寒冷地區冬季混凝土施工質量控制探討

楊新偉

(吉林省水利水電勘測設計研究院，吉林 長春 130000)

經濟社會快速發展下，城市的建設規模逐步擴大，涌現出很多類型不一的工程項目，為經濟發展帶來了新的生機與活力。但工程建設力度不斷增強下，我國北方寒冷地區的工程項目建設規模也隨之增加，很多工程項目為了滿足工程進度，不得不選擇在冬季進行混凝土施工，但由于氣溫過低，混凝土現澆構件會出現凍害，降低工程整體的耐久性和安全性。由于氣溫寒冷，嚴重影響到施工建設進程，施工周期延長，各環節的成本支出也將隨之增加，將會為工程項目埋下一系列風險，影響到資金正常周轉，甚至影響到工程項目總體建設效益。而且后期長時間的大溫差、負低溫，以及反復凍害，將會大大增加工程項目安全事故發生幾率。因此，加強寒冷地區冬季混凝土施工質量控制尤為必要，有助于制定合理措施，靈活有效的應對氣候因素帶來的不良影響，打造高質量的混凝土工程。

1 冬季混凝土施工原理

1.1 施工原理

混凝土是工程項目建設的主要材料，混凝土施工質量高低將直接影響到工程總體質量和效益。混凝土材料通過充分拌合、澆筑后，逐漸凝結和硬化，最終材料強度符合要求。水泥在混凝土材料中占比較大，水泥水化熱現象與混凝土原材料質量和配合比因素存在密切聯系，伴隨著溫度變化而變化。隨著溫度升高，水化作用隨之增強，溫度下降到0℃時，混凝土中的部分水分將會結冰，參與水化熱作用的水分減少，水化作用下降，相應的混凝土強度增長速度放緩。溫度持續下降，混凝土中的全部水將結晶，水泥水化作用停止，強度也會停止增長。水變成冰后，材料表面會產生大量的冰棱，降低材料之間的粘結力，影響到混凝土抗壓強度。冰棱熔化后會產生相應的空隙，影響到混凝土耐久性和密實度。從中可以看出，寒冷地區冬季混凝土施工中，水的形態變化直接影響著混凝土強度，新澆混凝土凍結前需要預留一段預養期，促使混凝土內部液相增加，加快水泥水化速度。混凝土化凍后繼續進行養護，混凝土強度也會繼續增長，但增長幅度有所不同。預養期長，對于一些初期強度較高的混凝受凍后，后期的幾乎沒有強度損失。安全預養期較短的混凝土工程，如果初期強度較低，在受凍后后期強度將會出現大量損失。

1.2 施工要求

寒冷地區冬季混凝土施工中，需要選擇合理的混凝土養護方法，加入適量的外加劑，并且在混凝土表面上覆蓋、搭設擋風墻的方式進行防護。冬季施工活動開始前，可以搭設擋風墻在基坑周圍，主要是選擇鋼管和篷布材料搭設，注意圍護緊密、牢固、不透風。施工所選擇的材料應該在暖棚內統一存放，依據混凝土拌合溫度要求來確定材料加熱溫度，嚴格控制混凝土材料溫度不超過35℃，冬季施工階段要剔除1cm以上的凍塊，禁止使用凍灰膏。組成材料首先要考慮加熱水如果熱水不符合溫度標準，可以適當的對砂石加熱處理，如果是干燥、無凍塊情況，只需要對砂加熱即可。拌合水、骨料的加熱溫度分別在80℃和60℃以下，選擇蓄熱法進行混凝土施工，有限選擇普通硅酸鹽水泥或硅酸鹽水泥材料制備，控制水灰比不超過0.6。混凝土澆筑施工應該在9∶00～16∶00期間進行，澆筑后應該第一時間覆蓋保溫，避免溫差過大影響到混凝土強度。冬季混凝土拌制過程中加入一定量的化學外加劑，包括早強劑和防凍劑等。

混凝土攪拌階段，先對砂石和誰攪拌均勻，然后加入一定量的水泥材料，但是禁止加入熱水與水泥直接攪拌，規避假凝問題出現。相較于常溫季節，冬季的混凝土攪拌時間應該適當的延長50%，禁止有凍塊混入其中。做好運輸機械設備的保溫防護，適當的縮短運輸距離，減少裝卸次數，快速澆筑混凝土，并快速覆蓋養護，盡可能減少熱損失。混凝土澆筑后應及時測量入模溫度，覆蓋保溫養護，先在混凝土表面覆蓋一層塑料布保濕，然后覆蓋一層草袋，敷設緊密、全面，避免漏風。混凝土選擇普通硅酸鹽水泥制備，是設計強度的30%，加入礦渣水泥制備的混凝土達到設計強度40%，強度在5MPa以上，因此混凝土至少常溫下養護5個日夜。

1.3 施工技術難點

結合時間經驗了解到，寒冷地區冬季混凝土施工，面臨著以下幾個難點。

1)如何盡可能縮短混凝土養護齡期。混凝土施工中，達到抗凍臨界點后，會受到低溫影響出現凍害，影響到混凝土強度，因此應該確定混凝土的最短養護齡期，但要高于混凝土臨界強度時間。同時由于冬季施工的造價成本問題，養護時間越長，對于混凝土強度提升越有效，但經濟性不強，因此要確定最短的養護齡期，減少養護成本。

2)如何防護混凝土早期出現凍害。凍害對混凝土施工質量影響較大，為了保證低溫環境下混凝土仍然可以水化作用，可以通過蓄熱防護方式來預防凍害問題出現。

3)保證混凝土后期強度與耐久性。混凝土無論是出現一次凍害，還是后期反復凍融，都會影響到混凝土整體耐久性與強度，因此做好混凝土工程冬季防護工作很有必要。具體施工中，結合工程結構情況以及區域氣溫環境，多方考量下確定合理的施工方法。

1.4 混凝土的受凍機理

1)凍結模式和受凍機理。寒冷地區冬季混凝土施工中，凍結模式有慢速凍結以及快速凍結，前者是暴露在自然環境下自然凍結，工程主要是以室外自然凍結為主，而后者屬于一次受凍或是反復的凍融。對于一些新拌制的混凝土而言，寒冷地區冬季下容易凍結，但不同的凍結模式導致混凝土產生的強度損傷也不盡相同。國內外關于混凝土受凍機理研究不斷深化，提出了一系列假說，但由于混凝土受凍因素多樣，內部機理復雜，因此尚未形成完整且統一的受凍機理。新澆筑結構混凝土立即受凍產生病害，是由于混凝土內部有水分存在，由于外界氣溫快速下降，導致部分水分凍結成冰，而水泥無法發生水化熱現象，內部產生細小冰晶，致使混凝土出現不同程度的變形，影響到混凝土強度。抗凍臨界強度混凝土凍結，已經發生水泥水化熱作用，結構抗力超出了冰凍破壞力，不可避免的降低混凝土耐久力和強度。

2)混凝土允許抗凍臨界強度。受凍臨界強度，即澆筑的混凝土受凍前達到的最低強度，恢復正常溫度養護后，混凝土的強度也將繼續增長，通過有效的養護，混凝土強度將隨之提升，達到設計值的95%。通常情況下，選擇普通硅酸鹽水泥制備混凝土時，其強度應該滿足標準值30%，如果是礦渣硅酸鹽水泥材料為主，則為40%。

3)混凝土受凍后，應結合實際情況靈活選擇不同的鑒別方法，包括：①表面敲擊判斷，工作人員通過敲擊砼表面來檢查，受凍的砼會所產生的敲擊聲是沉悶的噗噗聲，一個斷面選擇不同的幾點敲擊，如果產生噗噠的聲音，說明砼已經受凍；②模板拆除觀察，拆模階段仔細觀察，模板和外壁不會發生黏連，表面濕潤、光滑，說明并未受凍，反之有冰紋或螺旋紋，顏色發白，則說明砼受凍；③使用超聲波檢查，對于受凍的砼中超聲波傳遞速度緩慢，反之則較快。

4)受凍混凝土的處理。在冬季混凝土施工中，如果混凝土受凍，會大大降低混凝土強度與抗滲性，如果混凝土性能不符合設計標準，要及時調整參數予以處理。在受凍處理中，充分考量混凝土的受凍程度、位置和強度變化情況，選擇合適方式針對性處理。對于加入外加劑的混凝土受凍，養護不當可能導致混凝土受凍，可以選擇常規養護措施，氣溫升高后混凝土強度也將隨之提升，但手動面積大，則需要將受凍的混凝土鑿除重新澆筑；局部或是表面混凝土受凍，依據受凍情況檢查結果，將受凍層清理干凈后，在其他并未受凍區域涂抹一層環氧酯，在此基礎上方可澆筑新混凝土進行修補，提升混凝土強度；全凍混凝土，此類情況對混凝土凝固后強度影響較大，在不符合設計強度50%下，應及時拆除清理。

2 寒冷地區冬季混凝土施工質量控制的重要性

冬季混凝土施工，主要是依據配合比將粗骨料、能交材料以及添加劑混合攪拌，形成質量符合要求的混凝土。寒冷地區冬季混凝土施工中，可以滿足工期要求，縮短工期，減少工期延誤帶來的成本損失，創造更大的經濟效益；寒冷地區冬季混凝土施工過程中伴隨一系列風險，晝夜溫差較大，由于不合理的冬季施工方法，不可避免的導致混凝土受凍威脅到整體施工質量。此類情況下，會導致混凝土強度和耐久性下降，誘發鋼筋銹蝕、裂縫病害。此類工程經驗不足，對于海拔達到4000m的區域，冬季混凝土施工缺少充足的經驗借鑒，因此需要積極推動寒冷地區冬季混凝土施工方法創新優化，以便于做好有效的防護措施來提升混凝土施工質量，打造質量和效益并重的混凝土工程。

3 寒冷地區冬季混凝土施工質量控制的有效方法

3.1 優化混凝土配合比設計

寒冷地區在冬季時，氣溫較低，長期處于這種環境下施工，混凝土會發生凍害，嚴重影響到整體施工高質量。因此，冬季施工中做好混凝土配合比設計至關重要，需要多方考量混凝土的具體施工工藝和養護方法，并結合具體工程情況和氣溫條件優化配合比設計。水泥的水化熱程度以及早期強度之間聯系密切，由于冬季氣溫較低，導致混凝土的強度增長速度緩慢，因此為了保證混凝土施工質量，應該盡可能選擇硅酸鹽水泥以及快硬水泥材料。就凍害問題出現的原因來看，多是由于拌合水結冰導致，減少混凝土中的水分，可以有效減少凍害程度，如果粗骨料粒徑較大情況下，可以適當的減少混凝土制備中的用水量。外加劑同樣是混凝土制備中的主要材料之一，加入適量外加劑可以顯著改善混凝土性能，因此在選擇合理的養護工藝同時，要充分結合工程實際情況，控制好外加劑摻入量，具體外加劑有早強劑、減水劑和防凍劑。

3.2 冬季混凝土施工措施

在冬季混凝土施工過程中，在優化材料配合比設計中，應經過計算來確定混凝土拌合溫度和材料加熱溫度。水泥材料集中存在溫度在5℃以上的暖棚中，不需要加熱，地面要有坡度，避免積水和凍結；使用帆布覆蓋在砂石堆表面，避免凍塊混入到材料中影響到整體性能。混凝土攪拌中凍塊會消耗一定的熱量，導致混凝土的溫度波動大，不容易被控制。對于一些凍塊粒徑在76mm以上，在攪拌機中凍塊難以充分熔化，也可能導致攪拌機損壞。有凍塊的骨料需要提前加熱溶解，可以有限加熱水，將更多的熱量帶入到拌合物，促進凍塊融化，提升拌合質量。水加熱溫度應控制在80℃以下，溫度超過80℃會導致假凝，所以需要調整投料順序，先預拌骨料和水分，然后加入水分來均勻攪拌。施工時期，如果氣溫在-5℃以上，加熱水即可，反之則要先加熱砂，后加熱水，以此保證施工質量。

一般情況下，混凝土冬季施工中，由于混凝土和外界存在溫差，如果超過20℃，則要拆除模板后使用，遮蓋物覆蓋在混凝土表面，實現保溫處理。混凝土經過充分攪拌后，需要經由一大段距離方可運輸到現場入模成型。運輸期間不可避免存在一定量的熱量損失，具體原因同運輸工具散熱、倒運次數以及運輸時間等因素有關。為了盡可能減少熱量損失，要依托于實際情況選擇有效措施予以控制，盡可能縮短運輸時間、運輸距離，倒運次數減少，確保混凝土入模溫度在5℃以上。

在具體澆筑混凝土階段，施工人員首先需要清理干凈材料表面上附著的雜質和積雪，但不要使用蒸汽清理積雪，否則會重新結冰。在混凝土均勻、充分振搗下，使用塑料薄膜覆蓋在混凝土表面，避免保溫材料吸水。如果是在凍脹性地基上進行混凝土澆筑，則需要提前加熱地基土方可進行后續的混凝土澆筑工作。在完成混凝土養護工作后，方可拆除模板，但這時期混凝土的各項性能尚未滿足標準要求，為了保證混凝土施工質量符合要求，應該綜合考量構件承載力、混凝土和環境的溫度差以及混凝土的早期抗凍能力，在此基礎上來決定是否需要拆除模板。

3.3 冬季混凝土養護措施

冬季混凝體養護處理，需要考慮到混凝土結構特點、施工周期、現場施工條件、施工氣溫以及經濟效果等，靈活選擇最佳的養護方法，最大程度上提升混凝土養護效果。具體養護措施如下。

1)正溫養護。冬季氣溫在0℃以下，應在澆筑混凝土后保持一定時間正溫，基于多種技術手段來控制混凝土凝固過程，達到標準的早期抗凍能力后，將溫度冷卻到0℃下，屬于正溫養護工藝。具體養護中，在加熱原材料溫度后，對運輸工具以及攪拌站保溫加熱，情況允許下預熱施工縫和鋼模板區域的混凝土，確保混凝土澆筑后具有一定正溫度。除此之外，也要加強保溫材料圍護，合理配置資源的同時，加快混凝土的凝固速度，達到預期強度。混凝土澆筑后，結合不同構件尺寸差異來確定澆筑溫度，薄壁構件建筑過程中，應適當的提升拌合物溫度，較厚的構件則需要降低拌合溫度。需要注意的是，采用正溫工藝進行混凝土養護時，原本溫度在30℃以下，如果是選擇人工方式加熱材料，則要控制混凝土溫度保持在40℃～50℃范圍內，以此來提升混凝土性能。

2)負溫養護。基于負溫養護工藝，預熱原材料，在澆筑完成混凝土后溫度不小于5℃，澆筑后使用塑料薄膜在表面上覆蓋，可以有效規避霜雪侵襲，規避混凝土脫水。如果平均氣溫在-8℃下施工，使用保溫材料對材料進行圍護，以此來延長混凝土材料的冷卻時間。負溫養護工藝實際應用中，操作便捷，可以減少能源損耗，但此項工藝下的混凝土強度增長速度緩慢。此項工藝更適合平均氣溫-16℃～0℃條件下混凝土施工，加入適量的防凍組分可以有效改善混凝土性能，降低混凝土強度。

3)綜合養護。混凝土綜合養護中，加入適量的防凍劑，預熱原材料、運輸工具以及攪拌站，澆筑后混凝土溫度不小于10℃，構件斷面尺寸不超過300mm時，控制混凝土溫度不小于13℃。選擇熱工加熱方式進行養護，混凝土終凝后降低溫度在0℃以下，同環境溫度保持平衡狀態。這一時期的混凝土強度尚處于較低水平，但采用防凍劑有助于負溫下混凝土持續凝固硬化。綜合養護方式優勢鮮明，相較于前兩種工藝而言，可以減少能耗，加快混凝土強度增長速度，取得理想的混凝土養護效果。

4 冬季混凝土施工管理要點分析

4.1 材料要求

在寒冷區域，冬季混凝土施工中應選擇合適的材料，包括：①水泥，優先選擇普通硅酸鹽數你材料，強度在32.5MPa以上，水泥用量在300kg/ms以上；②骨料，級配良好，材料清潔，質地堅硬，不允許有其他雜質混入其中；③拌合水，通過檢驗合格后方可混凝土拌和。

4.2 混凝土受凍臨界強度

室外氣溫對混凝土強度影響較大，如果氣溫在-15℃以上，保證混凝土澆筑后強度達到4.0N/mm，氣溫-30℃以上時，混凝土強度則是5.0N/mm。

4.3 混凝體材料預熱

選擇水加熱的方式實現預熱原材料，如果加熱效果并不理想，則需要對骨料進行加熱處理。結合熱工計算方式，確定混合料拌合溫度，水泥強度等級42.5MPa以下，保證材料混合料拌合水溫度和骨料溫度分別在80℃以下、60℃以下；水泥強度在42.5MPa以上，保證材料混合料拌合水溫度和骨料溫度分別在80℃以下、40℃以下。如果混合料中的骨料不采用熱水加熱，可以將材料加熱到100℃左右，達到規定溫度后仍然無法滿足各項要求，可以適當的提升加熱水溫度到100℃，調整投料順序。水泥應在暖棚統一存放，溫度在5℃以上，不允許直接加熱。

4.4 混凝土的澆筑施工

混凝土制備過程中，依據配合比設計要求來加入各項原材料和添加劑，禁止混合料中有凍塊摻雜其中。相較于常溫環境，冬季混凝土攪拌時間應該適當的延長。澆筑混凝土前充分清理材料上的雜質，使用專門的保溫裝置來控制混凝土運輸和澆筑期間的溫度變化，入模溫度和出機溫度分別控制在5℃、10℃以上。

4.5 施工防凍劑摻量控制

冬季混凝土施工過程中，需要加入一定量的防凍劑，避免混凝土凍害影響到整體施工質量，但由于施工現場條件限制，無法全面檢查所有的防凍劑，因此可能出現現場材料質量把關不嚴格的情況。對此，應該加強進場防凍劑質量檢驗，分別裝入防凍劑溶液和水溶液到不同的容器中，在-15℃下存放2h，溶液完全結冰說明防凍劑效果較差，不能投入到施工中，應及時更換。也可以在防凍劑溶液中放入一根鋼筋，在鍋內煮沸，檢查是否存在銹蝕痕跡，如果有說明防凍劑性能不符合要求。對于加入防凍劑的混凝土，可以組織坍落度實驗分析，坍落度增加值缺失，表明所選擇的防凍劑性能不理想，應重新購置質量合格的防凍劑。

4.6 混凝土質量檢測

混凝土施工后要及時質量檢驗，尤其是要檢查水、骨料加熱溫度，外加劑質量，混凝土出機和澆筑后的溫度變化情況。澆筑混凝土后，由于水泥水化熱現象會導致內外溫差增加，大量熱量蓄積在混凝土內部產生溫度應力，進而誘發混凝土裂縫，影響到施工質量。降溫時期，如果降溫差變化較大，會加劇溫度收縮效應，所產生的拉應力超出混凝土抵抗應力范圍時，則會誘發混凝土開裂病害。所以，在澆筑混凝土后加強溫度變化監控，選擇合理有效的養護措施減少混凝土內外溫差，降低裂縫出現幾率，為冬季混凝土施工質量提供堅實保障。

4.7 加強施工安全教育

寒冷地區混凝土施工過程中，做好施工人員的安全教育工作同樣重要，也是保障施工質量的一個基礎前提。在施工前，組織人員進行安全知識培訓活動，演練突發情況下如何應急處理，增強人員安全意識，同時為現場安全管理配備專門人員負責。鼓勵人員嚴格規范自身行為舉止，依據安全管理制度按部就班開展工作，對自己以及他人的生命財產安全提供保障。在每次施工前，應該仔細檢查機電設備和工具使用情況，并且要關注施工人員身體健康情況。定期接受安全檢查，安全督查小組成員在施工現場親自檢查施工情況，圍繞安全管理目標來發現和解決突發情況。在落實安全教育同時，也要加強施工人員安全防護，尤其是寒冷冬季施工階段，應配備防寒服、防滑靴等防護裝備，及時清理現場積雪，創設安全的施工環境。做好室外保溫設施設置，避免施工人員作業中凍傷。混凝土攪拌期間加入熱水，應該做好施工人員安全防護，避免燙傷，以人為本全方位落實安全管理工作到實處。另外，施工期間一些危險性較大的環節，如，倉庫、隧道和油庫等，應該制定合理的消防安全措施，設置專門安全警示標志，最大程度上消除安全隱患，保障人員生命財產安全。

5 結語

綜上所述，伴隨著我國基建項目建設數量增加，部分項目為了趕工期，降低成本，不得不在冬季進行混凝土施工。因此，應該加強冬季混凝土早期凍害問題成因分析和防護，優化混凝土配合比，優化施工流程，并采用合理有效的養護方式來提升混凝土工程質量。