水泥混凝土冬期施工热工计算应用

水泥混凝土冬期施工热工计算应用
1 前言
冬期施工是指根据当地多年气温资料，室外日平均气温连续5d稳定低于5℃时混凝土、钢筋混凝土、预应力混凝土及砌体工程的施工。

冬期施工的工程，应预先做好冬期施工组织计划及准备工作，对各项设施和材料应提前采取防雪、防冻等措施。

冬期施工期间，用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥配制的混凝土，在抗压强度达到设计强度的40%及5MPa前，不得受冻。

混凝土拌合物的出机温度不宜低于10℃，入模温度不得低于5℃。

2 工程概况
贵州省某高速公路某大桥上部构造为22*40m预应力混凝土T型梁，C50混凝土，共264片；某大桥上部构造为6*50m预应力混凝土T型梁，C50混凝土，共84片，采用现场预制方法施工。

工程项目地处贵州省黔东南地区，气候属亚热带湿润季风气候，根据当地气象历史资料，冬季受寒潮影响引起短暂降温，一月份为最冷。

年平均气温13.6～15.4℃，极端最高37.6℃，极端最低-9.5℃。

3 混凝土冬季施工技术要求
3.1 混凝土配制和搅拌的技术要求
（1）、配制混凝土时，宜优先选用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥，水泥的强度等级不宜低于42.5，水灰比不宜大于0.5。

（2）、浇筑混凝土宜掺用引气剂、引气型减水剂等外加剂，以提高混凝土的抗冻性。

（3）、拌制混凝土的各项材料的温度，应满足混凝土拌和物搅拌合成后所需要的温度。

当材料原有温度不能满足需要时，应首先考虑对拌和用水加热，仍不能满足需要时，再考虑对集料加热。

水泥只保温，不得加热。

（4）、冬期搅拌混凝土时，骨料不得带有冰雪和冻结团块。

严格控制混凝土的配合比和坍落度；投料前，应先用热水或蒸汽冲洗搅拌机，投料顺序为骨料、水，搅拌，再加水泥搅拌，时间应较常温时延长50%。

3.2 混凝土运输和浇筑的技术要求
(1)、混凝土的运输时间应尽可能缩短，运输混凝土的容器应有保温措施。

(2)、混凝土在浇筑前应清除模板、钢筋上的冰雪和污垢，成型后开始养护。

(3)、浇筑预应力混凝土构件的湿接缝时，宜采用热混凝土或热水泥砂浆，并应适当降低水灰比。

浇筑完成后应加热或连续保温养护，直至接缝混凝土或水泥砂浆抗压强度达到设计强度的75%。

(4)、预应力混凝土的孔道压浆应在正温下进行。

3.3 混凝土养护的技术要求
混凝土的养护方法，应根据技术经济比较和热工计算确定。

为保证混凝土的拌和温度及出机温度，在施工前应预先通过热工计算，确定其合适的温度。

采用暖棚法加热养护混凝土时，应符合下列规定：
（1）、暖棚应坚固、不透风，靠内墙宜采用非易燃性材料。

（2）、在暖棚中用明火加热时，须特别加强防火、防煤气中毒措施；
（3）、暖棚内气温不得低于5℃。

（4）、暖棚内宜保持一定的湿度，湿度不足时，采用烧水或向混凝土面及模板上洒水。

3.4 模板拆除施工一般规定
（1）、根据与结构同条件养护试件的试验，证明混凝土已达到要求的抗冻强度及拆模强度后，模板方可拆除。

（2）、当混凝土与外界气温相差大于20℃时，拆除模板后混凝土表面应加以覆盖，使其缓慢冷却。

3.5 混凝土施工
（1）、拌合站主要部件采取保温措施，关键部位如电磁阀裹电热毯。

（2）、砂石料斗使用顶篷遮盖，四周围壁，避免冰雪影响。

（3）、砂石料场采用钢结构保温棚，避免砂石料因冰雪冻融结块。

（4）、运输车及装载机注意水箱及机油防冻，运输车放料斗棉被覆盖保温，减少运输中热量损失。

（5）、冬季施工中混凝土工程主要安排在中午气温较高时进行。

（6）、混凝土灌注前，篷布覆盖模型，并加热，保证模板温度达到15℃以上。

（7）、混凝土灌注时，不能一次性揭开篷布，应在灌注过程中逐步揭开下料。

每个下料口下料完成后及时用篷布覆盖保温，再进行下一个下料口操作。

对于桥面的灌注也采用同样的方式。

（8）、混凝土全部灌注完成后，篷布及时盖严。

（9）、冬季养护要严格遵守养护制度，升温速度不能太快，避免温度裂纹出现。

3.6 桥梁管道冬季压浆
（1)、管道压浆前必须在梁体上搭建保温棚，并采取措施保证棚内温度不低于10℃～15℃。

（2)、水泥严禁与其他品种水泥或石灰等混用。

不要露天存放，防止受潮失效。

（3)、施工前，必须按混凝土配合比设计规范进行砂浆(混凝土)的施工配合比设计与试验，以确保混凝土试配强度高于设计标号。

（4）、压浆用水泥浆的配比由试验室根据具体情况试验确定，
（5）、水泥浆温度不宜过高，以10℃～15℃为宜，如温度偏低则不宜拌和与施工，可加适量热水搅拌。

（6）、净浆搅拌顺序如下，首先加入已量好体积的水，开动搅拌机后，加入已称好的减水剂，待溶化后，徐徐投入水泥，搅拌成浆后，通过过滤网放料，待料放净后，再重复下一周期的搅拌。

（7）、拌好的水泥浆须在25 min内压完，否则不能使用，压浆后在0.5h左右拆下喷嘴，在90 min 之内要清洗压浆嘴。

（8）、压浆作业前，要充分作好准备工作，防止操作中断，一旦发生故障超过20 min，要立即排放出拌筒内浆液，并用水冲净搅拌机、灰浆泵等管道中的残存浆液，必须及时处理，防止灰浆凝固于设备内。

3.7 桥梁封端及桥面保护层冬季施工
（1)、采用普通硅酸盐低碱水泥，掺入减水剂增加流动度及适当延长初凝时间的高效减水剂配制的混凝土，抗冻性好，负温强度发展快，干缩量小，不膨胀，氯离子含量远小于预应力混凝土许用限值，耐久性能好，对钢筋无锈蚀，可用于冬季施工。

（2)、砂、石料质量符合有关技术标准，砂石中不得夹有冰块。

（3)、宜采用热水搅拌混凝土，但热水温度不宜超过60℃。

（4）、根据目前原材料情况，施工配合比由试验室根据实际情况试验确定。

（5）、因水泥早期水化热发展极快(70%～80%集中于第1天)，表层脱水严重，内外温差大，极易产生表面收缩裂纹，所以灌注完毕后抹平压光，必须马上用塑料薄膜覆盖于混凝土表面，防止表面脱水开裂。

４热工计算
按照公路施工规范对混凝土的各项要求，确定在不同温度下的最低入模温度，根据确定的入模温度，利用混凝土运输损失计算公式，计算对应环境温度的混凝土拌合物出机温度，之后计算出混凝土拌合物温度。

最后用混凝土拌合物温度计算公式，计算在混凝土原材料所能达到的温度条件下计算混凝土拌合物温度，这时混凝土拌合物温度必须大于通过环境温度计算得出的结果。

否则必须采取保障措施来实现。

混凝土的养护方法，也应根据技术经济比较和热工计算确定。

根据当地气象历史资料，每年一月份温度最低，平均在1～2℃，本工程项目在施工过程中，采集的低温数据基本在这个范围，本文计算取低值，环境温度为1℃。

４.1 混凝土拌合物出机温度计算
混凝土拌合物入模温度
T2= T1-(at+0.032n)(T1-T a)
式中 T1—混凝土拌合物的出机温度（℃）；
t—混凝土自运输至浇筑成型完成的时间（h）；取0.6；
n—混凝土转运次数；取2；
T a—运输时的环境温度（℃）；取1℃；
a—温度损失系数（h m-1）；当用混凝土搅拌运输车时，取0.25；当用开敞式大型自卸车时，取0.2；当用开敞式小型自卸车时，取0.3；当用封闭式自卸车时，取0.1；当用手推车时，取0.5。

按照规范要求混凝土拌合物入模温度T2≥5℃，即
T2=T1-(at+0.032n)(T1-T a)
=T1-(at+0.032n)(T1-T a)
=T1-（0.25*0.6+0.032*2）*（T1-1）
=0.214℃+0.786T1≥5℃
计算得出，要求混凝土拌合物出机温度T1≥6.09℃，按施工要求规范应不低于10℃，所以只要确保混凝土拌合物出机温度按要求不低于10℃，混凝土在运输和浇筑过程中正常施工，混凝土拌合物温度运输损失就比较小，可满足入模温度不小于5℃，符合要求！
４.2 混凝土拌合物温度计算
混凝土拌合物出机温度T1=T0-0.16(T0-T b)
式中 T1—混凝土拌合物的出机温度（℃）；按施工要求规范不低于10℃；
T b—搅拌机棚内温度（℃）；取环境温度1℃；
T0—混凝土拌合物温度（℃）；
T1=T0-0.16(T0-T b)
=T0-0.16(T0-1)
=0.84T0+0.16≥10℃
从上式得出，要求混凝土拌合物温度T0≥11.71℃。

混凝土的拌和温度
T0=[a(W c T c+W s T s+W g T g)+c1T w(W w-P s W s-P g W g)+c1(P s W s T s+P g W g T g)-c2(P s W s+P g W g)]/[c1W w+a(W c+W s+W g)] 式中：a—水泥及骨料的比热（kJ/kg·K），取0.92；
W w—水的用量（Kg）；
W c—水泥的用量（Kg）；
W s—砂的用量（Kg）；
W g—石的用量（Kg）；
T w—水的温度（℃）；
T c—水泥的温度（℃）；
T s—砂的温度（℃）；
T g—石的温度（℃）；
P s—砂的含水率（%）；取2%；
P g—石的含水率（%）；取1%；
c1—水泥的比热（kJ/kg·K）；
c2—水泥的溶解热（℃）；
当骨料温度大于0℃时，c1=4.2，c2=0；
当骨料温度小于或等于0℃时，c1=2.1，c2=335。

根据本项目T梁C50混凝土配合比得出，每立方混凝土原材料数量（Kg）
水泥：水：山砂：碎石：外加剂 = 494:158:773:1025:4.94；
砂石料含水量实测平均为：砂含水量2%，碎石含水量1%，温度与环境温度相同，为1℃；拌合用水通过在水池加温，温度控制在50℃；水泥存放在库房内，温度达8℃；则
T0=[0.92*(494*8+773*1+1025*1)+4.2*50*(158-0.02*773-0.01*1025)+
4.2*(0.02*773*1+0.01*1025*1)-0*(0.02*773+0.01*1025)]/[4.2*158+0.92*(494+773+1025)] =11.97℃≥11.71℃
能满足要求！
４.3 计算中关键温度控制
（1）、规定性温度：按规范要求的混凝土冬期施工各个工序最低温度控制；
（2）、环境类温度：环境温度（砂石料堆放场、混凝土运输过程）、拌和机棚内温度；
（3）、混凝土原材料温度：水泥、水、砂石料，外加剂用量较小，计算中忽略不计。

４.4 混凝土施工操作要点
（1）、与当地气象部门密切联系，做好天气预报，及时有效应对不良气候对施工造成的不利影响；
（2）、环境温度现场监测工作，实时监测记录各个工序温度；
（3）、混凝土运输和浇筑过程必须顺畅，时间控制0.6h内完成；
（4）、拌合用水采用大功率电热管加热，控制水温在50℃以上，但不高于规范要求的60℃；
（5）、各个工序保温措施是保证冬期施工混凝土质量的关键。

５结语
随着公路建设的全面、大力发展，冬期施工渐渐形成规模，进行热工计算是保证水泥混凝土施工质量、指定冬期防护措施的基础工作，是保证冬期水泥混凝土施工的关键环节。

现场施工过程中，及时准确实测各个工序温度，确定各个参数，作好热工计算复核工作，当现场数据发生变化及时进行调整。

通过热工计算，为水泥混凝土冬期施工提供了理论基础数据，确保了施工质量，施工进度计划正常实施。

参考文献
1、公路桥涵施工技术规范（JTJ 041-2000）人民交通出版社 2000
2、路桥施工计算手册人民交通出版社 2001 周水兴等。