混凝土冬期施工原理及方法

胡開云

1 混凝土冬季施工的一般原理

混凝土拌和物澆灌后之所以能逐漸凝結(jié)和硬化，直至獲得最終強(qiáng)度，是由于水泥水化作用的結(jié)果。而水泥水化作用的速度除與混凝土本身組成材料和配合比有關(guān)外，主要是隨著溫度的高低而變化的。當(dāng)溫度升高時(shí)，水化作用加快，強(qiáng)度增長也較快;而當(dāng)溫度降低到0℃時(shí)，存在于混凝土中的水有一部分開始結(jié)冰，逐漸由液相(水)變?yōu)楣滔?水)。這時(shí)參與水泥水化作用的水減少了，因此，水化作用減慢，強(qiáng)度增長相應(yīng)較慢。溫度繼續(xù)下降，當(dāng)存在于混凝土中的水完全變成冰，也就是完全由液相變?yōu)楣滔鄷r(shí)，水泥水化作用基本停止，此時(shí)強(qiáng)度就不再增長。水變成冰后，體積約增大9%，同時(shí)產(chǎn)生約2 500 kg/cm2的冰脹應(yīng)力。這個(gè)應(yīng)力值常常大于水泥石內(nèi)部形成的初期強(qiáng)度值，使混凝土受到不同程度的破壞(即旱期受凍破壞)而降低強(qiáng)度。此外，當(dāng)水變成冰后，還會在骨料和鋼筋表面上產(chǎn)生顆粒較大的冰凌，減弱水泥漿與骨料和鋼筋的粘結(jié)力，從而影響混凝土的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)冰凌融化后，又會在混凝土內(nèi)部形成各種各樣的空隙，而降低混凝土的密實(shí)性及耐久性。由此可見，在冬季混凝土施工中，水的形態(tài)變化是影響混凝土強(qiáng)度增長的關(guān)鍵。國內(nèi)外許多學(xué)者對水在混凝土中的形態(tài)進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究結(jié)果表明，新澆混凝土在凍結(jié)前有一段預(yù)養(yǎng)期，可以增加其內(nèi)部液相，減少固相，加速水泥的水化作用。試驗(yàn)研究還表明，混凝土受凍前預(yù)養(yǎng)期愈長，強(qiáng)度損失愈小?；炷粱瘍龊?即處在正常溫度條件下)繼續(xù)養(yǎng)護(hù)，其強(qiáng)度還會增長，不過增長的幅度大小不一。對于預(yù)養(yǎng)期長，獲得初期強(qiáng)度較高(如達(dá)到R28的35%)的混凝土受凍后，后期強(qiáng)度幾乎沒有損失。而對于安全預(yù)養(yǎng)期短，獲得初期強(qiáng)度比較低的混凝土受凍后，后期強(qiáng)度都有不同程度的損失。

由此可見，混凝土凍結(jié)前，要使其在正常溫度下有一段預(yù)養(yǎng)期，以加速水泥的水化作用，使混凝土獲得不遭受凍害的最低強(qiáng)度，一般稱臨界強(qiáng)度，即可達(dá)到預(yù)期效果。對于臨界強(qiáng)度，各國規(guī)定取值不等，我國規(guī)定為不低于設(shè)計(jì)標(biāo)號的30%，也不得低于35 kg/cm2。

2 混凝土冬季施工方法的選擇

從上述分析可以知道，在冬季混凝土施工中，主要解決三個(gè)問題:1)如何確定混凝土最短的養(yǎng)護(hù)齡期;2)如何防止混凝土早期凍害;3)如何保證混凝土后期強(qiáng)度和耐久性滿足要求。在實(shí)際工程中，要根據(jù)施工時(shí)的氣溫情況，工程結(jié)構(gòu)狀況(工程量、結(jié)構(gòu)厚大程度與外露情況)，工期緊迫程度，水泥的品種及價(jià)格，早強(qiáng)劑、減水劑、抗凍劑的性能及價(jià)格，保溫材料的性能及價(jià)格，熱源的條件等，來選擇合理的施工方法。一般來說，對于同一個(gè)工程，可以有若干個(gè)不同的冬季施工方案。一個(gè)理想的方案，應(yīng)當(dāng)用最短的工期、最低的施工費(fèi)用，來獲得最優(yōu)良的工程質(zhì)量，也就是工期、費(fèi)用、質(zhì)量最佳化。目前，基本上采用以下幾種方法:

1)調(diào)整配合比方法。主要適用于在0℃左右的混凝土施工。具體做法:a.選擇適當(dāng)品種的水泥是提高混凝土抗凍性的重要手段。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3 d抗壓強(qiáng)度大約相當(dāng)于普通硅酸鹽水泥7 d的強(qiáng)度，效果較明顯。b.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。c.摻用引氣劑。在保持混凝土配合比不變的情況下，加入引氣劑后生成的氣泡，相應(yīng)增加了水泥漿的體積，提高拌和物的流動性，改善其粘聚性及保水性，緩沖混凝土內(nèi)水結(jié)冰所產(chǎn)生的水壓力，提高混凝土的抗凍性。d.摻加早強(qiáng)外加劑，縮短混凝土的凝結(jié)時(shí)間，提高早期強(qiáng)度。應(yīng)用較普遍的有硫酸鈉(摻用水泥用量的2%)和MS—F復(fù)合早強(qiáng)試水劑(摻水泥用量的5%)。e.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。

2)蓄熱法。主要用于氣溫－10℃左右，結(jié)構(gòu)比較厚大的工程。做法是:對原材料(水、砂、石)進(jìn)行加熱，使混凝土在攪拌、運(yùn)輸和澆灌以后，還儲備有相當(dāng)?shù)臒崃?，以使水泥水化放熱較快，并加強(qiáng)對混凝土的保溫，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。此法工藝簡單，施工費(fèi)用不多，但要注意內(nèi)部保溫，避免角部與外露表面受凍，且要延長養(yǎng)護(hù)齡期。

3)外部加熱法。主要用于氣溫－10℃以上，而構(gòu)件并不厚大的工程。通過加熱混凝土構(gòu)件周圍的空氣，將熱量傳給混凝土，或直接對混凝土加熱，使混凝土處于正溫條件下能正常硬化。a.火爐加熱。一般在較小的工地使用，方法簡單，但室內(nèi)溫度不高，比較干燥，且放出的二氧化碳會使新澆混凝土表面碳化，影響質(zhì)量。b.蒸汽加熱。用蒸汽使混凝土在濕熱條件下硬化。此法較易控制，加熱溫度均勻。但因其需專門的鍋爐設(shè)備，費(fèi)用較高。且熱損失較大，勞動條件亦不理想。c.電加熱。將鋼筋作為電極，或?qū)㈦姛崞髻N在混凝土表面，使電能變?yōu)闊崮埽蕴岣呋炷恋臏囟?。此法簡單方便，熱損失較少，易控制，不足之處是電能消耗量大。d.紅外線加熱。以高溫電加熱器或氣體紅外線發(fā)生器，對混凝土進(jìn)行密封輻射加熱。

4)抗凍外加劑。在－10℃以上的氣溫中，對混凝土拌和物摻加一種能降低水的冰點(diǎn)的化學(xué)劑，使混凝土在負(fù)溫下仍處于液相狀態(tài)，水化作用能繼續(xù)進(jìn)行，從而使混凝土強(qiáng)度繼續(xù)增長。目前常用的有氧化鈣、氯化鈉等單抗凍劑及亞硝酸鈉加氯化鈉復(fù)合抗凍劑。

3 混凝土冬季施工注意事項(xiàng)

3.1 基本要求

1)冬季施工的混凝土宜選用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，水泥標(biāo)號不宜低于32.5，每立方米混凝土中的水泥用量不宜少于300 kg，水灰比不應(yīng)大于0.6，并加入早強(qiáng)劑，必要時(shí)應(yīng)加入防凍劑(根據(jù)氣溫情況確定)。

2)為減少凍害，應(yīng)將配合比中的用水量降至最低限度，辦法是:控制坍落度，加入減水劑，優(yōu)先選用高效減水劑。

3)模板和保溫層，應(yīng)在混凝土冷卻到5℃后方可拆除，當(dāng)混凝土與外界溫差大于20℃時(shí)，拆模后的混凝土表面，應(yīng)臨時(shí)覆蓋，使其緩慢冷卻。

4)未冷卻的混凝土有較高的脆性，所以結(jié)構(gòu)在冷卻前不得遭受沖擊荷載或動力荷載的作用。

3.2 混凝土的拌制

1)拌制混凝土用的骨料必須清潔，不得含有冰雪和凍塊，以及易凍裂的物質(zhì)，在摻有含鉀、鈉離子的外加劑時(shí)，不得使用活性骨料，在有條件的時(shí)候，砂石篩洗應(yīng)搶在零上溫度時(shí)做，并用塑料紙，油布蓋好。2)拌制摻外加劑的混凝土?xí)r，如外加劑為粉劑，可按要求摻量直接撒在水泥上面和水泥同時(shí)投入，如外加劑為液體，使用時(shí)應(yīng)先配制成規(guī)定濃度溶液，然后根據(jù)使用要求，用規(guī)定濃度溶液配制成施工溶液，各溶液要分別置于有明顯標(biāo)志的容器中，不得混淆，每班使用的外加劑溶液應(yīng)一次配成。3)當(dāng)施工期處于0℃左右時(shí)，可在混凝土中添加早強(qiáng)劑，摻量應(yīng)符合使用要求及規(guī)范規(guī)定，且應(yīng)注意在添加前做好模擬試驗(yàn)，以核實(shí)有關(guān)技術(shù)措施;對于有限期拆模要求的混凝土，還應(yīng)適當(dāng)提高混凝土設(shè)計(jì)等級。4)混凝土中添加防凍劑時(shí)，嚴(yán)禁使用高鋁水泥。5)嚴(yán)格控制混凝土水灰比，由骨料帶入的水分及外加劑溶液中的水分均應(yīng)從拌合水中扣除。6)攪拌摻有外加劑混凝土?xí)r，攪拌時(shí)間應(yīng)取常溫?cái)嚢钑r(shí)間的1.5倍。7)混凝土拌和物的出機(jī)溫度不宜低于10℃，入模溫度不得低于5℃。

3.3 混凝土的運(yùn)輸和澆筑

1)混凝土攪拌場地應(yīng)盡量靠近施工地點(diǎn)，以減少材料運(yùn)輸過程中的熱量損失，同時(shí)也應(yīng)正確選擇運(yùn)輸用的容器(包括形狀，大小，保溫措施)。2)混凝土澆筑前，應(yīng)清除模板和鋼筋上，特別是新老混凝土(如梁，柱交接處)交接處的冰雪及垃圾。3)當(dāng)采用商品混凝土?xí)r，在澆筑前，應(yīng)了解商品混凝土中摻入抗凍劑的性能，并做好相應(yīng)的防凍保暖措施。4)分層澆筑混凝土?xí)r，已澆筑層在未被上一層的混凝土覆蓋前，不應(yīng)低于計(jì)算規(guī)定的溫度也不得低于2℃。5)重點(diǎn)工程或上部結(jié)構(gòu)要連續(xù)施工的工程，混凝土應(yīng)采取措施，以保證預(yù)期所要達(dá)到的強(qiáng)度。6)預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件在進(jìn)行孔道和立縫的灌漿前，澆灌部位的混凝土必須經(jīng)預(yù)熱，并采用熱的水泥漿，砂漿或混凝土，澆灌后在正溫下養(yǎng)護(hù)到強(qiáng)度不低于15 MPa。7)現(xiàn)場應(yīng)留設(shè)同條件養(yǎng)護(hù)的混凝土試塊作為拆模依據(jù)。

3.4 混凝土的養(yǎng)護(hù)

1)冬季澆筑的混凝土，由正溫轉(zhuǎn)入負(fù)溫養(yǎng)護(hù)前，混凝土的抗壓強(qiáng)度不應(yīng)低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度的40%，對于C10以下的混凝土不得小于5 MPa。2)采用的保溫材料(草袋，麻袋)，應(yīng)保持干燥。3)在模板外部保溫時(shí)，除基礎(chǔ)可隨澆筑隨保溫外，其他結(jié)構(gòu)必須在設(shè)置保溫材料后方可澆筑混凝土，鋼模表面可先掛草簾，麻袋等保溫材料并扎牢，然后再澆筑混凝土。4)保溫材料不宜直接覆蓋在剛澆筑完畢的混凝土層上，可先覆蓋塑料薄膜，上部再覆草袋，麻袋等保溫材料，保溫材料的鋪設(shè)厚度為:一般情況下0℃以上鋪一層;0℃以下鋪兩層或三層;大體積混凝土澆筑及二次抹面壓實(shí)后應(yīng)立即覆蓋保溫，其保溫層厚度，材質(zhì)應(yīng)根據(jù)計(jì)算確定。5)拆模后的混凝土也應(yīng)及時(shí)覆蓋保溫材料，以防混凝土表面溫度的驟降而產(chǎn)生裂縫。

4 結(jié)語

冬期是混凝土工程質(zhì)量事故的多發(fā)季節(jié)，而且有明顯的滯后性，即冬期澆筑的混凝土出現(xiàn)質(zhì)量問題時(shí)，多在春融或后期呈現(xiàn)。由于事故發(fā)現(xiàn)較晚，所以處理難度較大。冬期混凝土施工關(guān)鍵是控制混凝土的裂縫。裂縫危害性很大，這些裂縫破壞了結(jié)構(gòu)的整體性，改變了設(shè)計(jì)安排的應(yīng)力分布圖形及混凝土的受力條件，從而有使局部甚至整體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的可能，即使是一般的表面裂縫對混凝土的耐久性也是有損害的，出現(xiàn)裂縫的結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力迭加，對整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，在運(yùn)行階段具有不可忽視的影響，所以控制裂縫的產(chǎn)生，運(yùn)用正確合理的施工措施，對于冬期混凝土施工具有深遠(yuǎn)影響。

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