低温环境混凝土质量控制研究综述

周洋，武英杰

（1.新疆水利水电科学研究院，新疆 乌鲁木齐 830049；2.新疆水利水电材料工程技术研究中心，新疆 乌鲁木齐 830049）

长期以来，混凝土以其优异的力学性能和耐久性广泛应用于各种复杂环境下，与其他耗材相比，其具有来源广泛易获得、成本低、施工方便和高效节能的特点。随着社会经济水平的不断提高，混凝土的消耗量持续增大，对于新领域的开发和探索与日俱增。然而，随着人类社会的逐步发展和认识水平的逐渐提高，研究发现在低温条件下混凝土的施工质量难以保证，国内外由于混凝土耐久性和抗冻性不足引发工程结构过早破坏的案例时有发生，造成了严重的经济损失。

随着我国经济的快速发展，对于西部寒区工程建设的投入力度不断增大，而这些地区大多处于寒冷地带，受自然环境影响较大，混凝土结构经常处于冻融环境下，容易导致不同程度的冻害问题，危及结构安全，缩短使用寿命。此外南北两极蕴含大量资源，逐渐成为世界各国争夺的目标，在全球资源短缺的局势下，开发和探索极地地区资源，离不开低温及超低温环境下混凝土施工技术。因此，研究混凝土低温条件下的性能，提出合理的控制措施，有利于保证混凝土结构安全。

1 养护条件对低温混凝土性能的影响

我国地域辽阔，不同地区气候差异明显。在我国新疆、西藏、青海及东北等地区的冬季，昼夜温差大，平均气温很低，环境恶劣，冬季混凝土施工首先要面临的问题就是冻害。大多数工程通常选择在冬季停止施工，虽避免了冻害对工程质量的影响，但延长了工期。为了在保证工程质量的同时缩短工期，开展低温条件下混凝土的性能研究具有重要意义。针对三北地区冬季混凝土施工的特点，研究了不掺防冻剂时恒负温和自然变低温养护方式下粉煤灰掺量对混凝土孔结构特征的影响。研究结果表明，掺粉煤灰可降低混凝土孔隙率，改善内部结构，降低多害、有害孔的比例，提高无害、少害孔比例；自然变低温养护相对于恒负温养护而言，强度高孔隙率低且孔结构特征良好[1]。开展了未掺防冻剂条件下养护温度对低温混凝土强度和抗冻性的影响研究，结果表明，低温条件不加防冻剂改变养护温度可明显提高混凝土的抗压强度，改善抗冻性能；自然变低温养护条件下的抗压强度、动弹性模量、抗冻性能优于恒低温养护；自然变低温养护混凝土的强度和质量损失率最低，抗冻性更强[2]。

为了防止储罐泄漏时超低温液化天然气给混凝土基础造成瞬间冻害，在储罐外罐底板下加设适当厚度轻质混凝土隔离层，严格控制塌落度，采取保温保湿的养护方法，在浇筑完成12 h内覆盖保温层，保证了施工质量[3]。由于低温环境会对混凝土的水化反应产生影响，危及工程安全，通过搭建大棚提供恒温温度场，采用人工加热来提高热量。浇筑过程对裸露部位覆盖保温层，为了提高耐久性，降低防冻剂掺量并延长初期预养时间，添加高效减水剂和引气剂[4]。由于高寒区冬季混凝土施工掺加防冻剂存在弊端，冬季施工时，不掺防冻剂并采取蓄热法对拌和站和原材加热并调整养护制度[5]，雀儿山隧道低温混凝土施工技术为低温混凝土的施工提供参考。

综上所述，混凝土在自然变低温养护条件下具有更高的强度和低孔隙率，且混凝土的质量和强度损失最低，因而具有更强的抗冻性。同时，为了缓解低温环境对混凝土水化反应的不利影响，通过覆盖保温层、调整养护制度以及加热等方式改善施工环境，保障工程质量。

2 外加剂和掺合料对低温混凝土性能的影响

为了研究引气剂对混凝土抗冻性的影响，开展掺加不同掺量和类型引气剂的混凝土冻融循环试验，对比分析了冻融循环前后宏观性能变化，采用压汞法测试混凝土微观孔结构。试验表明，不同温度下引气剂对抗冻性的改善效果不同，随循环温度逐渐降低，改善效果逐渐明显；低温循环后，混凝土内部孔隙水冻胀使结构疏松，孔隙率不断增大，混凝土抗压强度呈下降趋势，引气剂掺入使混凝土内部产生了一定比例的无害孔，减少了多害孔，抗冻性能改善，不同引气剂对混凝土孔结构特征参数影响程度不同，高效引气剂粉剂对于提高混凝土在低温环境下的抗冻性能更有效[6]。低温条件施工添加复合型外加剂，可以解决极地混凝土施工抗渗、抗冻和早强等问题，提高效率，保障了工程质量[7]。为了研究混凝土超低温冻融循环损伤机理和控制措施，探究抗冻剂和引气剂对超低温抗冻性的影响，对冻融前后抗压强度、质量、微观、表观的变化进行分析。结果表明，循环最低温度越低，表面及内部结构劣化越严重，抗压强度下降越明显；冻融循环损伤主要是内部水结冰导致的，其体积膨胀对孔隙壁产生冻胀压力使孔隙逐渐增大、连通，裂缝宽度增加；随着冻融循环次数增加，内部损伤累积，结构变疏松；引气剂相比于抗冻剂对超低温抗冻性的改善效果更好；过多掺入外加剂均会对混凝土性能造成不利影响[8]。采用提高混凝土密实度和掺加引气剂的方式进行配合比设计，研究了混凝土的力学、抗冻性能，试验表明，提高混凝土密实度和添加引气剂可提高混凝土抗冻性，通过调节水灰比、掺优质掺合料、优化骨料级配可提高密实度，掺硅粉时混凝土抗冻性更佳[9]。通过试验探究自然变低温和恒低温养护条件时掺合料对低温混凝土强度的影响，通过试验确定了抗压强度和养护条件的关系，为混凝土的配制、施工和养护提供参考，试验表明，同时掺加粉煤灰和硅灰的试件强度更高，首选养护方式应为自然变低温，其更利于混凝土强度的增长[10]。通过改变掺合料掺量和掺加方式，测定了掺合料对低温混凝土强度、抗冻临界强度和达到抗冻临界强度时间的影响。结果表明，在外加剂掺量不变条件下，粉煤灰掺量增加，混凝土强度逐渐降低，不同组分混凝土的抗冻临界强度值不同，掺粉煤灰15%硅灰5%时强度更高，自然变低温养护更适合冬季混凝土的养护[11]。

综上所述，含气量是影响混凝土抗冻性的重要因素之一。大量研究表明，合理控制混凝土的含气量，有利于提高混凝土的抗冻性能。加入适量的引气剂会在混凝土内部形成众多微小、封闭的微小气泡，这些气泡为水结冰提供了更大的空间，降低了冰晶对周围孔壁的压力，进而提高了低温条件下混凝土的抗冻性。掺入引气剂还可以改善混凝土的流动性，提高和易性。另外，掺加矿物掺合料可以在参加水化反应的同时填充混凝土的内部孔隙，降低混凝土的孔隙率，提高混凝土密实度，可有效提高混凝土强度。

3 含水率对低温混凝土性能的影响

通过试验研究了常温降至目标低温、常温降至目标低温再回至常温时混凝土的力学性能，结果表明，混凝土低温抗压强度和弹性模量随低温的降低不断提高，回温时呈线性缓慢恶化趋势，并且低温混凝土的受力性能和含水率密切相关[12]。为了解决LNG低温储罐混凝土在超低温下性能和常温差异较大的问题，张楠等论述了超低温和低温冻融后混凝土性能变化机理，指出含水量和环境温度对混凝土超低温性能至关重要[13]。戢文占等研究了混凝土在不同强度、温度点的力学性能以及不同含水率和降温速率下的力学表现，结果表明，不同配合比混凝土在超低温环境表现不同，降温速率对抗压强度影响不大，含水率对强度影响较小[14]。谢剑等[15]考虑了循环次数和最低温度、水胶比和外界环境湿度的影响，对比了不同强度混凝土冻融前后的外观变化、强度损失及微观结构变化，试验表明，超低温冻融循环对混凝土更不利，对抗拉强度和含水率较大结构影响更显著，损伤程度随温度降低有加重趋势，SEM电镜下砂浆孔径增大，材料更疏松。时旭东等[16]对混凝土进行了温度范围为10～-40、10～-80和10～-160℃的冻融循环试验，研究了不同超低温温度区间对受压强度的影响，经历超低温冻融循环作用混凝土的受压强度变化规律明显不同于自然环境温度。在下限温度较高的温度区间的冻融循环作用初期，受压强度会提高，随冻融循环作用次数增加逐渐呈波动状恶化态势。温度区间不同时，混凝土单次冻融循环作用损伤指标和累积损伤指标存在明显差异。下限温度较高的温度区间，经历较多次冻融循环作用后仍为正值，表现为冻融初期有利于混凝土受压强度。随着冻融循环作用次数继续增加，下限温度较低温度区间的混凝土累积损伤严重。

综上所述，含水率和最低温度对低温混凝土的性能有重要影响。含水率越高，温度越低，对混凝土越不利。这是因为混凝土含水率越高，在低温环境下其内部孔隙的膨胀将会越大，因此其低温条件下的强度损失会更大，但只有当混凝土处于饱和状态或接近饱和状态时，经历冻融循环作用后，混凝土的结构才会发生破坏。

4 低温混凝土施工技术探讨

针对低温条件下混凝土施工所面临的诸多问题，采用合理有效的控制方法，编制合适的施工方案，对于有效控制工程质量、保证结构安全具有重要意义。经过查阅大量文献和相关资料，本文将低温条件下混凝土的施工技术总结如下。

（1）严格控制水胶比和含气量。水胶比越低，抗冻性越好。低水胶比高强混凝土不加引气剂也具有较好抗冻性，对中高水胶比混凝土，为了提高抗冻性，需掺加引气剂[17]。适当的引气可以有效提高混凝土抗冻性，改善混凝土和易性，但引气过高对抗渗不利，因此要控制混凝土的含气量在适宜水平。

（2）降低含水率和孔隙率。含水率和孔隙率对混凝土的强度有重要影响，混凝土在低温环境下施工，当温度较低时，孔隙水结冰膨胀导致混凝土产生冻胀破坏，尤其是饱水状态下，混凝土内部孔隙越多，冻融破坏越严重。掺加适量优质掺合料，降低水泥用量的同时可以有效改善混凝土的内部结构特征，增强混凝土结构的密实性，从而提高混凝土的抗冻性能。

（3）选用合适的外加剂。通过添加适量减水剂，在较低水胶比条件下获得更大的塌落度，满足施工要求的同时可以降低用水量，提高混凝土强度。另外，选用含早强成分的外加剂，可以提高水泥水化反应的速度，促使混凝土具有较高的早期强度，增强抗冻害能力。适量加入具有引气和抗渗作用的外加剂，引气剂的作用会产生一定量微小且独立的气泡，增加拌合物流动性。同时，气泡对冻融破坏有一定的缓冲作用，抗渗组分外加剂的掺入可在混凝土内部发生反应，进而堵塞孔隙，提高了混凝土的抗渗性。

（4）严格控制保温措施。通过覆盖保温层、调整养护制度及加热等方式，可以降低低温对混凝土水化反应的不利影响，有效改善施工环境，保证工程质量。