混凝土蓄热法施工的温控方式分析

胡 焜，柳艳杰，宋 冰

（黑龙江大学建筑工程学院，哈尔滨150080）

1 温度对混凝土强度的影响

冬期施工是指当环境昼夜平均气温连续3d低于5℃或最低气温低于－3℃时混凝土、钢筋混凝土、预应力混凝土及砌体工程的施工。混凝土拌和物浇筑后，凝结和硬化的强度主要靠水泥水化作用。水化作用的速度在一定湿度条件下，主要取决于温度，温度愈高，强度增长也愈快，反之则慢。当温度降至0℃以下时，水化作用基本停止，温度再继续降至－2～－4℃，混凝土内的水开始结冰，水结冰后体积增大8%～9%，在混凝土内产生冰晶应力，使强度很低的水泥石结构内部产生微裂纹，同时减弱了水泥、砂石和钢筋之间的黏结力，从而使混凝土强度降低。受冻的混凝土在解冻后，其强度虽能继续增长，但达不到原设计的强度等级。试验证明，混凝土遭受冻结带来的危害，与冻结的时间早晚、水灰比等有关，遭冻时间愈早，水灰比愈大，则强度损失愈多；反之，则损失少［1］。

经试验得知，混凝土经过预先养护达到一定强度后遭冻结其后期抗压强度损失就会减少，一般把遭冻结其后期抗压强度损失在5%以内的预养强度值定为 “混凝土冻临界强度”。

2 冬季施工方法

冬季混凝土施工主要是确定混凝土最短的养护龄期、防止混凝土早期冻害、保证混凝土后期强度和耐久性满足要求。施工过程中，根据施工时的气温情况、工程结构、工期、水泥品种、外加剂、保温措施、热源条件等选择合理的施工方法，用最短的工期、最低的施工费用来获得最优良的工程质量［2］。归纳起来，主要有蓄热法、模板外层保温法、掺加防冻剂法等。其中蓄热法主要用于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、运输和浇筑以后，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，施工费用低，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 蓄热法混凝土配合比调整方法

选用适合冬季施工的混凝土配合比。根据施工方法、环境条件适当调整配合比，将骨料带入的水分及外加剂溶液中的水分从拌和水中扣除。具体做法：①选择适当品种的水泥是提高混凝土抗冻的重要手段［3］。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3d抗压强度大约相当于普通硅酸盐水泥7d的强度，效果较明显；②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；③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。

某闸墩采用C30混凝土，坝区平均气温为3.6℃，全年有5个月月平均气温在0℃以下，最冷的月份平均气温为－19.4℃，极端最低气温为－38.1℃。

C30闸墩混凝土的施工配合比见表1。

表1 C30混凝土的施工材料用量及特性表Table 1 C30concrete construction content and characteristics table

4 冬季施工技术温度分析

4.1 混凝土拌制温度确定

冬季混凝土搅拌时间比常温施工延长50%，对掺有外加剂的混凝土搅拌时间取常温搅拌时间的1.5倍。最短拌制时间90s。混凝土拌和物出料温度≥10℃。

利用拌和前混凝土原材料总热量与拌和后流态混凝土总热量相等的原理，可求得混凝土出机口温度：

式中T1为混凝土出机口温度，℃；T0为混凝土材料加热温度，℃；Ti为混凝土拌和站内温度，℃。

其中T0为混凝土材料加热温度，℃；Cs，CG，Cc，Cw分别为砂、石、水泥、水的比热，kJ／（kg ·℃）；qs，qG分别为砂、石的含水率，%；Ws，WG，Wc，WW分别为1m3混凝土中砂、石、水泥、水的重量，kg；Ts，TG，Tc，TW分别为砂、石、水泥、水的温度，℃。

混凝土拌和站内温度为－5℃。假定C30混凝土拌和物在拌和过程中热量交换达到稳定状态，即温度稳定时的温度为T0，考虑水0℃以下是冰，在冰融化过程中发生熵变，即由0℃冰变成0℃水要吸收热量，反之，要释放热量。则C30混凝土拌和物温度T0＝28.58℃。C30混凝土拌和物出机温度T1＝20.2℃，满足文献［1］的要求。

4.2 混凝土的运输温度分析

混凝土运输要快装快卸，混凝土运输使用混凝土罐车进行运输，运输时对混凝土罐车用保温皮革包裹，根据施工用量和浇筑时间选择容量，合理组织装、运、卸，减少混凝土装卸次数，防止混凝土热量散失、表层冻结、离析、水泥砂浆流失、坍落度变化等。当拌制混凝土出现坍落度减小或发生速凝现象时，重新调整拌和料的加热温度。正确选择拌和站的摆放位置，选择最佳运输路线，缩短运输距离。

混凝土在运输途中，混凝土罐将不停的搅拌，混凝土在搅拌过程中其温度不会有较大的下降，混凝土拌和物经运输到浇筑时的温度T2可由下式得到：

式中a为温度损失系数，当用混凝土搅拌车运输时，a＝0.25；t1为混凝土拌和物自运输到浇筑时的时间（h），设定混凝土运输时间为30min；n为混凝土拌和物运转次数，根据现场测试，混凝士搅拌运输车装卸2次；Ta为混凝土拌和物运输时环境温度 （℃），设定为－8℃。

4.3 混凝土的入模温度分析

一般冬季施工时混凝土的入模温度控制在10℃左右，为了能达到这一要求，需要对混凝土泵管进行保温处理。混凝土泵管在现场先用阻燃草帘被包裹，再在草帘被外包裹一层塑料布防止水淋湿草帘被而影响保温效果。

可以推导出混凝土拌和物T0与入模温度T2、气温Ta、运输时间t1、转运次数n、搅拌棚内温度Ti之间的关系：

4.4 混凝土成型温度分析

混凝土的终凝温度与环境温度关系密切。混凝土的终凝时间也对混凝土的终凝温度有一定的影响，浇筑前，对结合面进行加热，使结合面有5℃以上的温度，对施工缝1.5m范围内的混凝土和长度1m范围内的外露钢筋进行防寒保温，再铺一层厚15cm与混凝土灰砂比相同而水灰比略小的水泥砂浆，浇筑新层混凝土后重点捣实。振捣紧插慢拔，保证混凝土的均匀性、密实性和结构的整体性。

C30混凝土浇筑成型时的温度T3为：

式中T3为考虑模板和钢筋吸热影响，混凝土成型完成时的温度 （℃）；Cc为混凝土的比热容 （kJ／kg·K），根据上述计算Cc为0.97kJ／kg·K；Cf为模板的比热容（kJ／kg·K），查找资料Cf为0.48kJ／kg·K；Cs为钢筋的比热容（kJ／kg· K），查找资料Cs为0.48kJ／kg·K；Mc为混凝土重量（kg／m3），根据上述计算Mc为2 326kg； Mf为混凝土相接触模板的重量 （kg／m3），设定混凝土相接触模板的重量Mf为200kg／m3；Ms为混凝土相接触钢筋的重量 （kg／m3），设定混凝土相接触钢筋的重量Ms为100kg／m3；Tf、Ts为模板、钢筋的温度，未预热时可采用当时的环境温度（℃），设定为0℃。

混凝土初始养护温度满足要求。

4.5 拆模温度分析

根据温度变化，及时掌握混凝土的拆模时间。浇筑温度0～4℃的混凝士凝结时间比15℃时延长3倍。温度到0.3～0.5℃时，混凝土开始冻结，冻结后水化反应基本停止；在－10℃时，水泥水化反应完全停止，混凝土强度不再增长。采用暖棚法养护的混凝土，当养护完毕后环境温度在0℃以下时，应待混凝土冷却至5℃以下时拆模。当冬季混凝土拆模强度满足正常温度下，且混凝土拆模强度同时满足抗冻规定的正常温度下，混凝土拆模强度即侧模达到＞2.5MPa时，混凝土表面及棱角不因拆模而受伤。结构跨度＞2.0m的盖板，强度达到设计强度的100%；≤2.0m的盖板，强度达到设计强度的75%方可拆模。当混凝土与环境的温差在10～15℃时，拆除模板后立即在混凝土表面覆盖毡布、草袋及彩条布。

4.6 混凝土养护温度分析

浇筑完成后，及时加热养护，使混凝土结合面保持正常温度，直至新浇混凝土获得规定的抗冻强度。低于其抗冻临界温度4℃，混凝土通过采取适当保温措施后其温度将有一个回升的过程。混凝土的终凝温度是混凝士后期养护温度的关键，终凝温度越高养护温度将提高得越快，其强度增长将越快，到达临界强度的时间将缩短，施工周期相应缩短且提高工作效率。

4.7 混凝土放热温度分析

混凝土在不同温度下的放热速率不同，在相同的时间间隔内，放热量也不同。可以由等效龄期的概念，根据在已知温度下某段时间内的混凝土放热量，计算在其他温度下该时间段内的混凝土放热量。

由Arrhenius方程［4］，在任意温度下，单位体积混凝土的放热速率由下式计算：

式中h（t，θ）为在θ温度下t时刻的单位体积混凝土的放热速率；Q为单位体积混凝土的最终放热量；（1－α）为水泥的水化反应机理函数；α为水泥的水化度。

设单位体积混凝土在t时刻，温度为θ1时，所放出来的热量为ΔQ1，则有：

混凝土的终凝温度与环境温度有很大的关系，混凝土的终凝时间也对混凝土的终凝温度有一定的影响，混凝土的终凝时间越长其温度将下降越多。在混凝土的浇筑现场通过采取加温、对其周围进行围挡避免寒风进入等措施，使混凝土温度下降速度减慢，提高混凝土的终凝温度。混凝土在终凝时的温度是混凝土在浇筑过程中的最低温度，此时只要保证混凝土的温度不低于其抗冻临界温度4℃，混凝土通过采取适当保温措施后其温度将有一个回升的过程。C30闸墩混凝土浇筑温度变化见图1。

图1 混凝土放热温度Fig.1 Exothermic temperature of concrete

5 结 论

混凝土的浇筑过程是控制混凝土温度的关键过程，在这一过程中对混凝土浇筑要做到合理安排、精心组织，使混凝土在尽可能短的时间内完成浇筑任务，从而确保混凝土温度尽可能的少降低，使混凝土在比较短的时间内达到临界强度，从而撤除混凝土的保温措施降低工程施工成本。当然对于不同的施工区域及施工环境、不同的施工方法，混凝土的温度变化曲线是不一样的，但是对于同样的施工区域、同样的施工环境及施工方法，混凝土的温度变化曲线是不可能有多大的差别。具体来说要做好以下几点工作方能达到我们所预期的目的。

在冬季混凝土施工中，要严格按照所制定的混凝土施工技术方案和技术措施组织施工，特别是在几种特殊情况下的施工技术措施。在施工过程中随时掌握天气变化情况，合理安排混凝土的浇筑时间，确保混凝土的温度损失尽可能的小。冬季施工混凝土时，尽量不让混凝土受冻，或让其受冻时已达临界强度值而保证混凝土最终强度不受到损失。

在冬季浇筑混凝土时，要提前做好各项准备工作，从各种材料机具到人员均要有一个完整的准备，只有在各项准备工作充分以后才能开始进行冬季混凝士施工。

在冬季进行混凝土浇筑施工时，随时掌握混凝土温度的变化，针对不同的温度变化采取切实可行的防止混凝上温度降低的措施。

通过以上分析，在进行混凝土的冬季施工时只要采取适当的技术措施，加强对混凝土几个关键温度的控制，掌握最佳时机对混凝土采取保温措施，就能够保证混凝土的冬季施工质量。从混凝土温度曲线中能够掌握到混凝土温度变化的规律，应利用这一规律，来合理地安排混凝土施工，既要保证施工质量，又要降低施工成本提高效益。

［1］JGJ 104－1997，建筑工程冬季施工规程［S］.

［2］原晋濮.混凝土冬季施工的要点 ［J］.山西建筑，2007，（6）：174－175.

［3］刘 江.建筑施工手册：第四版 ［K］.北京：建筑工业出版社，2004.

［4］王甲春，阎培渝.早龄期混凝土结构的温度应力分析［J］.东南大学学报：自然科学版，2005，35（9）：15－18.