關(guān)于混凝土冬季施工的原理分析及施工方法

張麗華 唐義新

我國北方地區(qū)冬季持續(xù)時(shí)間較長,由于受工期制約,許多工程的施工工序冬季施工是不可避免的,這就給工程建設(shè)帶來許多困難,特別是對(duì)于混凝土來說,若施工時(shí)處理不當(dāng),即會(huì)產(chǎn)生凍害,造成質(zhì)量事故。因此,對(duì)于混凝土冬季施工理論和方法的探索研究就顯得格外重要。

一、混凝土冬季施工的概念

冬季施工起始日期應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)囟嗄隁鉁刭Y料,在室外日平均氣溫連續(xù)5天穩(wěn)定低于5℃時(shí),或最低氣溫降到0℃和0℃以下時(shí),混凝土結(jié)構(gòu)工程的施工,用常溫方法施工,難以達(dá)到預(yù)期的目的,必須采用特殊的技術(shù)措施進(jìn)行施工方能滿足要求,稱混凝土的冬季施工開始。

二、混凝土冬季施工受凍情況分析

1.原因分析。混凝土強(qiáng)度增長的速度和其最終強(qiáng)度取決于很多因素,其中硬化時(shí)的“溫度”是諸多因素中主要因素之一,在一定范圍內(nèi)溫度越高,其硬化的速度越快,溫度低則硬化慢,當(dāng)溫度降低到0℃以下時(shí),混凝土中的水即結(jié)成冰,水泥的水化作用也停止了,混凝土的強(qiáng)度不會(huì)再增長了。也就是說混凝土的強(qiáng)度來源于其本身的水化作用。而水的形態(tài)變化是影響混凝土強(qiáng)度增長的關(guān)鍵因素。

新澆混凝土中的水,存在形式有三種,一部分是游離水(也稱自由水),它充滿在混凝土各種材料的顆粒孔隙之間;第二部分是物理結(jié)合水,這部分水是吸附在各種顆粒的表面和毛細(xì)管中的薄膜水;第三部分是與水泥顆粒起水化作用的水化水。而在負(fù)溫下混凝土中能結(jié)冰的水,主要是游離水和物理結(jié)合水。

當(dāng)溫度接近0℃時(shí), 混凝土硬化的很慢,當(dāng)溫度達(dá)到0℃時(shí),由于水泥在水化時(shí),產(chǎn)生了一定的水化熱,混凝土中的水還不會(huì)立即結(jié)冰,當(dāng)溫度降低至-1至-1.5℃時(shí),游離水開始結(jié)冰了,當(dāng)溫度接近-4℃時(shí),混凝土中的物理結(jié)合水,也開始結(jié)冰了,當(dāng)溫度低于-4℃時(shí),大量的水結(jié)成冰,使混凝土嚴(yán)重“脫水”,混凝土中水泥的水化作用完全停止,混凝土的強(qiáng)度停止增長。

混凝土在初凝和硬化初期遭受冰凍,不僅是水化作用停止,同時(shí)水變成冰時(shí),其體積增大約9%,使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生了凍脹應(yīng)力,破壞了尚未充分凝結(jié)好的水泥絮狀結(jié)構(gòu)。同時(shí)在骨料及鋼筋表面,以及在與膜板接觸的表面,都會(huì)形成顆料較大的冰凌,這些冰凌一方面會(huì)大大削弱了水泥與骨料及鋼筋的黏結(jié)力,從而降低了混凝土密實(shí)度減小和耐久性降低。這些都會(huì)造成混凝土最終強(qiáng)度的損失,所以混凝土一經(jīng)受凍,則不論其受凍時(shí)間的長短,它的損害程度都幾乎是相同的。

2.混凝土受凍可有的三種情況:第一種是混凝土在初凝前后即遭受凍結(jié)。在這種情況下,混凝土本身尚無強(qiáng)度,水泥水化作用剛剛開始不久,混凝土中的水分大部分處于游離水狀態(tài),如此時(shí)混凝土遭受凍結(jié),大量的游離水因結(jié)冰而體積膨脹較大,混凝土?xí)兊煤芩缮ⅰ＿@種受凍的混凝土雖再經(jīng)正溫下養(yǎng)護(hù)28天,其最終強(qiáng)度會(huì)降低50%以上,其抗凍性、不透水性及耐久性也會(huì)大大的降低,降低的程度主要取決于混凝土內(nèi)部組織的破壞程度。第二種是混凝土在終凝后即遭受凍結(jié),此時(shí)混凝土本身強(qiáng)度還很小,小于水結(jié)冰體積膨脹的松散應(yīng)力,此種受凍結(jié)的混凝土解凍后,雖經(jīng)正溫澆水養(yǎng)護(hù),但仍要部分損失其最終強(qiáng)度。由于此時(shí)混凝土中的水化水多了,游離水少了,所以其凍脹力也相應(yīng)減小了。第三種是混凝土經(jīng)過一定時(shí)間的養(yǎng)護(hù),并已具有“一定的強(qiáng)度”以后再遭受凍結(jié)。此時(shí),混凝土內(nèi)部強(qiáng)度已足以抵抗由于混凝土內(nèi)部剩余的水結(jié)冰而產(chǎn)生的松散力。因此,此種受凍的混凝土經(jīng)正溫澆水養(yǎng)護(hù)后,其最終強(qiáng)度并無損失。這“一定強(qiáng)度”即為混凝土可以受凍的“臨界強(qiáng)度”。

由以上三種情況分析可見,混凝土受凍的“臨界強(qiáng)度”是個(gè)非常重要的概念,它是指新澆的混凝土,在受凍前達(dá)到某一初期強(qiáng)度值,然后遭受凍結(jié),但當(dāng)恢復(fù)正溫養(yǎng)護(hù)后,混凝土強(qiáng)度還能增長,并再經(jīng)28天標(biāo)養(yǎng)后,其后期強(qiáng)度可達(dá)到混凝土設(shè)計(jì)等級(jí)的95%以上。其受凍前的初期強(qiáng)度,我們稱之謂混凝土允許受凍的“臨界強(qiáng)度”。

三、混凝土冬季施工方法的選擇

經(jīng)研究認(rèn)為,當(dāng)環(huán)境溫度降到4℃時(shí),只要采用適當(dāng)?shù)氖┕し椒ê痛胧?設(shè)法使其在凍結(jié)前達(dá)到臨界強(qiáng)度,避免新澆混凝土早期受凍,也會(huì)取得像在天暖施工時(shí)的效果。

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:一是如何確定混凝土最短的養(yǎng)護(hù)齡期,二是如何防止混凝土早期凍害,三是如何保證混凝土后期強(qiáng)度和耐久性滿足要求。

在實(shí)際施工中,要根據(jù)環(huán)境變化、現(xiàn)場(chǎng)條件、工程結(jié)構(gòu)類型、水泥品種、外加劑、保溫材料性能、供熱來源等實(shí)際情況,來選擇合理的施工方法。一般來說,對(duì)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4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:①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。②選擇適當(dāng)品種的水泥是提高混凝土抗凍的重要手段。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天抗壓強(qiáng)度大約相當(dāng)于普通硅水泥7天的強(qiáng)度,效果較明顯。③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%)。④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。⑤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(dòng)性,改善其黏聚性及保水性,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。

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(duì)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(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(duì)混凝土加熱,使混凝土處于正溫條件下能正常硬化。①火爐加熱。一般在較小的工地使用,方法簡(jiǎn)單,但室內(nèi)溫度不高,比較干燥,且放出的二氧化碳會(huì)使新澆混凝土表面碳化,影響質(zhì)量。②蒸氣加熱。用蒸氣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(dòng)條件亦不理想。③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?以提高混凝土的溫度。此法簡(jiǎn)單方便,熱損失較少,易控制,不足之處是電能消耗量大。④紅外線加熱。以高溫電加熱器或氣體紅外線發(fā)生器,對(duì)混凝土進(jìn)行密封幅射加熱。

4.抗凍外加劑。在-10℃以上的氣溫中,對(duì)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。

上述4種冬季施工方法都有利有弊,其適用范圍都受一定條件的制約。應(yīng)根據(jù)施工的實(shí)際條件,采用一種或兩種以上施工方法結(jié)合作用。□(編輯/穆楊)