低溫施工對混凝土性質影響綜述

張占宇，李 巖，陸云濤

（江蘇森淼工程質量檢測有限公司，江蘇 鎮江 212028）

低溫季節施工過程中由于溫度較低，水泥混凝土強度增長非常緩慢。極容易因溫度應力引起裂縫[1]。如果混凝土受凍后，還會對其耐久性產生影響。研究混凝土強度發展的機理，對確定低溫季節施工的工藝具有重大意義。特別是公路橋梁工程低溫季節施工時，由于野外條件差，較工業與民用建筑工程混凝土質量控制難度更大。大量實踐表明，公路橋梁工程混凝土低溫季節施工由于對混凝土強度發展機理研究不透徹而采取不適宜的養生方法導致結構構件受凍的實例屢見不鮮。主要表現在：①低溫季節施工水泥選擇不利，導致混凝土蒸汽養生后出現裂縫；②混凝土受凍，導致強度降低，產生不可逆的耐久性問題；③混凝土雖未受凍，但是強度增長期一直處于低溫狀態，導致等效齡期過長，甚至在構件澆筑后的180 d后仍然沒有達到設計強度；④混凝土低溫季節施工養生后拆模過早，導致混凝土表面溫度拉應力增大，產生裂縫。諸如此類的問題，歸根到底就是對混凝土強度增長機理不明確所致。本研究在查詢分析文獻的基礎上，給出了混凝土硬化的機理及混凝土性質的決定因素。

1 混凝土的凝結與硬化階段

1.1 混凝土水化反應機理

當砂石材料及水泥加水后，混凝土即形成，水泥的水化反應隨即開展。混凝土的水化反應符合無機物化學反應的一般規律。水泥中的活性物質與水作用的過程[2]可以按如下表示。

水泥的水化反應過程，其實就是水與水泥結合后形成一種具有強度的結晶物，這個過程，體現了水泥混凝土從拌合前的松散狀態至加水后的塑性狀態，以及經歷一段時間后形成剛性物的狀態轉化，其過程如圖1所示。其中，I階段水泥中的膠結材料與水的反應剛剛開始，材料處于可塑狀態；Ⅱ階段混凝土開始凝固；在第Ⅲ階段，混凝土水化程度加快，材料開始硬化，其中在Ⅲ-1階段，水化反應使混凝土開始具有了強度；在Ⅲ-2階段，水化反應加劇，形成強度的速度也逐漸加快，而在Ⅲ-3階段，混凝土水化時間的繼續保持進行?；炷恋膹姸纫步咏谠摲N混凝土的極限強度[3]。

圖1 混凝土硬化動力學曲線

混凝土強度是否能達到預期，與混凝土的水化時間密切相關，而混凝土的水化時間又與混凝土初凝和終凝的時間段內反應情況有關。在此期間，當新拌混凝土在初凝這個時間段內，其可塑、可變形的性質失去，而當混凝土完全硬化至終凝以后，混凝土的剛性狀態開始。在一定的溫度條件下，整個過程水化速率很快，至混凝土終凝時，大約有1/5的水泥跟水發生了反應。但是，在水泥終凝后，雖然其已經固化，無法流動，但是水化反應還在進行，不同的是，速率有所降低。然而，水泥的是一種非常特殊的無機物，其與水的化學反應不是在短時內就可以完成的，其實只要有水存在，其反應也會持續較長時間，甚至會是幾年。

從混凝土的拌制開始，到混凝土開始具有強度從而進入剛性狀態之前，習慣上將其稱為新拌混凝土，而隨著時間的延長，逐步進入剛性狀態以后即為硬化混凝土。

混凝土的凝結時間與多種因素有關[4-5]，其中內因有水灰比、水泥自身的特性、外加劑情況及砂石材料等用量，外因有濕度、溫度及澆筑方法工藝等。有文獻研究發現，溫度的變化對水泥的凝結時間影響較大，采用普通硅酸鹽水泥配置的混凝土，如果混凝土養生溫度變化在常溫15℃升高至30℃，那么，其凝結時間會大大縮短，一般情況下會縮短50%。其他水泥配置的混凝土也滿足這一規律，只是凝結時間變化的程度有所差異。此外，當拌合水溫度超過80℃時，水泥接觸后便會發生假凝，在冬季施工中要注意避免。

1.2 混凝土中的水與孔隙

混凝土之所以能形成強度，是因為水泥漿將粗細集料緊緊包裹形成剛性體。雖然水泥漿作為膠結材料其占比僅僅在25%左右，但是，水泥漿的本身固有性質則嚴重影響到混凝土的強度及其耐久性能。而水泥漿本身的性能則與水泥的規格型號、水灰比、養護的溫度濕度狀況及養生持續的時間等相關。

眾所周知，新拌混凝土的水化反應不是一次性完成的，是一個緩慢的過程，新拌混凝土中的大部分水分實際上是不參與水化反應的，只有少部分的水與水泥反應成為組成混凝土的產物，其余的形成游離狀態而逐步蒸發，游離水蒸發的快慢與混凝土所處的環境因素有關，如溫度、濕度、混凝土面積及風力情況。所以，水泥漿中的水具有不穩定性，其中一部分是水化水，另一部分則成為游離水。文獻研究表明，當混凝土的水化反應產生以后，形成的顆粒表面會附著少量的水分子，即吸附水；在混凝土水化以后形成的晶體連接面之間也會封住一些游離水，即界層水；在水化晶體的晶格中未參與物質結合的游離水，稱為晶格水等。

在進行混凝土研究時，可以把水泥漿中的水進行人為分類，如果將水泥漿體置于溫度為110℃的環境中12 h后，蒸發掉的水為上述的游離水，如果在這個條件下未蒸發，則可以將漿體置于不低于900℃的環境中不少于48h后才能烘干，那么，這些即為化學結合水。

隨著混凝土中水泥水化時間的增加，參與水化反應的水會隨著時間的增長而增多，但是富余的游離水則會減少。直至水泥混凝土完全硬化至終凝的時候，水化速度正式加快，化學結合水最大可增加到水泥重量的8%左右，到混凝土中水泥水化反應完全結束時，化學結合水達到峰值，即增加到水泥總重量的1/4。

由于混凝土中大量游離水的存在，其會在水泥漿內游離成為各種形狀，待水泥混凝土硬化后，便形成各種各樣相互連通的孔隙，這就是通常我們所說的毛細孔。這些毛細孔普遍位于混凝土水化后的水化物顆粒之間，非常容易產生毛細現象。

此外，水泥經水化后產生的凝膠中，也存在各種孔隙，這部分孔隙被稱為凝膠孔。

研究表明，在硬化的混凝土中，因游離水產生的孔隙非常多，如果用孔隙率來表示，則孔隙率約在30%左右。

水泥混凝土中，孔隙率的高低、毛細孔的大小形狀，其決定因素主要有①混凝土拌制時，實際上形成的施工水灰比；②在水泥水化期間，混凝土所處環境的溫度情況；③混凝土拌制時，水泥的特性等。想得到較小孔隙率的混凝土，則可以通過減小水灰比得到，因為水灰比小，水泥漿的水化程度就高，從而孔隙率就會減小。防滲混凝土施工時，就會利用較小的水灰比和充分的養生條件獲得較小的滲透系數。

在水泥混凝土中，凝膠孔的占比與毛細孔大不一樣，文獻給出的數據為凝膠體積的1/3。其形成是水泥凝膠本身具有的特殊性質，而與施工中的水灰比及養生條件沒有關聯。

硬化水泥漿體與其他多孔固體材料一樣，強度主要取決于孔隙率。

抗滲混凝土的抗滲透性跟毛細孔有極大關系，因為較大的孔徑和聯通情況會加大混凝土的滲透。有文獻研究表明，混凝土的抗水滲透性之所以會集中體現，則是因為毛細孔的孔徑較大，一般均為0.13 μm以上。

由此可知，毛細孔孔隙率及孔徑情況是水泥漿體非常重要的特征。這對混凝土的強度及滲水性影響巨大[6]。

2 混凝土強度與耐久性

2.1 抗壓強度特征

水泥混凝土結構物是利用混凝土抗壓強度高的特點體現其功能的。而決定混凝土抗壓強度的因素是有很多種，如：水泥的組成成分、水膠比、砂石料的性質、施工工藝及在混凝土強度增長期間，其所處的外部條件因素等。

如果在水泥的組分、水膠比及施工工藝已經確定的情況下，混凝土的強度主要取決于水膠比。因為，水泥漿體的孔隙情況也與水膠比有關。文獻研究表明，當水膠比介于0.4～0.8時，水膠比和強度可以表示為y=a+bx，此曲線為線性曲線。

眾所周知，水泥混凝土中膠結材料的使用數量也跟混凝土28 d的抗壓強度密切相關，但不是主要因素。需要注意的是，不能因為其為次要因素而降低水泥用量，因為水泥用量與混凝土自身的密實程度有關。

2.2 黏結強度特征

鋼筋混凝土構件中，鋼筋與混凝土之間的黏結問題是保證構件具有足夠抗剪、抗彎拉強度的基本條件。構件混凝土與添加的鋼筋之間具有的黏結強度大小，主要體現為鋼筋與混凝土之間的握裹力。并且，黏結強度的大小還跟混凝土本身的強度及鋼筋的自身形狀等諸多因素有關。比如，圓鋼和螺紋鋼不同，帶彎鉤和直筋也不同等。而對于混凝土強度與握裹力并非線性關系[7]，文獻表明，當混凝土強度在20 MPa以上時，黏結強度的增加量會減少。

常溫養護的混凝土，黏結強度一般都可以滿足要求，因此在鋼筋混凝土結構中，設計上對鋼筋與混凝土之間的黏結強度都不作特殊要求。比如對構件內受力主要鋼筋進行綁扎時，其綁扎接頭在JTG/T 3650—2020《公路橋涵施工技術規范》中也有明確規定，其規定是，在C30混凝土中Ⅱ級受拉鋼筋接頭時，搭接長度規定為35d（d為鋼筋直徑），且一個斷面內接頭數量不大于鋼筋總數量的25%。此項長度規定就是以正常的黏結強度為依據計算出來的。但是在冬季施工中、新澆筑的混凝土如果受凍，黏結強度將降至1.0 MPa以下，即使提高混凝土的強度等級即增加混凝上中的水泥用量也無濟于事，這是必須注意的。

2.3 滲透性特征

總體來說，成型混凝土中的毛細孔非常豐富，其孔隙率大約占混凝土總體積的1/10。文獻研究表明，成型并具有一定強度的混凝土孔隙率對混凝土的抗滲性能影響不容忽視?；炷潦欠駶B水，以及滲水性能的高低都對混凝土結構構件的耐久性有著非常嚴重的影響。

混凝土的碳化是一種混凝土常見的內部缺陷，其碳化的大小受混凝土內外部孔隙及混凝土滲透性等因素的影響很大，實踐證明，若混凝土的滲透性大，其內部進水的概率就大，當混凝土中進入空氣和水，則會加速混凝土的碳化反應?；炷撂蓟笠环矫鏁铀倩炷翂A集料反應，使混凝土耐久性降低，另一方面在低溫凍融下易發生剝皮等損壞。

在一般情況下，只要混凝土的水灰比和單位體積中的水泥用量符合GB 50204—2015《混凝土結構工程施工質量驗收規范》的規定，拌合物具有較好的和易性并經振搗密實和在常溫下充分養護，混凝土抵抗滲透的能力可以滿足要求。因此在房屋建筑工程的設計文件中，對混凝土的抗滲性能均不作要求，當然這并不意味著滲透性對混凝土結構不重要。在冬季施工中，新澆筑的混凝土如果在硬化初期受凍，最突出的表現就是抗滲標號降低幾乎為0，即使在混凝土中增加水泥用量也于事無補。因此不論設計上是否對混凝土的抗滲性能提出要求，也不論結構物是否與水直接接觸，在冬季施工中，應該充分重視混凝土的滲透性，并把混凝土的抗滲性能作為表征耐久性的一項指標來看待。

3 拌合水的凍結和相變

負溫下混凝土就會凍結，主要是其中的水會因結冰而產生體積脹增現象，文獻研究表明，水變為冰后體積會增加約1/10。當水結成冰以后，一方面會使水無法完成正常的水化反應，另一方面會使水泥漿體脹增，破壞原本形成的混凝土強度。

在新拌水泥漿體中，水存在于水泥顆粒之間，基本上不受約束。但是，若無摻加減水劑，那么將會有90%的水會在0℃時發生凍結。這是因為，水泥中的氧化鈣等成分溶解于水，使拌合水成為具有一定濃度的溶液。因為冰點的問題，不是水泥漿中的所有的水都會在0℃時變為固體，由于毛細作用，其冰點會急劇降低，有文獻研究表明，水泥漿中的部分水在-40℃時也會保持液態，因此，其水化反應還會微弱進行。

由于防凍劑的研發，在水泥混凝土中加入硝酸鹽，硝酸鹽溶于水后，其冰點降低，因此達到防凍的目的。

水泥混凝土中的富余水是否全部會結冰主要取決于富余水所處的狀態。存在于毛細孔中的游離富余水，如果其所處的毛細孔孔徑較大，則容易結冰，如果所處的毛細孔孔徑低于5 nm，則其結冰的臨界點將低于-60℃。隨著水與水泥發生水化反應，游離的富余水會逐漸減少，從而，毛細孔的孔徑也隨之變小。所以，文獻研究表明，在混凝土中，水泥漿體的含冰率大小，主要取決于水泥的水化程度，如果水泥的水化程度越高，則含冰率就越小。

經文獻試驗研究，新拌水泥漿體立即受凍，含冰率較高，而養護24 h后受凍，含冰率顯著降低。

表1為一定水灰比的混凝土經低溫經歷后，在不同齡期受凍所產生含冰率情況的試驗檢測數據。從試驗數據及結合文獻研究結論來看，如果受凍前混凝土水化強度高，則含冰率就相對降低?；炷林兴嗟乃潭仁菦Q定受凍混凝土含冰率[8]大小的主要因素。

表1 在不同齡期受凍后混凝土的含冰率

4 結束語

在交通工程建設中，低溫季節施工難以避免，而掌握混凝土硬化機理及混凝土在低溫狀態下各種性質是確保工程質量的前提條件。對于混凝土性質的研究無論國外還是國內都仍然在探索實踐，各種理論不斷涌現。而本文的研究緊密聯系工程實踐，為公路橋涵低溫季節施工工藝研究、養護制度的取舍、工程措施的制定以及混凝土缺陷的原因分析和處理都有一定的指導意義。