混凝土蓄熱法施工的溫控方式分析

胡 焜，柳艷杰，宋 冰

（黑龍江大學(xué)建筑工程學(xué)院，哈爾濱150080）

1 溫度對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

冬期施工是指當(dāng)環(huán)境晝夜平均氣溫連續(xù)3d低于5℃或最低氣溫低于－3℃時(shí)混凝土、鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土及砌體工程的施工?；炷涟韬臀餄仓?，凝結(jié)和硬化的強(qiáng)度主要靠水泥水化作用。水化作用的速度在一定濕度條件下，主要取決于溫度，溫度愈高，強(qiáng)度增長(zhǎng)也愈快，反之則慢。當(dāng)溫度降至0℃以下時(shí)，水化作用基本停止，溫度再繼續(xù)降至－2～－4℃，混凝土內(nèi)的水開(kāi)始結(jié)冰，水結(jié)冰后體積增大8%～9%，在混凝土內(nèi)產(chǎn)生冰晶應(yīng)力，使強(qiáng)度很低的水泥石結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，同時(shí)減弱了水泥、砂石和鋼筋之間的黏結(jié)力，從而使混凝土強(qiáng)度降低。受凍的混凝土在解凍后，其強(qiáng)度雖能繼續(xù)增長(zhǎng)，但達(dá)不到原設(shè)計(jì)的強(qiáng)度等級(jí)。試驗(yàn)證明，混凝土遭受凍結(jié)帶來(lái)的危害，與凍結(jié)的時(shí)間早晚、水灰比等有關(guān)，遭凍時(shí)間愈早，水灰比愈大，則強(qiáng)度損失愈多；反之，則損失少［1］。

經(jīng)試驗(yàn)得知，混凝土經(jīng)過(guò)預(yù)先養(yǎng)護(hù)達(dá)到一定強(qiáng)度后遭凍結(jié)其后期抗壓強(qiáng)度損失就會(huì)減少，一般把遭凍結(jié)其后期抗壓強(qiáng)度損失在5%以內(nèi)的預(yù)養(yǎng)強(qiáng)度值定為 “混凝土凍臨界強(qiáng)度”。

2 冬季施工方法

冬季混凝土施工主要是確定混凝土最短的養(yǎng)護(hù)齡期、防止混凝土早期凍害、保證混凝土后期強(qiáng)度和耐久性滿足要求。施工過(guò)程中，根據(jù)施工時(shí)的氣溫情況、工程結(jié)構(gòu)、工期、水泥品種、外加劑、保溫措施、熱源條件等選擇合理的施工方法，用最短的工期、最低的施工費(fèi)用來(lái)獲得最優(yōu)良的工程質(zhì)量［2］。歸納起來(lái)，主要有蓄熱法、模板外層保溫法、摻加防凍劑法等。其中蓄熱法主要用于結(jié)構(gòu)比較厚大的工程。做法是：對(duì)原材料 （水、砂、石）進(jìn)行加熱，使混凝土在攪拌、運(yùn)輸和澆筑以后，還儲(chǔ)備有相當(dāng)?shù)臒崃?，以使水泥水化放熱較快，并加強(qiáng)對(duì)混凝土的保溫，以保證在溫度降到0℃以前使新澆混凝土具有足夠的抗凍能力。此法工藝簡(jiǎn)單，施工費(fèi)用低，但要注意內(nèi)部保溫，避免角部與外露表面受凍，且要延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)齡期。

3 蓄熱法混凝土配合比調(diào)整方法

選用適合冬季施工的混凝土配合比。根據(jù)施工方法、環(huán)境條件適當(dāng)調(diào)整配合比，將骨料帶入的水分及外加劑溶液中的水分從拌和水中扣除。具體做法：①選擇適當(dāng)品種的水泥是提高混凝土抗凍的重要手段［3］。試驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)使用早強(qiáng)硅酸鹽水泥，該水泥水化熱較大，且在早期放出強(qiáng)度最高，一般3d抗壓強(qiáng)度大約相當(dāng)于普通硅酸鹽水泥7d的強(qiáng)度，效果較明顯；②盡量降低水灰比，稍增水泥用量，從而增加水化熱量，縮短達(dá)到齡期強(qiáng)度的時(shí)間；③選擇顆粒硬度高和縫隙少的集料，使其熱膨脹系數(shù)和周圍砂漿膨脹系數(shù)相近。

某閘墩采用C30混凝土，壩區(qū)平均氣溫為3.6℃，全年有5個(gè)月月平均氣溫在0℃以下，最冷的月份平均氣溫為－19.4℃，極端最低氣溫為－38.1℃。

C30閘墩混凝土的施工配合比見(jiàn)表1。

表1 C30混凝土的施工材料用量及特性表Table 1 C30concrete construction content and characteristics table

4 冬季施工技術(shù)溫度分析

4.1 混凝土拌制溫度確定

冬季混凝土攪拌時(shí)間比常溫施工延長(zhǎng)50%，對(duì)摻有外加劑的混凝土攪拌時(shí)間取常溫?cái)嚢钑r(shí)間的1.5倍。最短拌制時(shí)間90s。混凝土拌和物出料溫度≥10℃。

利用拌和前混凝土原材料總熱量與拌和后流態(tài)混凝土總熱量相等的原理，可求得混凝土出機(jī)口溫度：

式中T1為混凝土出機(jī)口溫度，℃；T0為混凝土材料加熱溫度，℃；Ti為混凝土拌和站內(nèi)溫度，℃。

其中T0為混凝土材料加熱溫度，℃；Cs，CG，Cc，Cw分別為砂、石、水泥、水的比熱，kJ／（kg ·℃）；qs，qG分別為砂、石的含水率，%；Ws，WG，Wc，WW分別為1m3混凝土中砂、石、水泥、水的重量，kg；Ts，TG，Tc，TW分別為砂、石、水泥、水的溫度，℃。

混凝土拌和站內(nèi)溫度為－5℃。假定C30混凝土拌和物在拌和過(guò)程中熱量交換達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，即溫度穩(wěn)定時(shí)的溫度為T0，考慮水0℃以下是冰，在冰融化過(guò)程中發(fā)生熵變，即由0℃冰變成0℃水要吸收熱量，反之，要釋放熱量。則C30混凝土拌和物溫度T0＝28.58℃。C30混凝土拌和物出機(jī)溫度T1＝20.2℃，滿足文獻(xiàn)［1］的要求。

4.2 混凝土的運(yùn)輸溫度分析

混凝土運(yùn)輸要快裝快卸，混凝土運(yùn)輸使用混凝土罐車進(jìn)行運(yùn)輸，運(yùn)輸時(shí)對(duì)混凝土罐車用保溫皮革包裹，根據(jù)施工用量和澆筑時(shí)間選擇容量，合理組織裝、運(yùn)、卸，減少混凝土裝卸次數(shù)，防止混凝土熱量散失、表層凍結(jié)、離析、水泥砂漿流失、坍落度變化等。當(dāng)拌制混凝土出現(xiàn)坍落度減小或發(fā)生速凝現(xiàn)象時(shí)，重新調(diào)整拌和料的加熱溫度。正確選擇拌和站的擺放位置，選擇最佳運(yùn)輸路線，縮短運(yùn)輸距離。

混凝土在運(yùn)輸途中，混凝土罐將不停的攪拌，混凝土在攪拌過(guò)程中其溫度不會(huì)有較大的下降，混凝土拌和物經(jīng)運(yùn)輸?shù)綕仓r(shí)的溫度T2可由下式得到：

式中a為溫度損失系數(shù)，當(dāng)用混凝土攪拌車運(yùn)輸時(shí)，a＝0.25；t1為混凝土拌和物自運(yùn)輸?shù)綕仓r(shí)的時(shí)間（h），設(shè)定混凝土運(yùn)輸時(shí)間為30min；n為混凝土拌和物運(yùn)轉(zhuǎn)次數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，混凝士攪拌運(yùn)輸車裝卸2次；Ta為混凝土拌和物運(yùn)輸時(shí)環(huán)境溫度 （℃），設(shè)定為－8℃。

4.3 混凝土的入模溫度分析

一般冬季施工時(shí)混凝土的入模溫度控制在10℃左右，為了能達(dá)到這一要求，需要對(duì)混凝土泵管進(jìn)行保溫處理?；炷帘霉茉诂F(xiàn)場(chǎng)先用阻燃草簾被包裹，再在草簾被外包裹一層塑料布防止水淋濕草簾被而影響保溫效果。

可以推導(dǎo)出混凝土拌和物T0與入模溫度T2、氣溫Ta、運(yùn)輸時(shí)間t1、轉(zhuǎn)運(yùn)次數(shù)n、攪拌棚內(nèi)溫度Ti之間的關(guān)系：

4.4 混凝土成型溫度分析

混凝土的終凝溫度與環(huán)境溫度關(guān)系密切?；炷恋慕K凝時(shí)間也對(duì)混凝土的終凝溫度有一定的影響，澆筑前，對(duì)結(jié)合面進(jìn)行加熱，使結(jié)合面有5℃以上的溫度，對(duì)施工縫1.5m范圍內(nèi)的混凝土和長(zhǎng)度1m范圍內(nèi)的外露鋼筋進(jìn)行防寒保溫，再鋪一層厚15cm與混凝土灰砂比相同而水灰比略小的水泥砂漿，澆筑新層混凝土后重點(diǎn)搗實(shí)。振搗緊插慢拔，保證混凝土的均勻性、密實(shí)性和結(jié)構(gòu)的整體性。

C30混凝土澆筑成型時(shí)的溫度T3為：

式中T3為考慮模板和鋼筋吸熱影響，混凝土成型完成時(shí)的溫度 （℃）；Cc為混凝土的比熱容 （kJ／kg·K），根據(jù)上述計(jì)算Cc為0.97kJ／kg·K；Cf為模板的比熱容（kJ／kg·K），查找資料Cf為0.48kJ／kg·K；Cs為鋼筋的比熱容（kJ／kg· K），查找資料Cs為0.48kJ／kg·K；Mc為混凝土重量（kg／m3），根據(jù)上述計(jì)算Mc為2 326kg； Mf為混凝土相接觸模板的重量 （kg／m3），設(shè)定混凝土相接觸模板的重量Mf為200kg／m3；Ms為混凝土相接觸鋼筋的重量 （kg／m3），設(shè)定混凝土相接觸鋼筋的重量Ms為100kg／m3；Tf、Ts為模板、鋼筋的溫度，未預(yù)熱時(shí)可采用當(dāng)時(shí)的環(huán)境溫度（℃），設(shè)定為0℃。

混凝土初始養(yǎng)護(hù)溫度滿足要求。

4.5 拆模溫度分析

根據(jù)溫度變化，及時(shí)掌握混凝土的拆模時(shí)間。澆筑溫度0～4℃的混凝士凝結(jié)時(shí)間比15℃時(shí)延長(zhǎng)3倍。溫度到0.3～0.5℃時(shí)，混凝土開(kāi)始凍結(jié)，凍結(jié)后水化反應(yīng)基本停止；在－10℃時(shí)，水泥水化反應(yīng)完全停止，混凝土強(qiáng)度不再增長(zhǎng)。采用暖棚法養(yǎng)護(hù)的混凝土，當(dāng)養(yǎng)護(hù)完畢后環(huán)境溫度在0℃以下時(shí)，應(yīng)待混凝土冷卻至5℃以下時(shí)拆模。當(dāng)冬季混凝土拆模強(qiáng)度滿足正常溫度下，且混凝土拆模強(qiáng)度同時(shí)滿足抗凍規(guī)定的正常溫度下，混凝土拆模強(qiáng)度即側(cè)模達(dá)到＞2.5MPa時(shí)，混凝土表面及棱角不因拆模而受傷。結(jié)構(gòu)跨度＞2.0m的蓋板，強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的100%；≤2.0m的蓋板，強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%方可拆模。當(dāng)混凝土與環(huán)境的溫差在10～15℃時(shí)，拆除模板后立即在混凝土表面覆蓋氈布、草袋及彩條布。

4.6 混凝土養(yǎng)護(hù)溫度分析

澆筑完成后，及時(shí)加熱養(yǎng)護(hù)，使混凝土結(jié)合面保持正常溫度，直至新澆混凝土獲得規(guī)定的抗凍強(qiáng)度。低于其抗凍臨界溫度4℃，混凝土通過(guò)采取適當(dāng)保溫措施后其溫度將有一個(gè)回升的過(guò)程。混凝土的終凝溫度是混凝士后期養(yǎng)護(hù)溫度的關(guān)鍵，終凝溫度越高養(yǎng)護(hù)溫度將提高得越快，其強(qiáng)度增長(zhǎng)將越快，到達(dá)臨界強(qiáng)度的時(shí)間將縮短，施工周期相應(yīng)縮短且提高工作效率。

4.7 混凝土放熱溫度分析

混凝土在不同溫度下的放熱速率不同，在相同的時(shí)間間隔內(nèi)，放熱量也不同?？梢杂傻刃g期的概念，根據(jù)在已知溫度下某段時(shí)間內(nèi)的混凝土放熱量，計(jì)算在其他溫度下該時(shí)間段內(nèi)的混凝土放熱量。

由Arrhenius方程［4］，在任意溫度下，單位體積混凝土的放熱速率由下式計(jì)算：

式中h（t，θ）為在θ溫度下t時(shí)刻的單位體積混凝土的放熱速率；Q為單位體積混凝土的最終放熱量；（1－α）為水泥的水化反應(yīng)機(jī)理函數(shù)；α為水泥的水化度。

設(shè)單位體積混凝土在t時(shí)刻，溫度為θ1時(shí)，所放出來(lái)的熱量為ΔQ1，則有：

混凝土的終凝溫度與環(huán)境溫度有很大的關(guān)系，混凝土的終凝時(shí)間也對(duì)混凝土的終凝溫度有一定的影響，混凝土的終凝時(shí)間越長(zhǎng)其溫度將下降越多。在混凝土的澆筑現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)采取加溫、對(duì)其周圍進(jìn)行圍擋避免寒風(fēng)進(jìn)入等措施，使混凝土溫度下降速度減慢，提高混凝土的終凝溫度?；炷猎诮K凝時(shí)的溫度是混凝土在澆筑過(guò)程中的最低溫度，此時(shí)只要保證混凝土的溫度不低于其抗凍臨界溫度4℃，混凝土通過(guò)采取適當(dāng)保溫措施后其溫度將有一個(gè)回升的過(guò)程。C30閘墩混凝土澆筑溫度變化見(jiàn)圖1。

圖1 混凝土放熱溫度Fig.1 Exothermic temperature of concrete

5 結(jié) 論

混凝土的澆筑過(guò)程是控制混凝土溫度的關(guān)鍵過(guò)程，在這一過(guò)程中對(duì)混凝土澆筑要做到合理安排、精心組織，使混凝土在盡可能短的時(shí)間內(nèi)完成澆筑任務(wù)，從而確?；炷翜囟缺M可能的少降低，使混凝土在比較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到臨界強(qiáng)度，從而撤除混凝土的保溫措施降低工程施工成本。當(dāng)然對(duì)于不同的施工區(qū)域及施工環(huán)境、不同的施工方法，混凝土的溫度變化曲線是不一樣的，但是對(duì)于同樣的施工區(qū)域、同樣的施工環(huán)境及施工方法，混凝土的溫度變化曲線是不可能有多大的差別。具體來(lái)說(shuō)要做好以下幾點(diǎn)工作方能達(dá)到我們所預(yù)期的目的。

在冬季混凝土施工中，要嚴(yán)格按照所制定的混凝土施工技術(shù)方案和技術(shù)措施組織施工，特別是在幾種特殊情況下的施工技術(shù)措施。在施工過(guò)程中隨時(shí)掌握天氣變化情況，合理安排混凝土的澆筑時(shí)間，確?；炷恋臏囟葥p失盡可能的小。冬季施工混凝土?xí)r，盡量不讓混凝土受凍，或讓其受凍時(shí)已達(dá)臨界強(qiáng)度值而保證混凝土最終強(qiáng)度不受到損失。

在冬季澆筑混凝土?xí)r，要提前做好各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，從各種材料機(jī)具到人員均要有一個(gè)完整的準(zhǔn)備，只有在各項(xiàng)準(zhǔn)備工作充分以后才能開(kāi)始進(jìn)行冬季混凝士施工。

在冬季進(jìn)行混凝土澆筑施工時(shí)，隨時(shí)掌握混凝土溫度的變化，針對(duì)不同的溫度變化采取切實(shí)可行的防止混凝上溫度降低的措施。

通過(guò)以上分析，在進(jìn)行混凝土的冬季施工時(shí)只要采取適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施，加強(qiáng)對(duì)混凝土幾個(gè)關(guān)鍵溫度的控制，掌握最佳時(shí)機(jī)對(duì)混凝土采取保溫措施，就能夠保證混凝土的冬季施工質(zhì)量。從混凝土溫度曲線中能夠掌握到混凝土溫度變化的規(guī)律，應(yīng)利用這一規(guī)律，來(lái)合理地安排混凝土施工，既要保證施工質(zhì)量，又要降低施工成本提高效益。

［1］JGJ 104－1997，建筑工程冬季施工規(guī)程［S］.

［2］原晉濮.混凝土冬季施工的要點(diǎn) ［J］.山西建筑，2007，（6）：174－175.

［3］劉 江.建筑施工手冊(cè)：第四版 ［K］.北京：建筑工業(yè)出版社，2004.

［4］王甲春，閻培渝.早齡期混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力分析［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，35（9）：15－18.