关于混凝土冬季施工的原理分析及施工方法

张丽华 唐义新

我国北方地区冬季持续时间较长,由于受工期制约,许多工程的施工工序冬季施工是不可避免的,这就给工程建设带来许多困难,特别是对于混凝土来说,若施工时处理不当,即会产生冻害,造成质量事故。因此,对于混凝土冬季施工理论和方法的探索研究就显得格外重要。

一、混凝土冬季施工的概念

冬季施工起始日期应根据当地多年气温资料,在室外日平均气温连续5天稳定低于5℃时,或最低气温降到0℃和0℃以下时,混凝土结构工程的施工,用常温方法施工,难以达到预期的目的,必须采用特殊的技术措施进行施工方能满足要求,称混凝土的冬季施工开始。

二、混凝土冬季施工受冻情况分析

1.原因分析。混凝土强度增长的速度和其最终强度取决于很多因素,其中硬化时的“温度”是诸多因素中主要因素之一,在一定范围内温度越高,其硬化的速度越快,温度低则硬化慢,当温度降低到0℃以下时,混凝土中的水即结成冰,水泥的水化作用也停止了,混凝土的强度不会再增长了。也就是说混凝土的强度来源于其本身的水化作用。而水的形态变化是影响混凝土强度增长的关键因素。

新浇混凝土中的水,存在形式有三种,一部分是游离水(也称自由水),它充满在混凝土各种材料的颗粒孔隙之间;第二部分是物理结合水,这部分水是吸附在各种颗粒的表面和毛细管中的薄膜水;第三部分是与水泥颗粒起水化作用的水化水。而在负温下混凝土中能结冰的水,主要是游离水和物理结合水。

当温度接近0℃时, 混凝土硬化的很慢,当温度达到0℃时,由于水泥在水化时,产生了一定的水化热,混凝土中的水还不会立即结冰,当温度降低至-1至-1.5℃时,游离水开始结冰了,当温度接近-4℃时,混凝土中的物理结合水,也开始结冰了,当温度低于-4℃时,大量的水结成冰,使混凝土严重“脱水”,混凝土中水泥的水化作用完全停止,混凝土的强度停止增长。

混凝土在初凝和硬化初期遭受冰冻,不仅是水化作用停止,同时水变成冰时,其体积增大约9%,使混凝土内部产生了冻胀应力,破坏了尚未充分凝结好的水泥絮状结构。同时在骨料及钢筋表面,以及在与膜板接触的表面,都会形成颗料较大的冰凌,这些冰凌一方面会大大削弱了水泥与骨料及钢筋的黏结力,从而降低了混凝土密实度减小和耐久性降低。这些都会造成混凝土最终强度的损失,所以混凝土一经受冻,则不论其受冻时间的长短,它的损害程度都几乎是相同的。

2.混凝土受冻可有的三种情况:第一种是混凝土在初凝前后即遭受冻结。在这种情况下,混凝土本身尚无强度,水泥水化作用刚刚开始不久,混凝土中的水分大部分处于游离水状态,如此时混凝土遭受冻结,大量的游离水因结冰而体积膨胀较大,混凝土会变得很松散。这种受冻的混凝土虽再经正温下养护28天,其最终强度会降低50%以上,其抗冻性、不透水性及耐久性也会大大的降低,降低的程度主要取决于混凝土内部组织的破坏程度。第二种是混凝土在终凝后即遭受冻结,此时混凝土本身强度还很小,小于水结冰体积膨胀的松散应力,此种受冻结的混凝土解冻后,虽经正温浇水养护,但仍要部分损失其最终强度。由于此时混凝土中的水化水多了,游离水少了,所以其冻胀力也相应减小了。第三种是混凝土经过一定时间的养护,并已具有“一定的强度”以后再遭受冻结。此时,混凝土内部强度已足以抵抗由于混凝土内部剩余的水结冰而产生的松散力。因此,此种受冻的混凝土经正温浇水养护后,其最终强度并无损失。这“一定强度”即为混凝土可以受冻的“临界强度”。

由以上三种情况分析可见,混凝土受冻的“临界强度”是个非常重要的概念,它是指新浇的混凝土,在受冻前达到某一初期强度值,然后遭受冻结,但当恢复正温养护后,混凝土强度还能增长,并再经28天标养后,其后期强度可达到混凝土设计等级的95%以上。其受冻前的初期强度,我们称之谓混凝土允许受冻的“临界强度”。

三、混凝土冬季施工方法的选择

经研究认为,当环境温度降到4℃时,只要采用适当的施工方法和措施,设法使其在冻结前达到临界强度,避免新浇混凝土早期受冻,也会取得像在天暖施工时的效果。

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:一是如何确定混凝土最短的养护龄期,二是如何防止混凝土早期冻害,三是如何保证混凝土后期强度和耐久性满足要求。

在实际施工中,要根据环境变化、现场条件、工程结构类型、水泥品种、外加剂、保温材料性能、供热来源等实际情况,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4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:①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。②选择适当品种的水泥是提高混凝土抗冻的重要手段。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天抗压强度大约相当于普通硅水泥7天的强度,效果较明显。③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%)。④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。⑤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,改善其黏聚性及保水性,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。

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。①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。②蒸气加热。用蒸气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。③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。④红外线加热。以高温电加热器或气体红外线发生器,对混凝土进行密封幅射加热。

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。

上述4种冬季施工方法都有利有弊,其适用范围都受一定条件的制约。应根据施工的实际条件,采用一种或两种以上施工方法结合作用。□(编辑/穆杨)