低溫環(huán)境對混凝土強(qiáng)度影響試驗(yàn)研究

張偉康（邯鄲金隅太行水泥有限責(zé)任公司，河北 邯鄲 056200）

0 前言

我國北方大部分地區(qū)進(jìn)入冬期時(shí)間較早且持續(xù)時(shí)間長，為使建筑工程盡早完工使用，經(jīng)常需在冬期進(jìn)行施工建設(shè)，但混凝土結(jié)構(gòu)在冬期施工中容易出現(xiàn)強(qiáng)度不足、裂縫過多等質(zhì)量隱患，進(jìn)而影響建筑物的安全性及耐久性。建筑工程冬期施工規(guī)范中規(guī)定，當(dāng)室外日平均氣溫連續(xù)5天穩(wěn)定低于5℃，即進(jìn)入冬期施工，且明確規(guī)定，凡進(jìn)行冬期施工的工程項(xiàng)目，需編制冬期施工專項(xiàng)方案。目前混凝土冬期施工中，為了防止混凝土早期凝固時(shí)被凍壞，保證其后期強(qiáng)度，一般需要在施工和養(yǎng)護(hù)階段采取一些措施，例如加熱原材料、采用特殊養(yǎng)護(hù)方式以及摻加外加劑等，但這些措施不僅會增加施工難度，延緩施工進(jìn)度，同時(shí)會改變混凝土的一些性能，影響工程質(zhì)量。

商混公司冬季適配時(shí)，主要檢測防凍劑的性能，如適應(yīng)性、抗壓強(qiáng)度比等，為了保證混凝土強(qiáng)度一般會提高水泥用量，而冬季施工時(shí)也主要控制混凝土的出廠和入模的溫度，等工地驗(yàn)收時(shí)才檢測實(shí)體強(qiáng)度，沒有對低溫環(huán)境下混凝土強(qiáng)度的增長趨勢或不同溫度對混凝土強(qiáng)度增長的影響進(jìn)行過系統(tǒng)的試驗(yàn)。本文主要研究低溫環(huán)境混凝土強(qiáng)度的增長趨勢及不同溫度環(huán)境對混凝土強(qiáng)度的影響。

1 試驗(yàn)用原材料

試驗(yàn)用原材料：水泥（成安粉磨站P·O42.5）；礦渣粉（邯鄲建材）；粉煤灰、天然砂、人工砂、碎石（成安商砼）；-10℃防凍外加劑（金隅科技）。其中，人工砂、天然砂篩析結(jié)果見表1，碎石篩析結(jié)果見表2。

表1 人工砂、天然砂、中砂篩析結(jié)果

表2 成安碎石篩析結(jié)果

2 試驗(yàn)方案

（1）試驗(yàn)用原材料均為成安攪拌站生產(chǎn)用料，外加劑均為-10℃，防凍外加劑試驗(yàn)配合比見表3。

表3 混凝土配合比

（2）溫度跨度：5℃ 0℃ -5℃ -10℃、-15℃

（3）養(yǎng)護(hù)方式：低溫養(yǎng)護(hù)、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、同條件養(yǎng)護(hù)。根據(jù)混凝土度時(shí)積理論，當(dāng)混凝土的原材料、組成比例為已知時(shí)，其強(qiáng)度的增長主要由溫度與時(shí)間決定的，所以，通過相同的養(yǎng)護(hù)時(shí)間對比不同溫度跨度混凝土強(qiáng)度增長趨勢。

低溫養(yǎng)護(hù)：保證出機(jī)溫度在13℃，測量坍落度后入模成型，在20±3℃環(huán)境中預(yù)養(yǎng)6 h后覆膜放入低溫養(yǎng)護(hù)箱，低溫養(yǎng)護(hù)箱在3～4 h達(dá)到指定溫度；在低溫環(huán)境中養(yǎng)護(hù)7 d后取出并在20±3℃解凍24 h，解凍后進(jìn)行脫模、破型試驗(yàn)或放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室。

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)：保證出機(jī)溫度在13℃，測量坍落度后入模成型，在20±3℃環(huán)境中預(yù)養(yǎng)24h后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室直至到達(dá)規(guī)定齡期后取出破型。

同條件養(yǎng)護(hù)：保證出機(jī)溫度在13℃，測量坍落度后入模成型，直接放在戶外進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，并每天記錄溫度直至到達(dá)規(guī)定齡期后取出破型。

（4）同條件養(yǎng)護(hù)日平均溫度在-4～6.5℃。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

3.1 不同環(huán)境混凝土強(qiáng)度數(shù)據(jù)分析

不同環(huán)境混凝土抗壓強(qiáng)度見表4，抗壓強(qiáng)度分析見圖1。

圖1 混凝土抗壓強(qiáng)度分析

表4 不同環(huán)境混凝土抗壓強(qiáng)度

由上述圖表可看出，在相同養(yǎng)護(hù)齡期下，同條件養(yǎng)護(hù)的試塊強(qiáng)度最低，7 d強(qiáng)度為14.2 MPa，為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)混凝土7 d強(qiáng)度的46.9%，56 d強(qiáng)度只有39.1 MPa，為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)混凝土56 d強(qiáng)度的76.5%。在養(yǎng)護(hù)初期沒有做預(yù)養(yǎng)處理而是直接放入室外，而室外的濕度也較低，導(dǎo)致出現(xiàn)直接受凍現(xiàn)象，早期強(qiáng)度約損失50%以上，后期強(qiáng)度約損失25%；標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件的抗壓強(qiáng)度7 d時(shí)最高，說明混凝土早期的強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)溫度成正比，溫度越高早期強(qiáng)度越高，另一方面，經(jīng)過6 h預(yù)養(yǎng)處理后的混凝土隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加與負(fù)溫養(yǎng)護(hù)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，5℃至-15℃試塊抗壓強(qiáng)度均高于同條件環(huán)境的混凝土強(qiáng)度，當(dāng)齡期到達(dá)28 d時(shí)，只有同條件養(yǎng)護(hù)與-15℃的試塊抗壓強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試塊抗壓強(qiáng)度，56 d齡期同條件養(yǎng)護(hù)與-15℃的試塊抗壓強(qiáng)度依然低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試塊抗壓強(qiáng)度，原因應(yīng)是所用防凍劑的規(guī)格為-10℃，而-15℃的混凝土試塊在負(fù)溫養(yǎng)護(hù)期間已經(jīng)將混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞，雖然強(qiáng)度仍有持續(xù)增長，但相比其他環(huán)境溫度試塊有較大差距。

根據(jù)不同養(yǎng)護(hù)條件，以每天平均氣溫累加得出養(yǎng)護(hù)累計(jì)溫度，見表5。

表5 混凝土養(yǎng)護(hù)累計(jì)溫度 ℃

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)：20℃預(yù)養(yǎng)1 d，放入20℃標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，按齡期累加；同條件養(yǎng)護(hù)：無預(yù)養(yǎng)，根據(jù)同條件溫度記錄，算出每天平均溫度，按齡期累加；負(fù)溫養(yǎng)護(hù)：20℃預(yù)養(yǎng)6 h為5℃，放入規(guī)定低溫養(yǎng)護(hù)，20℃解凍1 d，按齡期累加。

由上述數(shù)據(jù)可看出7 d、14 d的強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)累計(jì)溫度有很強(qiáng)的對應(yīng)關(guān)系，隨著齡期增加，后期強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)累計(jì)溫度對應(yīng)關(guān)系逐漸減少，但總體趨勢依然是相同齡期內(nèi)，養(yǎng)護(hù)累計(jì)溫度可大致判斷混凝土強(qiáng)度高低。

根據(jù)上述分析，混凝土在低溫環(huán)境下，在不摻入防凍劑及防凍型外加劑，不采取足夠的保溫措施，無法保證受凍前達(dá)到抗凍臨界強(qiáng)度，對混凝土強(qiáng)度損失很大；當(dāng)保證了混凝土受凍前達(dá)到了臨界強(qiáng)度，就算混凝土受凍，解凍之后仍可保持強(qiáng)度快速增長。

3.2 不同環(huán)境混凝土強(qiáng)度增長率數(shù)據(jù)分析

不同環(huán)境混凝土強(qiáng)度增長率見表6，分析圖見圖2～5。

圖2 混凝土抗壓強(qiáng)度0～7 d強(qiáng)度增長率(MPa/d)

圖3 混凝土抗壓強(qiáng)度7～14 d強(qiáng)度增長率(MPa/d)

圖4 14～28 d混凝土抗壓強(qiáng)度增長速率（MPa/d）

圖5 28～56 d混凝土抗壓強(qiáng)度增長速率（MPa/d）

表6 不同環(huán)境混凝土抗壓強(qiáng)度增長率 MPa/d

由圖2可看出，不同環(huán)境混凝土試塊0～7 d抗壓強(qiáng)度增長率有較大差異，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下試塊強(qiáng)度增長率最高，達(dá)到4.3 MPa/d，而在-15℃環(huán)境下的混凝土試塊強(qiáng)度增長率僅為0.7 MPa/d，同條件環(huán)境下的試塊強(qiáng)度增長率為2.0 MPa/d，低于-5℃環(huán)境下的試塊強(qiáng)度增長率。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，溫度與濕度均為最佳，早期的強(qiáng)度增長很快；同條件環(huán)境下，戶外的溫度濕度相對較差，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度增長緩慢；在5℃至-15℃環(huán)境下的混凝土因有6 h預(yù)養(yǎng)時(shí)間并加入防凍劑，使混凝土在放入低溫試驗(yàn)箱前達(dá)到初凝，可以有效的防止混凝土受凍情況，但隨著溫度不斷降低，在-10℃以下后，早期強(qiáng)度增長率大幅下降。

隨著試塊齡期增加，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境混凝土試塊強(qiáng)度增長率明顯降低，前期的高增長率導(dǎo)致現(xiàn)在趨于平緩；在5℃至-15℃環(huán)境下的混凝土經(jīng)過解凍放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境，強(qiáng)度增長仍然較高，其中-10℃以下環(huán)境的混凝土強(qiáng)度增長速率漲幅最大，因?yàn)樗梅纼鰟┮?guī)格為-10℃，5℃至-5℃環(huán)境下其早期強(qiáng)度可繼續(xù)增長，而-10℃以下則有受凍影響，水泥水化基本停止，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒有受到太大影響，進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境后，水泥水化作用開始發(fā)揮，強(qiáng)度增長率隨之增加，同條件環(huán)境試塊強(qiáng)度略有下降。

由圖4可以看出，14～28 d齡期的各個環(huán)境混凝土抗壓強(qiáng)度增長率明顯趨于緩慢，水泥水化速率減慢；-10℃以下的試塊由于水化開始時(shí)間較晚，在這個齡期中強(qiáng)度增長較其他環(huán)境試塊強(qiáng)度略高。

28～56 d齡期期的各個環(huán)境混凝土抗壓強(qiáng)度增長率明顯趨于平穩(wěn)，增長率基本相同；水泥水化到達(dá)后期，強(qiáng)度增長已開始逐漸平穩(wěn)，強(qiáng)度增長率與所處環(huán)境的影響基本無關(guān)。

經(jīng)上述分析可以得出，在不同環(huán)境溫度下，混凝土早期強(qiáng)度的增長率受其影響很大，在同樣有防凍劑與6 h預(yù)養(yǎng)的混凝土中，-10℃以上的試塊強(qiáng)度在低溫試驗(yàn)箱中仍可以增加，當(dāng)溫度達(dá)到-10℃以下，試塊強(qiáng)度在低溫試驗(yàn)箱中增長率很低，可以看作試塊已受凍。隨著齡期增加，試塊從低溫試驗(yàn)箱經(jīng)過解凍放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境后，-10℃以下混凝土試塊強(qiáng)度增長率大幅增長，未受凍試塊強(qiáng)度增長率逐步下降，齡期到達(dá)28～56 d后，各個環(huán)境下的混凝土強(qiáng)度增長率趨于平穩(wěn)且基本相同，與養(yǎng)護(hù)環(huán)境基本無關(guān)。

3.3 原理分析

混凝土預(yù)養(yǎng)時(shí)間與混凝土中液相水量、內(nèi)部結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，添加防凍劑也是降低混凝土中液相水量受凍溫度，影響混凝土早期受凍。如果混凝土不加入防凍劑、預(yù)養(yǎng)時(shí)間較短或者不經(jīng)過預(yù)養(yǎng)直接放入低溫環(huán)境，混凝土很大可能直接受凍，導(dǎo)致水泥水化程度較小，混凝土內(nèi)部液相水量無法減少，在低溫環(huán)境下混凝土內(nèi)可凍結(jié)水量就會增加。

混凝土成型后，如果立即放入低溫試驗(yàn)箱內(nèi)，試塊不經(jīng)過6 h預(yù)養(yǎng)，由于水泥水化處于開始階段，在混凝土初凝之前，混凝土仍保持塑性狀態(tài)，這時(shí)受凍損害不了混凝土本身的物理性能；但是，混凝土初凝后，在低溫環(huán)境下，混凝土內(nèi)部降溫較快，一方面水分子由于溫度活性降低，水泥水化反應(yīng)速度減慢，使得混凝土強(qiáng)度增長緩慢；另一方面，當(dāng)溫度降低到水的冰點(diǎn)以下，這時(shí)混凝土內(nèi)部水分開始結(jié)冰無法遷移，會在混凝土內(nèi)部形成較大的冰晶，造成混凝土局部應(yīng)力變大、變形，而此時(shí)混凝土結(jié)構(gòu)還未形成，必然造成微型裂縫的產(chǎn)生，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度的損失，根據(jù)上述數(shù)據(jù)，尤其在混凝土的早期強(qiáng)度尤其明顯。

4 試驗(yàn)總結(jié)

（1）混凝土加入防凍劑并在相同養(yǎng)護(hù)齡期下，在成型后沒有預(yù)養(yǎng)直接放入戶外的同條件試塊，各個齡期強(qiáng)度約為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境試塊65%～25%，強(qiáng)度增長率平穩(wěn)緩慢，14 d的抗壓強(qiáng)度已低于-15℃的混凝土強(qiáng)度。

（2）混凝土加入防凍劑并在相同養(yǎng)護(hù)齡期下，在成型后在在20±3℃環(huán)境中預(yù)養(yǎng)6 h后放入低溫養(yǎng)護(hù)箱的低溫養(yǎng)護(hù)試塊，在-10℃以上環(huán)境養(yǎng)護(hù)的混凝土，除低溫養(yǎng)護(hù)7 d強(qiáng)度較低，恢復(fù)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境后，強(qiáng)度大幅增加，較同條件養(yǎng)護(hù)混凝土強(qiáng)度要高，當(dāng)養(yǎng)護(hù)環(huán)境溫度低于-10℃防凍劑要求后，隨著強(qiáng)度增長，但后期強(qiáng)度低于試驗(yàn)各環(huán)境的混凝土強(qiáng)度。

所以，為防止混凝土早期凍結(jié)破壞，混凝土中防凍劑與預(yù)養(yǎng)措施都起著重要作用，原理都是讓混凝土在受凍前達(dá)到臨界強(qiáng)度，保證混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整以及環(huán)境溫度高于防凍劑規(guī)定溫度，可以使解凍后的混凝土仍有較好的強(qiáng)度增長。