混凝土冬期施工原理及方法

胡开云

1 混凝土冬季施工的一般原理

混凝土拌和物浇灌后之所以能逐渐凝结和硬化，直至获得最终强度，是由于水泥水化作用的结果。而水泥水化作用的速度除与混凝土本身组成材料和配合比有关外，主要是随着温度的高低而变化的。当温度升高时，水化作用加快，强度增长也较快;而当温度降低到0℃时，存在于混凝土中的水有一部分开始结冰，逐渐由液相(水)变为固相(水)。这时参与水泥水化作用的水减少了，因此，水化作用减慢，强度增长相应较慢。温度继续下降，当存在于混凝土中的水完全变成冰，也就是完全由液相变为固相时，水泥水化作用基本停止，此时强度就不再增长。水变成冰后，体积约增大9%，同时产生约2 500 kg/cm2的冰胀应力。这个应力值常常大于水泥石内部形成的初期强度值，使混凝土受到不同程度的破坏(即旱期受冻破坏)而降低强度。此外，当水变成冰后，还会在骨料和钢筋表面上产生颗粒较大的冰凌，减弱水泥浆与骨料和钢筋的粘结力，从而影响混凝土的抗压强度。当冰凌融化后，又会在混凝土内部形成各种各样的空隙，而降低混凝土的密实性及耐久性。由此可见，在冬季混凝土施工中，水的形态变化是影响混凝土强度增长的关键。国内外许多学者对水在混凝土中的形态进行大量的试验研究结果表明，新浇混凝土在冻结前有一段预养期，可以增加其内部液相，减少固相，加速水泥的水化作用。试验研究还表明，混凝土受冻前预养期愈长，强度损失愈小。混凝土化冻后(即处在正常温度条件下)继续养护，其强度还会增长，不过增长的幅度大小不一。对于预养期长，获得初期强度较高(如达到R28的35%)的混凝土受冻后，后期强度几乎没有损失。而对于安全预养期短，获得初期强度比较低的混凝土受冻后，后期强度都有不同程度的损失。

由此可见，混凝土冻结前，要使其在正常温度下有一段预养期，以加速水泥的水化作用，使混凝土获得不遭受冻害的最低强度，一般称临界强度，即可达到预期效果。对于临界强度，各国规定取值不等，我国规定为不低于设计标号的30%，也不得低于35 kg/cm2。

2 混凝土冬季施工方法的选择

从上述分析可以知道，在冬季混凝土施工中，主要解决三个问题:1)如何确定混凝土最短的养护龄期;2)如何防止混凝土早期冻害;3)如何保证混凝土后期强度和耐久性满足要求。在实际工程中，要根据施工时的气温情况，工程结构状况(工程量、结构厚大程度与外露情况)，工期紧迫程度，水泥的品种及价格，早强剂、减水剂、抗冻剂的性能及价格，保温材料的性能及价格，热源的条件等，来选择合理的施工方法。一般来说，对于同一个工程，可以有若干个不同的冬季施工方案。一个理想的方案，应当用最短的工期、最低的施工费用，来获得最优良的工程质量，也就是工期、费用、质量最佳化。目前，基本上采用以下几种方法:

1)调整配合比方法。主要适用于在0℃左右的混凝土施工。具体做法:a.选择适当品种的水泥是提高混凝土抗冻性的重要手段。试验结果表明，应使用早强硅酸盐水泥。该水泥水化热较大，且在早期放出强度最高，一般3 d抗压强度大约相当于普通硅酸盐水泥7 d的强度，效果较明显。b.尽量降低水灰比，稍增水泥用量，从而增加水化热量，缩短达到龄期强度的时间。c.掺用引气剂。在保持混凝土配合比不变的情况下，加入引气剂后生成的气泡，相应增加了水泥浆的体积，提高拌和物的流动性，改善其粘聚性及保水性，缓冲混凝土内水结冰所产生的水压力，提高混凝土的抗冻性。d.掺加早强外加剂，缩短混凝土的凝结时间，提高早期强度。应用较普遍的有硫酸钠(掺用水泥用量的2%)和MS—F复合早强试水剂(掺水泥用量的5%)。e.选择颗粒硬度高和缝隙少的集料，使其热膨胀系数和周围砂浆膨胀系数相近。

2)蓄热法。主要用于气温－10℃左右，结构比较厚大的工程。做法是:对原材料(水、砂、石)进行加热，使混凝土在搅拌、运输和浇灌以后，还储备有相当的热量，以使水泥水化放热较快，并加强对混凝土的保温，以保证在温度降到0℃以前使新浇混凝土具有足够的抗冻能力。此法工艺简单，施工费用不多，但要注意内部保温，避免角部与外露表面受冻，且要延长养护龄期。

3)外部加热法。主要用于气温－10℃以上，而构件并不厚大的工程。通过加热混凝土构件周围的空气，将热量传给混凝土，或直接对混凝土加热，使混凝土处于正温条件下能正常硬化。a.火炉加热。一般在较小的工地使用，方法简单，但室内温度不高，比较干燥，且放出的二氧化碳会使新浇混凝土表面碳化，影响质量。b.蒸汽加热。用蒸汽使混凝土在湿热条件下硬化。此法较易控制，加热温度均匀。但因其需专门的锅炉设备，费用较高。且热损失较大，劳动条件亦不理想。c.电加热。将钢筋作为电极，或将电热器贴在混凝土表面，使电能变为热能，以提高混凝土的温度。此法简单方便，热损失较少，易控制，不足之处是电能消耗量大。d.红外线加热。以高温电加热器或气体红外线发生器，对混凝土进行密封辐射加热。

4)抗冻外加剂。在－10℃以上的气温中，对混凝土拌和物掺加一种能降低水的冰点的化学剂，使混凝土在负温下仍处于液相状态，水化作用能继续进行，从而使混凝土强度继续增长。目前常用的有氧化钙、氯化钠等单抗冻剂及亚硝酸钠加氯化钠复合抗冻剂。

3 混凝土冬季施工注意事项

3.1 基本要求

1)冬季施工的混凝土宜选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，水泥标号不宜低于32.5，每立方米混凝土中的水泥用量不宜少于300 kg，水灰比不应大于0.6，并加入早强剂，必要时应加入防冻剂(根据气温情况确定)。

2)为减少冻害，应将配合比中的用水量降至最低限度，办法是:控制坍落度，加入减水剂，优先选用高效减水剂。

3)模板和保温层，应在混凝土冷却到5℃后方可拆除，当混凝土与外界温差大于20℃时，拆模后的混凝土表面，应临时覆盖，使其缓慢冷却。

4)未冷却的混凝土有较高的脆性，所以结构在冷却前不得遭受冲击荷载或动力荷载的作用。

3.2 混凝土的拌制

1)拌制混凝土用的骨料必须清洁，不得含有冰雪和冻块，以及易冻裂的物质，在掺有含钾、钠离子的外加剂时，不得使用活性骨料，在有条件的时候，砂石筛洗应抢在零上温度时做，并用塑料纸，油布盖好。2)拌制掺外加剂的混凝土时，如外加剂为粉剂，可按要求掺量直接撒在水泥上面和水泥同时投入，如外加剂为液体，使用时应先配制成规定浓度溶液，然后根据使用要求，用规定浓度溶液配制成施工溶液，各溶液要分别置于有明显标志的容器中，不得混淆，每班使用的外加剂溶液应一次配成。3)当施工期处于0℃左右时，可在混凝土中添加早强剂，掺量应符合使用要求及规范规定，且应注意在添加前做好模拟试验，以核实有关技术措施;对于有限期拆模要求的混凝土，还应适当提高混凝土设计等级。4)混凝土中添加防冻剂时，严禁使用高铝水泥。5)严格控制混凝土水灰比，由骨料带入的水分及外加剂溶液中的水分均应从拌合水中扣除。6)搅拌掺有外加剂混凝土时，搅拌时间应取常温搅拌时间的1.5倍。7)混凝土拌和物的出机温度不宜低于10℃，入模温度不得低于5℃。

3.3 混凝土的运输和浇筑

1)混凝土搅拌场地应尽量靠近施工地点，以减少材料运输过程中的热量损失，同时也应正确选择运输用的容器(包括形状，大小，保温措施)。2)混凝土浇筑前，应清除模板和钢筋上，特别是新老混凝土(如梁，柱交接处)交接处的冰雪及垃圾。3)当采用商品混凝土时，在浇筑前，应了解商品混凝土中掺入抗冻剂的性能，并做好相应的防冻保暖措施。4)分层浇筑混凝土时，已浇筑层在未被上一层的混凝土覆盖前，不应低于计算规定的温度也不得低于2℃。5)重点工程或上部结构要连续施工的工程，混凝土应采取措施，以保证预期所要达到的强度。6)预应力混凝土构件在进行孔道和立缝的灌浆前，浇灌部位的混凝土必须经预热，并采用热的水泥浆，砂浆或混凝土，浇灌后在正温下养护到强度不低于15 MPa。7)现场应留设同条件养护的混凝土试块作为拆模依据。

3.4 混凝土的养护

1)冬季浇筑的混凝土，由正温转入负温养护前，混凝土的抗压强度不应低于设计强度的40%，对于C10以下的混凝土不得小于5 MPa。2)采用的保温材料(草袋，麻袋)，应保持干燥。3)在模板外部保温时，除基础可随浇筑随保温外，其他结构必须在设置保温材料后方可浇筑混凝土，钢模表面可先挂草帘，麻袋等保温材料并扎牢，然后再浇筑混凝土。4)保温材料不宜直接覆盖在刚浇筑完毕的混凝土层上，可先覆盖塑料薄膜，上部再覆草袋，麻袋等保温材料，保温材料的铺设厚度为:一般情况下0℃以上铺一层;0℃以下铺两层或三层;大体积混凝土浇筑及二次抹面压实后应立即覆盖保温，其保温层厚度，材质应根据计算确定。5)拆模后的混凝土也应及时覆盖保温材料，以防混凝土表面温度的骤降而产生裂缝。

4 结语

冬期是混凝土工程质量事故的多发季节，而且有明显的滞后性，即冬期浇筑的混凝土出现质量问题时，多在春融或后期呈现。由于事故发现较晚，所以处理难度较大。冬期混凝土施工关键是控制混凝土的裂缝。裂缝危害性很大，这些裂缝破坏了结构的整体性，改变了设计安排的应力分布图形及混凝土的受力条件，从而有使局部甚至整体结构发生破坏的可能，即使是一般的表面裂缝对混凝土的耐久性也是有损害的，出现裂缝的结构温度应力迭加，对整体结构的应力状态，在运行阶段具有不可忽视的影响，所以控制裂缝的产生，运用正确合理的施工措施，对于冬期混凝土施工具有深远影响。

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