定西市陇西县地区桥梁下构砼冬季施工的创新策略与质量控制

Abstract：This study focuses on the technical problems in the winter construction of bridge substructure concrete in Longxi County, Dingxi City, and carries out a more comprehensive analysis of the causes, more clearly defining the factors affecting the winter construction of concrete. The mix proportion of composite gel materials, stage curing temperature control, construction management system, etc., which meet the requirements of concrete strength, are proposed. Through the bridge construction example, the optimization scheme significantly improves the frost resistance and early compressive strength of concrete in winter construction, shortens the curing cycle, and improves the engineering quality. Thus, it provides the whole process quality control technical measures for the winter construction of bridge substructure concrete in Longxi County, Dingxi City.

一、引言

近年来，交通基础设施建设的不断推进，桥梁工程在定西市陇西县地区日益增多，“十四五”期间全县新建桥梁工程多达 40 座，其中三分之二以上的桥梁工程均有在冬季施工。陇西县所处的气候类型为温带大陆性季风气候，其平均海拔达到 2200 米，在冬季的时候，这里会出现极端天气状况，最低气温可达到零下28.3℃，并且在一年之中，平均气温低于 5℃的天数有 135 天，这样的气候条件给桥梁下部结构混凝土的施工造成了十分严峻的挑战。

依靠试验可发现，温度对于水泥材料水化反应速度有着较为直接的影响，当气温低于5℃的时候，混凝土水化反应的速度会明显减缓，其速率会降低至正常情况的 60% 。同时，低温环境容易导致混凝土孔隙溶液结冰，从而造成冻胀，应力集中后破坏混凝土结构。[5]试验发现，冬季混凝土试块在没有采取保温措施的情况下，3 天的抗压强度不满足设计要求，仅为设计值的 30% 左右，并且冻胀后混凝土表面的黏结强度严重不足，仅为设计值的 60% 左右，上述问题严重影响桥梁下构混凝土工程施工质量和使用寿命。本文结合陇西县的地理气候条件开展了相应的技术创新工作，对于今后的实际应用具有较强的指导意义。

二、冬季施工关键技术难点

2.1 多因素耦合的材料性能劣化

2.1.1 温度影响水泥水化反应速度。当气温降到5℃以下时，水泥的硅酸三钙、硅酸二钙等矿物成分的水化反应的动力学参数会有明显的下降。同时孔隙溶液结冰还会产生较强的冻胀应力集中，阻碍了混凝土微观结构的进一步致密化，使孔隙率达到28.6% ，同时同35d 龄期的标准养护条件相比，C40 混凝土的 7d 抗压强度降低至 68% 。

2.1.2 冻融循环影响结构质量。水泥混凝土冻融循环15 次后产生宽度 50 微米的微裂纹。[6]另外，混凝土的动弹性模量降低 28% ，结构破坏严重。

2.1.3 材料适配性影响混凝土性能。传统硅酸盐水泥跟减水剂匹配性不强，减水剂掺入太多的话会造成混凝土流动性的下降，即性能的降低，[2]同时发现，在一定时间段后，减水剂含量大于 1.5% 时混凝土的坍落度会减小并且损失大于 45% ，这都可能是由于减水剂存在一些使性能发生退化作用的物质。

2.2 复杂工艺的适配性瓶颈

2.2.1 热量散发方面。当水泥混凝土运用传统蒸汽养护方式时，其内部与外部的温度差异较为明显，一般处于-7℃至7℃这个区间内，在此情况下，混凝土内部的热量散发呈现出不均匀的态势，使得混凝土局部区域出现温度过高的现象，这种局部过热的状况致使更多微裂纹在过热部位产生，经由实践验证可知，混凝土过热部位所产生的裂纹数量比其他部位的两倍还多。[4]

2.2.2 养护周期方面。在混凝土进行冬季施工且采用常规保温养护方式的情况下，其内部热量散发的速度较为缓慢，混凝土内部的热量大约为2.3W/（㎡·K），这种状况下一般需要超过 21 天的时间，混凝土的强度才可达到设计所规定的值，然而养护时间过长这一情况，会对工程的进度产生影响，并且在无形中增加建设成本。

2.2.3 施工连贯性方面。混凝土在运输期间，会出现坍落度损失较大的情况，最高可达 35% 每小时，坍落度的急剧下降致使泵送系统的输送阻力增加了 60% ，这种状况下很容易出现堵管现象。

三、创新施工技术体系

3.1 复合胶凝优化材料技术。运用正交试验法来确定最优的胶凝材料组合方案，其中主要的胶凝材料选用的是 P・O42.5R 高强度硅酸盐水泥，还添加了占比为 8% 的纳米矿粉，以及占比为 1.2% 的复配防冻型聚羧酸减水剂。[7]纳米矿粉的填充效应使孔隙率降低到 12.4% ；复配减水剂能使水泥颗粒的 Zeta 电位绝对值达到-42.7mV;相变储能材料能够将降温速率延缓 32% ，当温度降至 0^∘C～10^∘C 时，能将潜热有效释放出来。此三元协同作用体系可使混凝土的抗冻性得到进一步提高，在-15℃的温度下，混凝土3d 抗压强度满足临界受冻强度设计要求，达到 25.6MPa 。

3.2 阶段控温优化养护工艺。考虑到混凝土浇筑完成后其内部温度会发生变化，要对养护温度进行动态调整，以此加快混凝土内部热量的散发速度。构建全封闭式智能养护温控体系，阶段动态温控确保养护过程精准调控。[3]各阶段参数控制：

0—12h：升温速率 5% ，目标温度 15℃

12—24h：升温速率 3^∘C/h ，目标温度 25°C

24—36h：恒温养护，维持25±1℃

36h 后：自然冷却至环境温度

在养护工艺得到优化之后，混凝土内部的热扩散呈现出较大加快的态势，其速度达到了 1.8×10^-7 ㎡/s，活化能也降低到了 35kJ/mol 的水平。混凝土抗压强度达到设计值周期缩短，3 天抗压强度是正常养护强度的 2．3 倍，即正常养护组 3 天抗压强度12MPa，而优化养护组3 天抗压强度 27．6MPa。

3.3 智能化施工优化管理系统

3.3.1 构建可实现精确定位的混凝土温度感知网络，利用单总线通信方式组成多点组网，形成网格化布置的温度监测点，最终组成整个混凝土分布式的温度监测阵列，采用寄生电源供电方式，每个传感节点都拥有唯一的64 位ROM 编号，在-55 至 125^∘C 的范围内可实现精准动态的温度检测。[8]

3.3.2 混凝土水泥的强度和湿度以及温度之间存在着紧密的关联，当BP 神经网络结构完成优化后，在湿度与温度二者的映射数量关系预测方面，精度的R²值为 0.967，均方根误差即 RMSE 小于 1.23MPa ，[8]与传统模型相比，预测误差减少了 60% 以上，这可让混凝土水泥养护参数准确无误。

3.3.3 质量预警系统基于多源异构数据融合的混凝土养护质量智能预警系统，运用双阈值分级预警模式，使用精度高达±0.3℃的高精度温度链与 0.1℃的分辨率红外热成像仪进行在线养护质量监测，并基于实时在线养护质量分析结果建立芯表温差动态监测模型。实时判断并预测是否存在异常温差，且对预警对象发出警报（声光报警、短信推送、工单派发），并在发现异常温差后触发三级预警响应，5 分钟内完成对异常工况从发现—定位—处置—闭环反馈的全过程管理，使养护质量合格率达到了 98.7% 。

四、全过程质量控制体系