CN107721331A - 严寒地区混凝土伸缩缝施工水化进程保障方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于土木工程领域的一种严寒地区混凝土伸缩缝施工水化进程保障方法；包括如下步骤：步骤1、制备并拌合适用于每日温度中会出现低于4摄氏度温况的严寒地区混凝土；步骤2、使用具有保温套的混凝土运输车将步骤1中拌合完成的严寒地区混凝土运输至施工位置并进行浇注和振动密实；步骤3、对已浇筑的混凝土进行养护，并对水化进程进行监测；步骤4、逐步撤除养护，撤除过程中需确保混凝土在24小时内的温降小于20摄氏度。本发明通过以上几个步骤保障了严寒地区混凝土伸缩缝施工过程中混凝土水化进程的顺利进行，在实现快速开放交通的同时，还可使得制备的混凝土伸缩缝具有良好的承载能力和服役寿命。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程领域，具体为一种严寒地区混凝土伸缩缝施工水化进程保障方法。
背景技术
对于混凝土结构施工而言，严寒地区是指在混凝土制备、施工和养护期间，环境气温的日变化过程中，会出现温度低于4摄氏度时段的地区。混凝土是一种水硬性材料，其中的胶凝材料(包括水泥和矿物掺合料)和水拌合后，在适宜温度的条件下，会产生水化硬化行为，形成强度和渗透性均良好的固结体，该固结体可承受外界和荷载和渗透作用，保障所制备混凝土结构的服役寿命。同时，混凝土的水化历程对于温度而言是一种正反应，即提升温度有利于提升混凝土的水化速率和强度发展速率。严寒地区气温低，甚至会出现负温，该环境下，混凝土的水化历程会由于外界温度的降低而受阻，例如：21摄氏度的混凝土，凝结时间为6小时；同样的混凝土，当温度降低至负1摄氏度，凝结时间会延长到19小时；当温度降低至负7摄氏度，混凝土的水化停止，凝结时间无限延长；如果混凝土的温度进一步降低至负7度以下，则混凝土会发生冻结，冻结过程中由于水的相变作用(体积增大9％)、渗透压作用和蒸汽压作用，产生混凝土毛细孔中冰晶体积的生长现象，在混凝土内部产生拆解应力并造成混凝土结构的破坏。
因此，应当采取适当的措施来保障混凝土的水化历程。对于严寒地区混凝土伸缩缝施工而言，对混凝土水化历程的保障尤为重要。混凝土伸缩缝中浇注的混凝土体量小(其宽度和高度仅为50厘米左右)，比表面积大(浇注进伸缩缝的混凝土呈矩形结构)，散热面大广(严寒天气下施工时，开槽的混凝土伸缩缝周界和大气都会从混凝土中吸热)，导致浇注入模的混凝土热量被迅速耗散，使得混凝土的凝结时间延长，强度发展缓慢，甚至发生冻融破坏。
针对在严寒地区的混凝土伸缩缝施工中常见的水化速率受阻、强度发展缓慢、有冻融破坏风险等问题，国内外尚未有相关工程经验或工程指导方案的系统报道。本专利从混凝土配合比设计、养护措施和成熟度监测方面，提出严寒地区混凝土伸缩缝施工水化进程保障方法，旨在为严寒地区混凝土伸缩缝施工提出系统化的解决方案。
发明内容
针对背景技术中的问题，本发明提出了一种严寒地区混凝土伸缩缝施工水化进程保障方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、制备并拌合适用于每日温度中会出现低于4摄氏度温况的严寒地区混凝土；所述严寒地区混凝土由胶凝材料、砂子、石子、水和外加剂进行拌合而成，在拌合过程中通过改变水的初始温度Ti，w达到对严寒地区混凝土出机温度Tf进行控制的目的；其中胶凝材料包括：复合水泥、粉煤灰、矿渣粉和硅灰；复合水泥为硅酸盐水泥和非晶质铝酸钙水泥的混合物；
步骤2、使用具有保温套的混凝土运输车将步骤1中拌合完成的严寒地区混凝土运输至施工位置并进行浇注和振动密实；
步骤3、对已浇筑的混凝土进行养护，并对水化进程进行监测；
步骤4、逐步撤除养护，撤除过程中需确保混凝土在24小时内的温降小于20摄氏度。
所述步骤1包括：
步骤101、制备阶段，对严寒地区混凝土各材料的配合比进行计算；根据计算所得的结果对胶凝材料进行搅拌，并测量得到胶凝材料、砂子和石子的初始温度；随后对水的初始温度Ti，w进行计算；
步骤102、将温度等于初始温度Ti，w的水与胶凝材料、砂子、石子和外加剂进行拌合，获得所需的严寒地区混凝土。
所述步骤101中对严寒地区混凝土各材料的配合比进行计算时，所述严寒地区混凝土中胶凝材料、石子、砂和水的质量比例范围为：
胶凝材料：石子：砂：水＝18％-24％：43％-47％：26％-30％：6％-6.3％；
所述胶凝材料中复合水泥、粉煤灰、矿渣粉和硅灰的质量比例范围为：
复合水泥：粉煤灰：矿渣粉：硅灰＝65％-100％：0％-21％：0％-15％：0％-9％；
所述复合水泥中硅酸盐水泥和非晶质铝酸钙水泥的质量比例范围为：
硅酸盐水泥：非晶质铝酸盐水泥＝75～95％：5～25％。
所述对严寒地区混凝土使用水的初始温度Ti，w进行计算时所使用的公式为：
其中Qb、Qa、Qs和Qw分别为胶凝材料、石子、砂和水在拌合过程中的热量变化值；mw、Cw和Tf分别为水的用量、水的比热容和严寒地区混凝土出机温度。
所述严寒地区混凝土出机温度Tf：当日气温的最低气温为4至负1摄氏度时，混凝土出机温度Tf为18摄氏度；当日气温的最低气温为负2至负18摄氏度时，混凝土出机温度Tf为20摄氏度；当日气温的最低气温为负18至负25摄氏度时，混凝土出机温度Tf为22摄氏度。
在步骤2所述的运输期间内，严寒地区混凝土的温降应控制在1摄氏度以内。
所述的外加剂为减水剂和悬浮稳定剂；用于保证拌合好的严寒地区混凝土在步骤2中的运输、浇注和振动密实过程中不产生离析和泌水现象；以保障严寒地区混凝土的匀质性；且所述步骤2所述混凝土的运输、浇注和振动密实过程需在严寒地区混凝土进入水化加速期之前完成。
在步骤2所述的浇注前，在混凝土伸缩缝的中央需安置一个铂电阻温度传感器，并将铂电阻传感器和监控室的温度测量仪表和记录装置相连；所述伸缩缝的中央为伸缩缝长度、宽度和高度各自中点的交点。
步骤3所述的养护方法分为如下步骤：
步骤301、混凝土在浇注成型并饰面完成后，马上使用一层塑料薄膜对混凝土进行覆盖；
步骤302、在塑料薄膜上部铺设一层电热毯；
步骤303、在电热毯的上部铺设一层厚度为5厘米的聚苯板；
步骤304、在聚苯板的上部铺设一层棉被，阻止聚苯板接缝处热量的散发；
步骤305、在棉被上铺设一层塑料薄膜，防止大气中的水分向棉被中的迁移和凝聚；
步骤4所述的逐步撤除养护前，伸缩缝内严寒地区混凝土的强度需达到混凝土配制强度的70％。
本发明的有益效果为：
1、保障严寒地区混凝土伸缩缝施工过程中混凝土水化进程的顺利进行；
2、在实现快速开放交通的同时，还可使得制备的混凝土伸缩缝具有良好的承载能力和服役寿命。
具体实施方式
现对本案实施例进行详细阐述，本保障方法包括以下步骤：
步骤1、制备并拌合所需温度的严寒地区混凝土：所述严寒地区混凝土为适用于每日温度中会出现低于4摄氏度温况的特制混凝土；
步骤101、制备阶段，对严寒地区混凝土各材料的配合比进行计算；根据计算所得的结果对胶凝材料进行搅拌，并测量凝胶材料的温度；随后对水的初始温度Ti，w进行计算，并准备好相应温度的水：
首先是在制备阶段中先对严寒地区混凝土各材料的配合比进行计算，
对除水之外的原材料进行温度测量，然后根据要求的混凝土出机温度对水的初始温度Ti，w进行计算；其中严寒地区混凝土各材料的配合比计算的过程为：
混凝土的水化是一个放热过程，利用水化过程中放出的热量，可维持或提升混凝土的强度发展速率。因此，除了在混凝土制备阶段，通过采用热水的方式来保障混凝土出机温度外，还可以对混凝土的配合比进行设计，使得其中的胶凝材料具有符合期望的水化放热历程。
混凝土中胶凝材料符合期望的水化放热历程应当是在混凝土浇注到位后，尽早进入水化放热阶段且放出的热量较大。工程中常用的水泥为硅酸盐水泥，以硅酸三钙为主要组分；常温条件下(18-26摄氏度)，硅酸盐水泥的凝结速率(数小时)符合常见的工程需求，但在严寒地区其凝结速率缓慢，不能满足施工进度要求；非晶质铝酸盐水泥以七铝酸十二钙为主要组分，常温条件下凝结速率迅速(数十分钟)，且水化放热量比硅酸盐水泥高，同时，非晶质铝酸盐水泥在水化过程中利用硅酸盐水泥水化生成的氢氧化钙和二水石膏可形成钙矾石并产生膨胀；与常见的具有快硬早强特性的硫铝酸盐水泥不同的是，非晶质铝酸盐水泥和硅酸盐水泥复合使用，不会阻碍硅酸盐水泥的水化进程，而硫铝酸盐水泥掺量较高时，会阻止硅酸盐水泥的水化。所以，将硅酸盐水泥和非晶质的铝酸盐水泥复合，利用非晶质铝酸盐水泥的快硬早强效果，利用硅酸盐水泥具有良好的后期强度效果，同时利用非晶质铝酸盐水泥和硅酸盐水泥复合产生的膨胀效应，可制备快硬早强、后期强度高且体积稳定性良好的混凝土。
将非晶质铝酸盐水泥和硅酸盐水泥复合使用，使得所制备的混凝土具有快硬早强、后期强度高且体积稳定性好的特性，两者之间的质量比例为：
硅酸盐水泥：非晶质铝酸盐水泥＝(95-75％)：(5-25％)
除复合水泥外，胶凝材料中矿物掺合料(粉煤灰、矿渣、硅灰等)的掺量范围，以及水胶比、浆骨比和减水剂掺量等配合比参数对混凝土的流动能力、后期强度和抗渗透能力也有重要的影响，应根据混凝土伸缩缝的施工方法、荷载能力、气候环境等进行针对性设计。
实施例1～5中所使用的严寒地区混凝土中复合水泥的配合比如表1所示：
表1严寒地区混凝土复合水泥中各水泥的配合比
根据表1对胶凝材料进行计量和搅拌，并测量混合后的胶凝材料温度；随后对水的初始温度Ti，w进行计算，并准备好相应温度的水：
混凝土的组成材料为胶凝材料(包括复合水泥、粉煤灰、矿渣粉、硅灰等)、砂子、石子、水和外加剂，其中，胶凝材料、砂子和石子通常存放在露天的立仓和料棚中，其温度基本与周围大气的气温相同，这些物料用量大，人工加热困难。相对而言，水的用量较小、比热容大且为流体形式，因此，适用于作为传热介质来提升和保障所制备严寒地区混凝土的混凝土出机温度；
本专利所使用胶凝材料中各材料的质量比为：
复合水泥：粉煤灰：矿渣粉：硅灰＝(65％-100％)：(0％-21％)：(0％-15％)：(0％-9％)
实施例1～5中所使用的严寒地区混凝土中胶凝材料的配合比如表2所示：
表2严寒地区混凝土胶凝材料内各材料的质量
| 实施例编号 | 复合水泥(kg/m3) | 粉煤灰(kg/m3) | 矿渣粉(kg/m3) | 硅灰(kg/m3) |
| 实施例1 | 523 | 0 | 0 | 0 |
| 实施例2 | 355 | 71 | 47 | 0 |
| 实施例3 | 279 | 86 | 43 | 21 |
| 实施例4 | 449 | 0 | 87 | 47 |
| 实施例5 | 491 | 0 | 0 | 0 |
本专利所使用严寒地区混凝土中各材料的质量比为：
胶凝材料：石子：砂：水＝(18％-24％)：(43％-47％)：(26％-30％)：(6％-6.3％)
实施例1～5中所使用的严寒地区混凝土中各材料的配合比如表3所示：
表3严寒地区混凝土各材料的质量
| 实施例编号 | 胶凝材料(kg/m3) | 石子(kg/m3) | 砂(kg/m3) | 水(kg/m3) |
| 实施例1 | 523 | 1067 | 682 | 147 |
| 实施例2 | 473 | 1065 | 710 | 151 |
| 实施例3 | 429 | 1081 | 721 | 150 |
| 实施例4 | 583 | 1052 | 644 | 151 |
| 实施例5 | 491 | 1102 | 620 | 147 |
由于混凝土浇注入模后会向温度较低的开槽的混凝土伸缩缝周界和大气中散热，因此，应根据环境温度，对混凝土出机温度进行调整。本专利建议的混凝土出机温度与日气温中最低温度的关系为：(1)日气温的最低温度为4至负1摄氏度，混凝土出机温度期望值为18摄氏度；(2)日气温的最低温度为负2至负18摄氏度，混凝土出机温度期望值为20摄氏度；(3)日气温的最低温度为负18至负25摄氏度，混凝土出机温度期望值为22摄氏度；
假设所有胶凝材料的比热容相同，根据表4所示参数和数值，以及式(1)至式(6)可计算符合期望的混凝土出机温度时，所需要使用的水的温度：
表4各物料的符号和热性能参数
假设混凝土在拌合的过程，既不从外界吸收热量，也不向外界散发热量，即处于绝热过程；则根据式(1)所示的热平衡方程，利用式(6)可计算出所需水的初始温度Ti，w：
Qb+Qa+Qs+Qw＝0 (1)
其中，Qb、Qa、Qs和Qw分别为胶凝材料、石子、砂和水在拌合过程中的热量变化值(放热量/吸热量)，它们的求解方法如式(2)至式(5)所示，其中Tf为混凝土出机温度。
Qb＝mbCb(Ti，b-Tf) (2)
Qa＝maCa(Ti，a-Tf) (3)
Qs＝msCs(Ti，s-Tf) (4)
Qw＝mwCw(Ti，w-Tf) (5)
将式(2)至式(5)代入式(1)，可求得水的初始温度Ti，w，如式(6)所示：
其中Qb、Qa、Qs和Qw分别为胶凝材料、石子、砂和水在拌合过程中的热量变化值；mw和Cw分别为水的用量和水的比热容。
在实施例1～5中先测得严寒地区混凝土各材料的初始温度，随后根据实际工况需求决定严寒地区混凝土出机温度Tf，最后通过式(6)计算得出的水的初始温度Ti，w；具体数值如表5所示：
表5严寒地区混凝土中各材料的实测温度与水的初始温度的计算结果
步骤102、将温度等于初始温度Ti，w的水与胶凝材料、砂子、石子和外加剂进行拌合，获得所需的严寒地区混凝土；
实施例1～5中各严寒地区混凝土在计算以及实际应用时的数值比对如表6所示：
表6严寒地区混凝土实际拌合效果与计算/需求数值的对照
由表6可见，在实施例1～5中通过使用与要求水的温度值接近的热水，制备得到的混凝土出机温度符合期望要求。
浇注前，在混凝土伸缩缝长度、宽度和高度各自中点的交点位置需安置一个铂电阻温度传感器，并将铂电阻传感器和监控室的温度测量仪表和记录装置(记录仪或计算机)相连；
步骤2、使用具有保温套的混凝土运输车将步骤1中拌合完成的严寒地区混凝土运输至施工位置并进行浇注和振动密实；
在以上浇注混凝土的过程中将温度传感器浇注在混凝土中(注意不要损伤信号线)，然后开始进行数据记录；
同时进行本步骤时需注意：
(一)、混凝土运输过程中的保温，应使用具有保温套的罐车进行运输，运输时间内混凝土的温降应控制在1摄氏度以内；
(二)、混凝土浇注的及时性，应在混凝土进入水化加速期之前，完成混凝土的运输和浇注，因此，应通过综合考虑混凝土的运输距离和凝结速率来保障混凝土的及时浇注；
(三)、浇注混凝土的匀质性，应通过外加剂(减水剂和悬浮稳定剂等)来保障混凝土的匀质性，使得混凝土在运输、浇注和振动密实的过程中不产生离析和泌水现象；
(四)、对混凝土进行保温的及时性，混凝土在浇注、密实和饰面完成后，应马上用塑料薄膜和保温材料进行覆盖，防止混凝土中水分和热量向大气中的散发。
步骤3、对已浇筑的混凝土进行养护，并对水化进程进行监测；
对于在严寒地区施工的混凝土伸缩缝，在混凝土浇注完成后，对混凝土的养护至关重要。本专利提出的养护方法旨在实现如下三方面的目的：(1)防止混凝土中水分向大气的散失；(2)防止混凝土中的热量向大气散失；(3)实现混凝土的保温，保障混凝土的水化；为此，本专利实施例的养护方法分为以下步骤：
步骤301、混凝土在浇注成型并饰面完成后，马上使用一层塑料薄膜对混凝土进行覆盖；
步骤302、在塑料薄膜上部铺设一层电热毯，实现对混凝土的加热，促进混凝土的水化和强度发展速率；
步骤303、在电热毯的上部铺设一层厚度为5厘米的聚苯板，阻止混凝土中和电热毯产生的热量向大气的散发；
步骤304、在聚苯板的上部铺设一层棉被，阻止聚苯板接缝处热量的散发；
步骤305、在棉被上铺设一层塑料薄膜，防止大气中的水分向棉被中的迁移和凝聚；
本实施例的监测过程又分为以下步骤：
通过温度记录装置所得时间-温度曲线，考察混凝土的水化进程；一般而言，混凝土在浇筑后，会先后经历与周围环境的热平衡和水化放热过程，具体过程如下：
3001、时间-温度曲线先会表现出温度下降，
3002、然后逐渐平稳(此时浇筑入模的混凝土完成与周围环境的近似热平衡)，
3003、之后开始升温(由于混凝土开始进入水化加速期所致)并逐渐达到峰值，
3004、此后开始缓慢下降(这是由于此后混凝土的放热量不能补偿混凝土向周围的散热量所致)并再次达到热平衡。
在3003的时间-温度曲线的上升段中，混凝土会完成初凝和终凝过程，并逐渐产生强度。
步骤4、逐步撤除养护，撤除过程中需确保混凝土在24小时内的温降小于20摄氏度：注意在撤除养护措施时，要避免温度的剧烈变化；应采用分步实施的方法逐渐撤除养护措施，使得混凝土在24小时内的温降小于20摄氏度。
使用回弹仪测试混凝土的强度，一般而言，当混凝土的强度达到混凝土配制强度的70％以上时，可撤除养护措施；当混凝土的强度达到混凝土配制强度的100％时，可实现路面的正常通行。
Claims (10)
1.一种严寒地区混凝土伸缩缝施工水化进程保障方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、制备并拌合适用于每日温度中会出现低于4摄氏度温况的严寒地区混凝土；所述严寒地区混凝土由胶凝材料、砂子、石子、水和外加剂进行拌合而成，在拌合过程中通过改变水的初始温度Ti，w达到对严寒地区混凝土出机温度Tf进行控制的目的；其中胶凝材料包括：复合水泥、粉煤灰、矿渣粉和硅灰；复合水泥为硅酸盐水泥和非晶质铝酸钙水泥的混合物；
步骤2、使用具有保温套的混凝土运输车将步骤1中拌合完成的严寒地区混凝土运输至施工位置并进行浇注和振动密实；
步骤3、对已浇筑的混凝土进行养护，并对水化进程进行监测；
步骤4、逐步撤除养护，撤除过程中需确保混凝土在24小时内的温降小于20摄氏度。
2.根据权利要求1所述的一种严寒地区混凝土伸缩缝施工水化进程保障方法，其特征在于，所述步骤1包括：
步骤101、制备阶段，对严寒地区混凝土各材料的配合比进行计算；根据计算所得的结果对胶凝材料进行搅拌，并测量得到胶凝材料、砂子和石子的初始温度；随后对水的初始温度Ti，w进行计算；
步骤102、将温度等于初始温度Ti，w的水与胶凝材料、砂子、石子和外加剂进行拌合，获得所需的严寒地区混凝土。
3.根据权利要求1或2之一所述的一种严寒地区混凝土伸缩缝施工水化进程保障方法，其特征在于，所述步骤101中对严寒地区混凝土各材料的配合比进行计算时，所述严寒地区混凝土中胶凝材料、石子、砂和水的质量比例范围为：
胶凝材料∶石子∶砂∶水＝18％-24％∶43％-47％∶26％-30％∶6％-6.3％；
所述胶凝材料中复合水泥、粉煤灰、矿渣粉和硅灰的质量比例范围为：
复合水泥∶粉煤灰∶矿渣粉∶硅灰＝65％-100％∶0％-21％∶0％-15％∶0％-9％；
所述复合水泥中硅酸盐水泥和非晶质铝酸钙水泥的质量比例范围为：
硅酸盐水泥∶非晶质铝酸盐水泥＝75～95％∶5～25％。
4.根据权利要求2所述的一种严寒地区混凝土伸缩缝施工水化进程保障方法，其特征在于，所述对严寒地区混凝土使用水的初始温度Ti，w进行计算时所使用的公式为：
其中Qb、Qa、Qs和Qw分别为胶凝材料、石子、砂和水在拌合过程中的热量变化值；mw、Cw和Tf分别为水的用量、水的比热容和严寒地区混凝土出机温度。
5.根据权利要求1所述的一种严寒地区混凝土伸缩缝施工水化进程保障方法，其特征在于，所述严寒地区混凝土出机温度Tf：当日气温的最低气温为4至负1摄氏度时，混凝土出机温度Tf为18摄氏度；当日气温的最低气温为负2至负18摄氏度时，混凝土出机温度Tf为20摄氏度；当日气温的最低气温为负18至负25摄氏度时，混凝土出机温度Tf为22摄氏度。
6.根据权利要求1所述的一种严寒地区混凝土伸缩缝施工水化进程保障方法，其特征在于，在步骤2所述的运输期间内，严寒地区混凝土的温降应控制在1摄氏度以内。
7.根据权利要求1所述的一种严寒地区混凝土伸缩缝施工水化进程保障方法，其特征在于，所述的外加剂为减水剂和悬浮稳定剂；用于保证拌合好的严寒地区混凝土在步骤2中的运输、浇注和振动密实过程中不产生离析和泌水现象；以保障严寒地区混凝土的匀质性；且所述步骤2所述混凝土的运输、浇注和振动密实过程需在严寒地区混凝土进入水化加速期之前完成。
8.根据权利要求1所述的一种严寒地区混凝土伸缩缝施工水化进程保障方法，其特征在于，在步骤2所述的浇注前，在混凝土伸缩缝的中央需安置一个铂电阻温度传感器，并将铂电阻传感器和监控室的温度测量仪表和记录装置相连；所述伸缩缝的中央为伸缩缝长度、宽度和高度各自中点的交点。
9.根据权利要求1所述的一种严寒地区混凝土伸缩缝施工水化进程保障方法，其特征在于，步骤3所述的养护方法分为如下步骤：
步骤301、混凝土在浇注成型并饰面完成后，马上使用一层塑料薄膜对混凝土进行覆盖；
步骤302、在塑料薄膜上部铺设一层电热毯；
步骤303、在电热毯的上部铺设一层厚度为5厘米的聚苯板；
步骤304、在聚苯板的上部铺设一层棉被，阻止聚苯板接缝处热量的散发；
步骤305、在棉被上铺设一层塑料薄膜，防止大气中的水分向棉被中的迁移和凝聚。
10.根据权利要求1所述的一种严寒地区混凝土伸缩缝施工水化进程保障方法，其特征在于，步骤4所述的逐步撤除养护前，伸缩缝内严寒地区混凝土的强度需达到混凝土配制强度的70％。
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