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和硬化，直至獲得最終強度，是由于水泥水化作用的結果。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外，主要是隨著溫度的高低而變化的。當溫度升高時，水化作用加快，強度增長也較快;而當溫度降低到0℃時，存在于混凝土中的水有一部分開始結冰，逐漸由液相(水)變為固相(水)。這時參與水泥水化作用的水減少了，因此，水化作用減慢，強度增長相應較慢。溫度繼續下降，當存在于混凝土中的水完全變成冰，也就是完全由液相變為固相時，水泥水化作用基本停止，此時強度就不再增長。水變成冰后，體積約增大9%，同時產生約2 500 kg/cm2的冰脹應力。這個應力值常常大于水泥石內部形成的初期強度值，使混凝土受到不同程度的破壞(即旱期受凍破壞)而降低強度。此外，當水變成冰后，還會在骨料和鋼筋表面上產生顆粒較大的冰凌，減弱水泥漿與骨料和鋼筋的粘結力，從而影響混凝土的抗壓強度。當冰凌融化后，又會在混凝土內部形成各種各樣的空隙，而降低混凝土的密實性及耐久性。由此可見，在冬季混凝土施工中，水的形態變化是影響混凝土強度增長的關鍵。國內外許多學者對水在混凝土中的形態進行大量的試驗研究結果表明，新澆混凝土在凍結前有一段預養期，可以增加其內部液相，減少固相，加速水泥的水化作用。試驗研究還表明，混凝土受凍前預養期愈長，強度損失愈小。混凝土化凍后(即處在正常溫度條件下)繼續養護，其強度還會增長，不過增長的幅度大小不一。對于預養期長，獲得初期強度較高(如達到R28的35%)的混凝土受凍后，后期強度幾乎沒有損失。而對于安全預養期短，獲得初期強度比較低的混凝土受凍后，后期強度都有不同程度的損失。

由此可見，混凝土凍結前，要使其在正常溫度下有一段預養期，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度，一般稱臨界強度，即可達到預期效果。對于臨界強度，各國規定取值不等，我國規定為不低于設計標號的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，主要解決三個問題:1)如何確定混凝土最短的養護齡期;2)如何防止混凝土早期凍害;3)如何保證混凝土后期強度和耐久性滿足要求。在實際工程中，要根據施工時的氣溫情況，工程結構狀況(工程量、結構厚大程度與外露情況)，工期緊迫程度，水泥的品種及價格，早強劑、減水劑、抗凍劑的性能及價格，保溫材料的性能及價格，熱源的條件等，來選擇合理的施工方法。一般來說，對于同一個工程，可以有若干個不同的冬季施工方案。一個理想的方案，應當用最短的工期、最低的施工費用，來獲得最優良的工程質量，也就是工期、費用、質量最佳化。目前，基本上采用以下幾種方法:

1)調整配合比方法。主要適用于在0℃左右的混凝土施工。具體做法:a.選擇適當品種的水泥是提高混凝土抗凍性的重要手段。試驗結果表明，應使用早強硅酸鹽水泥。該水泥水化熱較大，且在早期放出強度最高，一般3 d抗壓強度大約相當于普通硅酸鹽水泥7 d的強度，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，縮短達到齡期強度的時間。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，緩沖混凝土內水結冰所產生的水壓力，提高混凝土的抗凍性。d.摻加早強外加劑，縮短混凝土的凝結時間，提高早期強度。應用較普遍的有硫酸鈉(摻用水泥用量的2%)和MS—F復合早強試水劑(摻水泥用量的5%)。e.選擇顆粒硬度高和縫隙少的集料，使其熱膨脹系數和周圍砂漿膨脹系數相近。

2)蓄熱法。主要用于氣溫－10℃左右，結構比較厚大的工程。做法是:對原材料(水、砂、石)進行加熱，使混凝土在攪拌、運輸和澆灌以后，還儲備有相當的熱量，以使水泥水化放熱較快，并加強對混凝土的保溫，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，施工費用不多，但要注意內部保溫，避免角部與外露表面受凍，且要延長養護齡期。

3)外部加熱法。主要用于氣溫－10℃以上，而構件并不厚大的工程。通過加熱混凝土構件周圍的空氣，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備，費用較高。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，或將電熱器貼在混凝土表面，使電能變為熱能，以提高混凝土的溫度。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生器，對混凝土進行密封輻射加熱。

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的化學劑，使混凝土在負溫下仍處于液相狀態，水化作用能繼續進行，從而使混凝土強度繼續增長。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合抗凍劑。

3 混凝土冬季施工注意事項

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，水灰比不應大于0.6，并加入早強劑，必要時應加入防凍劑(根據氣溫情況確定)。

2)為減少凍害，應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，優先選用高效減水劑。

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

4)未冷卻的混凝土有較高的脆性，所以結構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，在摻有含鉀、鈉離子的外加劑時，不得使用活性骨料，在有條件的時候，砂石篩洗應搶在零上溫度時做，并用塑料紙，油布蓋好。2)拌制摻外加劑的混凝土時，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投入，如外加劑為液體，使用時應先配制成規定濃度溶液，然后根據使用要求，用規定濃度溶液配制成施工溶液，各溶液要分別置于有明顯標志的容器中，不得混淆，每班使用的外加劑溶液應一次配成。3)當施工期處于0℃左右時，可在混凝土中添加早強劑，摻量應符合使用要求及規范規定，且應注意在添加前做好模擬試驗，以核實有關技術措施;對于有限期拆模要求的混凝土，還應適當提高混凝土設計等級。4)混凝土中添加防凍劑時，嚴禁使用高鋁水泥。5)嚴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從拌合水中扣除。6)攪拌摻有外加劑混凝土時，攪拌時間應取常溫攪拌時間的1.5倍。7)混凝土拌和物的出機溫度不宜低于10℃，入模溫度不得低于5℃。

3.3 混凝土的運輸和澆筑

1)混凝土攪拌場地應盡量靠近施工地點，以減少材料運輸過程中的熱量損失，同時也應正確選擇運輸用的容器(包括形狀，大小，保溫措施)。2)混凝土澆筑前，應清除模板和鋼筋上，特別是新老混凝土(如梁，柱交接處)交接處的冰雪及垃圾。3)當采用商品混凝土時，在澆筑前，應了解商品混凝土中摻入抗凍劑的性能，并做好相應的防凍保暖措施。4)分層澆筑混凝土時，已澆筑層在未被上一層的混凝土覆蓋前，不應低于計算規定的溫度也不得低于2℃。5)重點工程或上部結構要連續施工的工程，混凝土應采取措施，以保證預期所要達到的強度。6)預應力混凝土構件在進行孔道和立縫的灌漿前，澆灌部位的混凝土必須經預熱，并采用熱的水泥漿，砂漿或混凝土，澆灌后在正溫下養護到強度不低于15 MPa。7)現場應留設同條件養護的混凝土試塊作為拆模依據。

3.4 混凝土的養護

1)冬季澆筑的混凝土，由正溫轉入負溫養護前，混凝土的抗壓強度不應低于設計強度的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)，應保持干燥。3)在模板外部保溫時，除基礎可隨澆筑隨保溫外，其他結構必須在設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后應立即覆蓋保溫，其保溫層厚度，材質應根據計算確定。5)拆模后的混凝土也應及時覆蓋保溫材料，以防混凝土表面溫度的驟降而產生裂縫。

4 結語

冬期是混凝土工程質量事故的多發季節，而且有明顯的滯后性，即冬期澆筑的混凝土出現質量問題時，多在春融或后期呈現。由于事故發現較晚，所以處理難度較大。冬期混凝土施工關鍵是控制混凝土的裂縫。裂縫危害性很大，這些裂縫破壞了結構的整體性，改變了設計安排的應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構發生破壞的可能，即使是一般的表面裂縫對混凝土的耐久性也是有損害的，出現裂縫的結構溫度應力迭加，對整體結構的應力狀態，在運行階段具有不可忽視的影響，所以控制裂縫的產生，運用正確合理的施工措施，對于冬期混凝土施工具有深遠影響。

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