寒冷地区冬季混凝土施工质量控制探讨

杨新伟

(吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林 长春 130000)

经济社会快速发展下，城市的建设规模逐步扩大，涌现出很多类型不一的工程项目，为经济发展带来了新的生机与活力。但工程建设力度不断增强下，我国北方寒冷地区的工程项目建设规模也随之增加，很多工程项目为了满足工程进度，不得不选择在冬季进行混凝土施工，但由于气温过低，混凝土现浇构件会出现冻害，降低工程整体的耐久性和安全性。由于气温寒冷，严重影响到施工建设进程，施工周期延长，各环节的成本支出也将随之增加，将会为工程项目埋下一系列风险，影响到资金正常周转，甚至影响到工程项目总体建设效益。而且后期长时间的大温差、负低温，以及反复冻害，将会大大增加工程项目安全事故发生几率。因此，加强寒冷地区冬季混凝土施工质量控制尤为必要，有助于制定合理措施，灵活有效的应对气候因素带来的不良影响，打造高质量的混凝土工程。

1 冬季混凝土施工原理

1.1 施工原理

混凝土是工程项目建设的主要材料，混凝土施工质量高低将直接影响到工程总体质量和效益。混凝土材料通过充分拌合、浇筑后，逐渐凝结和硬化，最终材料强度符合要求。水泥在混凝土材料中占比较大，水泥水化热现象与混凝土原材料质量和配合比因素存在密切联系，伴随着温度变化而变化。随着温度升高，水化作用随之增强，温度下降到0℃时，混凝土中的部分水分将会结冰，参与水化热作用的水分减少，水化作用下降，相应的混凝土强度增长速度放缓。温度持续下降，混凝土中的全部水将结晶，水泥水化作用停止，强度也会停止增长。水变成冰后，材料表面会产生大量的冰棱，降低材料之间的粘结力，影响到混凝土抗压强度。冰棱熔化后会产生相应的空隙，影响到混凝土耐久性和密实度。从中可以看出，寒冷地区冬季混凝土施工中，水的形态变化直接影响着混凝土强度，新浇混凝土冻结前需要预留一段预养期，促使混凝土内部液相增加，加快水泥水化速度。混凝土化冻后继续进行养护，混凝土强度也会继续增长，但增长幅度有所不同。预养期长，对于一些初期强度较高的混凝受冻后，后期的几乎没有强度损失。安全预养期较短的混凝土工程，如果初期强度较低，在受冻后后期强度将会出现大量损失。

1.2 施工要求

寒冷地区冬季混凝土施工中，需要选择合理的混凝土养护方法，加入适量的外加剂，并且在混凝土表面上覆盖、搭设挡风墙的方式进行防护。冬季施工活动开始前，可以搭设挡风墙在基坑周围，主要是选择钢管和篷布材料搭设，注意围护紧密、牢固、不透风。施工所选择的材料应该在暖棚内统一存放，依据混凝土拌合温度要求来确定材料加热温度，严格控制混凝土材料温度不超过35℃，冬季施工阶段要剔除1cm以上的冻块，禁止使用冻灰膏。组成材料首先要考虑加热水如果热水不符合温度标准，可以适当的对砂石加热处理，如果是干燥、无冻块情况，只需要对砂加热即可。拌合水、骨料的加热温度分别在80℃和60℃以下，选择蓄热法进行混凝土施工，有限选择普通硅酸盐水泥或硅酸盐水泥材料制备，控制水灰比不超过0.6。混凝土浇筑施工应该在9∶00～16∶00期间进行，浇筑后应该第一时间覆盖保温，避免温差过大影响到混凝土强度。冬季混凝土拌制过程中加入一定量的化学外加剂，包括早强剂和防冻剂等。

混凝土搅拌阶段，先对砂石和谁搅拌均匀，然后加入一定量的水泥材料，但是禁止加入热水与水泥直接搅拌，规避假凝问题出现。相较于常温季节，冬季的混凝土搅拌时间应该适当的延长50%，禁止有冻块混入其中。做好运输机械设备的保温防护，适当的缩短运输距离，减少装卸次数，快速浇筑混凝土，并快速覆盖养护，尽可能减少热损失。混凝土浇筑后应及时测量入模温度，覆盖保温养护，先在混凝土表面覆盖一层塑料布保湿，然后覆盖一层草袋，敷设紧密、全面，避免漏风。混凝土选择普通硅酸盐水泥制备，是设计强度的30%，加入矿渣水泥制备的混凝土达到设计强度40%，强度在5MPa以上，因此混凝土至少常温下养护5个日夜。

1.3 施工技术难点

结合时间经验了解到，寒冷地区冬季混凝土施工，面临着以下几个难点。

1)如何尽可能缩短混凝土养护龄期。混凝土施工中，达到抗冻临界点后，会受到低温影响出现冻害，影响到混凝土强度，因此应该确定混凝土的最短养护龄期，但要高于混凝土临界强度时间。同时由于冬季施工的造价成本问题，养护时间越长，对于混凝土强度提升越有效，但经济性不强，因此要确定最短的养护龄期，减少养护成本。

2)如何防护混凝土早期出现冻害。冻害对混凝土施工质量影响较大，为了保证低温环境下混凝土仍然可以水化作用，可以通过蓄热防护方式来预防冻害问题出现。

3)保证混凝土后期强度与耐久性。混凝土无论是出现一次冻害，还是后期反复冻融，都会影响到混凝土整体耐久性与强度，因此做好混凝土工程冬季防护工作很有必要。具体施工中，结合工程结构情况以及区域气温环境，多方考量下确定合理的施工方法。

1.4 混凝土的受冻机理

1)冻结模式和受冻机理。寒冷地区冬季混凝土施工中，冻结模式有慢速冻结以及快速冻结，前者是暴露在自然环境下自然冻结，工程主要是以室外自然冻结为主，而后者属于一次受冻或是反复的冻融。对于一些新拌制的混凝土而言，寒冷地区冬季下容易冻结，但不同的冻结模式导致混凝土产生的强度损伤也不尽相同。国内外关于混凝土受冻机理研究不断深化，提出了一系列假说，但由于混凝土受冻因素多样，内部机理复杂，因此尚未形成完整且统一的受冻机理。新浇筑结构混凝土立即受冻产生病害，是由于混凝土内部有水分存在，由于外界气温快速下降，导致部分水分冻结成冰，而水泥无法发生水化热现象，内部产生细小冰晶，致使混凝土出现不同程度的变形，影响到混凝土强度。抗冻临界强度混凝土冻结，已经发生水泥水化热作用，结构抗力超出了冰冻破坏力，不可避免的降低混凝土耐久力和强度。

2)混凝土允许抗冻临界强度。受冻临界强度，即浇筑的混凝土受冻前达到的最低强度，恢复正常温度养护后，混凝土的强度也将继续增长，通过有效的养护，混凝土强度将随之提升，达到设计值的95%。通常情况下，选择普通硅酸盐水泥制备混凝土时，其强度应该满足标准值30%，如果是矿渣硅酸盐水泥材料为主，则为40%。

3)混凝土受冻后，应结合实际情况灵活选择不同的鉴别方法，包括：①表面敲击判断，工作人员通过敲击砼表面来检查，受冻的砼会所产生的敲击声是沉闷的噗噗声，一个断面选择不同的几点敲击，如果产生噗哒的声音，说明砼已经受冻；②模板拆除观察，拆模阶段仔细观察，模板和外壁不会发生黏连，表面湿润、光滑，说明并未受冻，反之有冰纹或螺旋纹，颜色发白，则说明砼受冻；③使用超声波检查，对于受冻的砼中超声波传递速度缓慢，反之则较快。

4)受冻混凝土的处理。在冬季混凝土施工中，如果混凝土受冻，会大大降低混凝土强度与抗渗性，如果混凝土性能不符合设计标准，要及时调整参数予以处理。在受冻处理中，充分考量混凝土的受冻程度、位置和强度变化情况，选择合适方式针对性处理。对于加入外加剂的混凝土受冻，养护不当可能导致混凝土受冻，可以选择常规养护措施，气温升高后混凝土强度也将随之提升，但手动面积大，则需要将受冻的混凝土凿除重新浇筑；局部或是表面混凝土受冻，依据受冻情况检查结果，将受冻层清理干净后，在其他并未受冻区域涂抹一层环氧酯，在此基础上方可浇筑新混凝土进行修补，提升混凝土强度；全冻混凝土，此类情况对混凝土凝固后强度影响较大，在不符合设计强度50%下，应及时拆除清理。

2 寒冷地区冬季混凝土施工质量控制的重要性

冬季混凝土施工，主要是依据配合比将粗骨料、能交材料以及添加剂混合搅拌，形成质量符合要求的混凝土。寒冷地区冬季混凝土施工中，可以满足工期要求，缩短工期，减少工期延误带来的成本损失，创造更大的经济效益；寒冷地区冬季混凝土施工过程中伴随一系列风险，昼夜温差较大，由于不合理的冬季施工方法，不可避免的导致混凝土受冻威胁到整体施工质量。此类情况下，会导致混凝土强度和耐久性下降，诱发钢筋锈蚀、裂缝病害。此类工程经验不足，对于海拔达到4000m的区域，冬季混凝土施工缺少充足的经验借鉴，因此需要积极推动寒冷地区冬季混凝土施工方法创新优化，以便于做好有效的防护措施来提升混凝土施工质量，打造质量和效益并重的混凝土工程。

3 寒冷地区冬季混凝土施工质量控制的有效方法

3.1 优化混凝土配合比设计

寒冷地区在冬季时，气温较低，长期处于这种环境下施工，混凝土会发生冻害，严重影响到整体施工高质量。因此，冬季施工中做好混凝土配合比设计至关重要，需要多方考量混凝土的具体施工工艺和养护方法，并结合具体工程情况和气温条件优化配合比设计。水泥的水化热程度以及早期强度之间联系密切，由于冬季气温较低，导致混凝土的强度增长速度缓慢，因此为了保证混凝土施工质量，应该尽可能选择硅酸盐水泥以及快硬水泥材料。就冻害问题出现的原因来看，多是由于拌合水结冰导致，减少混凝土中的水分，可以有效减少冻害程度，如果粗骨料粒径较大情况下，可以适当的减少混凝土制备中的用水量。外加剂同样是混凝土制备中的主要材料之一，加入适量外加剂可以显著改善混凝土性能，因此在选择合理的养护工艺同时，要充分结合工程实际情况，控制好外加剂掺入量，具体外加剂有早强剂、减水剂和防冻剂。

3.2 冬季混凝土施工措施

在冬季混凝土施工过程中，在优化材料配合比设计中，应经过计算来确定混凝土拌合温度和材料加热温度。水泥材料集中存在温度在5℃以上的暖棚中，不需要加热，地面要有坡度，避免积水和冻结；使用帆布覆盖在砂石堆表面，避免冻块混入到材料中影响到整体性能。混凝土搅拌中冻块会消耗一定的热量，导致混凝土的温度波动大，不容易被控制。对于一些冻块粒径在76mm以上，在搅拌机中冻块难以充分熔化，也可能导致搅拌机损坏。有冻块的骨料需要提前加热溶解，可以有限加热水，将更多的热量带入到拌合物，促进冻块融化，提升拌合质量。水加热温度应控制在80℃以下，温度超过80℃会导致假凝，所以需要调整投料顺序，先预拌骨料和水分，然后加入水分来均匀搅拌。施工时期，如果气温在-5℃以上，加热水即可，反之则要先加热砂，后加热水，以此保证施工质量。

一般情况下，混凝土冬季施工中，由于混凝土和外界存在温差，如果超过20℃，则要拆除模板后使用，遮盖物覆盖在混凝土表面，实现保温处理。混凝土经过充分搅拌后，需要经由一大段距离方可运输到现场入模成型。运输期间不可避免存在一定量的热量损失，具体原因同运输工具散热、倒运次数以及运输时间等因素有关。为了尽可能减少热量损失，要依托于实际情况选择有效措施予以控制，尽可能缩短运输时间、运输距离，倒运次数减少，确保混凝土入模温度在5℃以上。

在具体浇筑混凝土阶段，施工人员首先需要清理干净材料表面上附着的杂质和积雪，但不要使用蒸汽清理积雪，否则会重新结冰。在混凝土均匀、充分振捣下，使用塑料薄膜覆盖在混凝土表面，避免保温材料吸水。如果是在冻胀性地基上进行混凝土浇筑，则需要提前加热地基土方可进行后续的混凝土浇筑工作。在完成混凝土养护工作后，方可拆除模板，但这时期混凝土的各项性能尚未满足标准要求，为了保证混凝土施工质量符合要求，应该综合考量构件承载力、混凝土和环境的温度差以及混凝土的早期抗冻能力，在此基础上来决定是否需要拆除模板。

3.3 冬季混凝土养护措施

冬季混凝体养护处理，需要考虑到混凝土结构特点、施工周期、现场施工条件、施工气温以及经济效果等，灵活选择最佳的养护方法，最大程度上提升混凝土养护效果。具体养护措施如下。

1)正温养护。冬季气温在0℃以下，应在浇筑混凝土后保持一定时间正温，基于多种技术手段来控制混凝土凝固过程，达到标准的早期抗冻能力后，将温度冷却到0℃下，属于正温养护工艺。具体养护中，在加热原材料温度后，对运输工具以及搅拌站保温加热，情况允许下预热施工缝和钢模板区域的混凝土，确保混凝土浇筑后具有一定正温度。除此之外，也要加强保温材料围护，合理配置资源的同时，加快混凝土的凝固速度，达到预期强度。混凝土浇筑后，结合不同构件尺寸差异来确定浇筑温度，薄壁构件建筑过程中，应适当的提升拌合物温度，较厚的构件则需要降低拌合温度。需要注意的是，采用正温工艺进行混凝土养护时，原本温度在30℃以下，如果是选择人工方式加热材料，则要控制混凝土温度保持在40℃～50℃范围内，以此来提升混凝土性能。

2)负温养护。基于负温养护工艺，预热原材料，在浇筑完成混凝土后温度不小于5℃，浇筑后使用塑料薄膜在表面上覆盖，可以有效规避霜雪侵袭，规避混凝土脱水。如果平均气温在-8℃下施工，使用保温材料对材料进行围护，以此来延长混凝土材料的冷却时间。负温养护工艺实际应用中，操作便捷，可以减少能源损耗，但此项工艺下的混凝土强度增长速度缓慢。此项工艺更适合平均气温-16℃～0℃条件下混凝土施工，加入适量的防冻组分可以有效改善混凝土性能，降低混凝土强度。

3)综合养护。混凝土综合养护中，加入适量的防冻剂，预热原材料、运输工具以及搅拌站，浇筑后混凝土温度不小于10℃，构件断面尺寸不超过300mm时，控制混凝土温度不小于13℃。选择热工加热方式进行养护，混凝土终凝后降低温度在0℃以下，同环境温度保持平衡状态。这一时期的混凝土强度尚处于较低水平，但采用防冻剂有助于负温下混凝土持续凝固硬化。综合养护方式优势鲜明，相较于前两种工艺而言，可以减少能耗，加快混凝土强度增长速度，取得理想的混凝土养护效果。

4 冬季混凝土施工管理要点分析

4.1 材料要求

在寒冷区域，冬季混凝土施工中应选择合适的材料，包括：①水泥，优先选择普通硅酸盐数你材料，强度在32.5MPa以上，水泥用量在300kg/ms以上；②骨料，级配良好，材料清洁，质地坚硬，不允许有其他杂质混入其中；③拌合水，通过检验合格后方可混凝土拌和。

4.2 混凝土受冻临界强度

室外气温对混凝土强度影响较大，如果气温在-15℃以上，保证混凝土浇筑后强度达到4.0N/mm，气温-30℃以上时，混凝土强度则是5.0N/mm。

4.3 混凝体材料预热

选择水加热的方式实现预热原材料，如果加热效果并不理想，则需要对骨料进行加热处理。结合热工计算方式，确定混合料拌合温度，水泥强度等级42.5MPa以下，保证材料混合料拌合水温度和骨料温度分别在80℃以下、60℃以下；水泥强度在42.5MPa以上，保证材料混合料拌合水温度和骨料温度分别在80℃以下、40℃以下。如果混合料中的骨料不采用热水加热，可以将材料加热到100℃左右，达到规定温度后仍然无法满足各项要求，可以适当的提升加热水温度到100℃，调整投料顺序。水泥应在暖棚统一存放，温度在5℃以上，不允许直接加热。

4.4 混凝土的浇筑施工

混凝土制备过程中，依据配合比设计要求来加入各项原材料和添加剂，禁止混合料中有冻块掺杂其中。相较于常温环境，冬季混凝土搅拌时间应该适当的延长。浇筑混凝土前充分清理材料上的杂质，使用专门的保温装置来控制混凝土运输和浇筑期间的温度变化，入模温度和出机温度分别控制在5℃、10℃以上。

4.5 施工防冻剂掺量控制

冬季混凝土施工过程中，需要加入一定量的防冻剂，避免混凝土冻害影响到整体施工质量，但由于施工现场条件限制，无法全面检查所有的防冻剂，因此可能出现现场材料质量把关不严格的情况。对此，应该加强进场防冻剂质量检验，分别装入防冻剂溶液和水溶液到不同的容器中，在-15℃下存放2h，溶液完全结冰说明防冻剂效果较差，不能投入到施工中，应及时更换。也可以在防冻剂溶液中放入一根钢筋，在锅内煮沸，检查是否存在锈蚀痕迹，如果有说明防冻剂性能不符合要求。对于加入防冻剂的混凝土，可以组织坍落度实验分析，坍落度增加值缺失，表明所选择的防冻剂性能不理想，应重新购置质量合格的防冻剂。

4.6 混凝土质量检测

混凝土施工后要及时质量检验，尤其是要检查水、骨料加热温度，外加剂质量，混凝土出机和浇筑后的温度变化情况。浇筑混凝土后，由于水泥水化热现象会导致内外温差增加，大量热量蓄积在混凝土内部产生温度应力，进而诱发混凝土裂缝，影响到施工质量。降温时期，如果降温差变化较大，会加剧温度收缩效应，所产生的拉应力超出混凝土抵抗应力范围时，则会诱发混凝土开裂病害。所以，在浇筑混凝土后加强温度变化监控，选择合理有效的养护措施减少混凝土内外温差，降低裂缝出现几率，为冬季混凝土施工质量提供坚实保障。

4.7 加强施工安全教育

寒冷地区混凝土施工过程中，做好施工人员的安全教育工作同样重要，也是保障施工质量的一个基础前提。在施工前，组织人员进行安全知识培训活动，演练突发情况下如何应急处理，增强人员安全意识，同时为现场安全管理配备专门人员负责。鼓励人员严格规范自身行为举止，依据安全管理制度按部就班开展工作，对自己以及他人的生命财产安全提供保障。在每次施工前，应该仔细检查机电设备和工具使用情况，并且要关注施工人员身体健康情况。定期接受安全检查，安全督查小组成员在施工现场亲自检查施工情况，围绕安全管理目标来发现和解决突发情况。在落实安全教育同时，也要加强施工人员安全防护，尤其是寒冷冬季施工阶段，应配备防寒服、防滑靴等防护装备，及时清理现场积雪，创设安全的施工环境。做好室外保温设施设置，避免施工人员作业中冻伤。混凝土搅拌期间加入热水，应该做好施工人员安全防护，避免烫伤，以人为本全方位落实安全管理工作到实处。另外，施工期间一些危险性较大的环节，如，仓库、隧道和油库等，应该制定合理的消防安全措施，设置专门安全警示标志，最大程度上消除安全隐患，保障人员生命财产安全。

5 结语

综上所述，伴随着我国基建项目建设数量增加，部分项目为了赶工期，降低成本，不得不在冬季进行混凝土施工。因此，应该加强冬季混凝土早期冻害问题成因分析和防护，优化混凝土配合比，优化施工流程，并采用合理有效的养护方式来提升混凝土工程质量。