混凝土强度大于30%设计强度后，方可停止供热保暖，但大棚内降温应满足《冬季施工规范》的要求，即降温速度每小时不大于10℃。
混凝土拆模时，环境温度与梁体温度差应小于15℃。
桥墩的养生中的升温-恒温-降温参照箱梁的养生要求，根据目前钻孔桩及征地拆迁进度，预计共有70个桥墩需冬季施工，桥墩强度达到设计强度30%以上后（养护两天），桥墩暖棚按照降温要求降温，当暖棚内温度与环境温度差小于10℃时拆除暖棚，当桥墩温度与环境温度差小于15℃后，拆除桥墩模板并用塑料薄膜包裹继续养生。
（2）温度测试
混凝土冬季施工过程中，由试验室（负责搅拌站、混凝土）和质检工程师（负责梁体温度控制）按时测量水、骨料，混凝土出罐、入模测量四周的温度以及混凝土温度变化情况，尤其注意混凝土养生期的温度观测：
①测温仪器：外界气温和棚内气温均用自动温度计记录仪观测，混凝土出罐、入模温度用旁通温度计测试，箱梁内各观测点温度用多头温度仪测试。
②观测点设置：在浇筑后的混凝土上设测温孔，测温孔位置设在腹板通风孔和梁底泄水孔位置，每联箱梁设12个测温点。分别设在腹板、底板、顶板。要求各侧点温度接近。
③测温时间
大棚内各观测点，自混凝土浇筑完毕时间算起，每隔2小时测一次温度，外界气温在每天7时、12时、16时和24时4个时间进行记录。
④具体做法
A、对测温孔进行编号，并编制测温孔布置图以备查。
B、测温时，温度计与外界气温隔离，避免冷空气影响，温度计在孔内停留时间在3min以上。
C、设专人负责测温工作，当发现温度发生异常变化时，立即向有关人员汇报，以便及时采取措施。
（三）安全技术措施
1、桥梁施工在高空条件下进行，因此应按有关高空作业规程，完善防滑、护栏，安全网等设备。
2、暖棚内必须加强防水，备足消防设备，在棚内禁止吸烟和明火作业，电焊时应采取必要措施。
3、设专人值班，负责安全、防火监督，项目部安全部门定时查岗。
四、施工效果及体会
在实际的施工过程中，我们对拌合用水进行了加热，砂石料采取了棚布保温并生火炉的施工方案。砼的运输严格执行了冬季施工要求，混凝土灌注后采用暖棚进行了保温。加热方式分别了采用了电热风机和火炉的方法，没有使用蒸汽养生。在已完成的进入冬季施工的箱梁施工过程中，通过该冬季施工技术的实施。混凝土的施工过程质量和最终质量得到了控制，混凝土的出机、入模最高和最低温度分别达到了20℃／１３℃和１８℃／１１℃，大棚温度达到了15℃以上。棚内温差小于10℃。混凝土及试件质量稳定，达到了预期的要求。
通过三联箱梁混凝土及部分桥墩混凝土的冬季施工，说明：
１、该技术能够有效保证混凝土特别是大体积混凝土冬季施工的质量，有效的争取了工期。同时也不可避免的增大了投入。
２、冬季施工当温度高于－１０℃时，可以采用现用的冬季施工技术方案。
３、冬季砼运输过程中的温度损失小于预测的数值，在本施工环境的损失只有２℃。
４、该技术的制定也为我们今后类似工程的施工找到了一条可靠的、有效的总体方案。