低温环境对输电工程混凝土工作性能和强度的影响

许涛 ，朱兆辉 ，陈诚 ，高建明

（1. 中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司，江苏 南京 211102；2.东南大学材料科学与工程学院，江苏 南京 211189）

0 引言

随着我国“新基建”的兴起， 5G 基站、特高压输电等领域建设速度加快。输电线路工程中的混凝土基础对线路铁塔的安全稳定、建设进度起着重要作用。新时期输电工程设施建设对基础混凝土的施工性能和强度适应各种环境的能力提出了更高的要求，尤其是在雨雪寒冷的冬季环境。 由于输电工程通常工期紧，甚至会遇到突发抢修情况，冬季施工无法避免。 另外，输电工程的施工地点一般都是偏僻的山野农田等地，与工民建相比，其工程施工配套设施和施工环境较差。文章以长三角地区冬季野外施工环境较差的输电线路工程中的基础混凝土施工为背景，重点研究低温环境（－5 ℃、5 ℃）不同水胶比、外加剂含量对输电工程混凝土工作性能和力学性能的影响，研究结果为输电工程设施的施工进程控制提供了重要依据。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料和仪器

本试验采用海螺集团中国水泥厂P·O 42.5 级水泥； 粗集料采用 5～25 mm 连续集配碎石， 含泥量≤1%， 表观密度为2 810 kg/m3； 细集料采用中砂，细度模数2.4，含泥量≤1%；采用江苏苏博特新材料股份有限公司的聚羧酸型高性能减水剂 （液态），减水率约20%，固含量10%；采用江苏苏博特新材料股份有限公司的高性能低温早强剂，主要为有机物类和亚硝酸盐类复合而成；混凝土拌和用水为自来水。

试验过程中使用的主要设备有：冰柜、环境模拟试验箱、温湿度传感器、压力试验机、坍落度筒、直尺、混凝土搅拌机等。冰柜可达到的模拟条件为-15～10 ℃， 相对空气湿度 58%～62%， 温度均匀度≤1.5 ℃，温度偏差±1 ℃，相对空气湿度偏差±2%。环境模拟试验箱可达到的模拟条件为-20～80 ℃，相对空气湿度10%～100%，温度均匀度≤1 ℃，温度偏差±1 ℃，相对空气湿度偏差±2%。

1.2 配合比

试验所用混凝土配合比如表1 所示。

表1 混凝土配合比

1.3 养护条件

恒温养护条件：通过调节冰柜、环境模拟试验箱的温度为-5 ℃、5 ℃、20 ℃，湿度为（60±2）%RH。

1.4 试验过程与方法

试验过程：在相对应的养护温度条件下搅拌混凝土，测试新拌混凝土的工作性能，包括坍落度、扩展度等；成型后放置于对应模拟环境养护，之后测试其 7 d、14 d、28 d 抗压强度。 将处于-5 ℃、5 ℃、20 ℃的试样设定为 D、Z、G 三组， 每组包含 C30、C40 配合比的混凝土，设为 D30-0、D30-3、D40-0、D40-3 等。

试验方法：不同环境下混凝土工作性能测试依据GB/T 50080—2016 《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》） 进行， 混凝土抗压强度测试依据GB/T 50107—2010《混凝土强度检验评定标准》）进行。

2 结果与讨论

2.1 低温成型和复合早强剂对混凝土工作性能的影响

不同环境温度对新拌混凝土工作性能的影响如图1 所示，试验结果表明，混凝土的坍落度及扩展度随环境温度的降低而增大， 随混凝土的强度设计等级升高而减小。对比发现，新拌混凝土在温度较高时的坍落度和扩展度的变化更为敏感， 即在5 ℃以上时环境温度每升高1 ℃时， 坍落度和扩展度减小速率增大。 复合早强剂对混凝土工作性能的影响如图2 所示，结果表明，混凝土的坍落度及扩展度随着复合早强剂的掺加而减小。 另外， 在环境温度为20 ℃时，掺加3%的复合早强剂对混凝土的坍落度和扩展度影响较小。综合来看，在温度处于-5～5 ℃时，由于此时水泥的水化反应较弱，水分蒸发较少，因而表现出坍落度、扩展度较大，常伴随着泌水的出现。随着水灰比的降低，混凝土的流动性降低。在添加适量的复合早强剂或提高环境温度后，混凝土在拌和时即开始加快水化进程， 吸收更多水分，同时水分蒸发速率加快，致使混凝土的流动性变差。

图1 不同环境温度和混凝土强度等级对混凝土坍落度、扩展度的影响

图2 复合早强剂对混凝土坍落度、扩展度的影响

由表2 可以看出，随着环境温度的降低，复合早强剂对混凝土早期水化速率的提升明显。 在温度为5 ℃、-5 ℃的环境下， 加入复合早强剂对混凝土早期水化有极大的促进作用，能够使混凝土的初凝时间和终凝时间提前[1]；而处于20 ℃养护环境下，加入复合早强剂对于混凝土的初凝及终凝几乎未起作用。 这是由于在温度较低时，硝酸盐能大幅降低游离水的冰点，使其在温度较低时保持液态，而有机物能帮助降低溶液的表面张力，提升水泥与自由水的润湿速率，另一方面可与金属离子形成比较稳定的络合物，而水化产物（如C3A 等）在络合物的溶液中扩散速率更快， 便可加快形成钙矾石[2]；在温度较高时，其本身的扩散速率很快，部分水被包裹无法及时释放，致使水化速率基本无变化，保持平稳。

表2 混凝土凝结时间

2.2 低温养护和复合早强剂对混凝土强度发展的影响

混凝土强度的增长主要是由于水泥不断水化，相应水化产物逐渐增加，而影响水泥水化程度的因素有很多，包括养护温度、水胶比、外加剂、龄期等。根据输电工程的调研结果，模拟其相应环境，得出的混凝土强度试验结果如图3、4、5 所示。

由图3、4 可知，混凝土强度随着龄期的增加逐渐增长，但增长率逐渐降低。 不同强度等级对应阶段的强度增长率基本相同， 养护温度在5 ℃以上，混凝土在28 d 的强度都能达到预期强度值且后期强度未出现降低。 在－5 ℃、相对空气湿度60% 时，混凝土的强度增长极慢，表明在温度降低至一定温度时其内部的自由水易结成冰致使水泥也停止水化，即使随着龄期的增加，混凝土强度也只能达到标准养护条件下28 d 强度的20%～30%。 在5 ℃、相对空气湿度60% 时， 混凝土在7 d 时的强度仅有标准养护条件下7 d 强度的40%～50%， 这表明在5 ℃时，水泥前期的水化速率得到了很大程度的抑制， 但水化过程中生成的水化产物和大量水化热， 一方面保证了7～14 d 水泥较快的水化速率，另一方面大量的水化产物填充混凝土内部，快速提升了强度。 在20 ℃、相对空气湿度60%时，混凝土在前期7 d 即已达到混凝土28 d 设计强度的60%～70%，在60 d 时混凝土的强度已经达到混凝土28 d设计强度的110%左右。

图3 低温养护环境下养护龄期与抗压强度的关系

图4 低温养护环境下养护龄期与抗压强度比的关系

由图5 可知，掺入复合早强剂之后，对于三种养护条件下混凝土早期强度都有大幅度提升， 但提升效果随着养护温度的升高而降低。对于－5 ℃、相对空气湿度60% 时的养护条件， 加入3%的复合早强剂能够在7 d 龄期时强度提升139%至19.6 MPa，60 d时其强度能提升300%至38.4 MPa; 对于5 ℃、 相对空气湿度60% 时的养护条件下， 加入3%的复合早强剂能够在7 d 龄期时强度提升75%至36.1 MPa，但60 d 时其强度基本与不掺复合早强剂的强度相当；对于20 ℃、相对空气湿度95% 时的养护条件下， 加入3%的复合早强剂能够在7 d 龄期时强度提升12%至37.3 MPa，后期强度基本接近。

图5 低温养护环境下复合早强剂对混凝土抗压强度的影响

试验结果表明， 在－5 ℃且不掺复合早强剂的情况下，由于水泥水化过程极其缓慢，在较短时间内达不到此温度下混凝土可继续发展的最低强度，之后强度发展停滞， 而加入3%的复合早强剂，能够加速C3A 的水化及水化物与石膏反应生成钙矾石的过程，使混凝土在1～3 d 内快速达到其受冻临界强度，即达到此强度混凝土方可持续水化、强度增加；高性能减水剂及复合早强剂，不仅有利于其早期强度的增长，更能保证后期混凝土强度不出现倒缩，对混凝土的耐久性能提升具有重要意义[3]。

3 结论

（1）新拌混凝土的坍落度及扩展度随着环境温度的降低而增大， 随着环境温度的降低其坍落度和扩展度的减小速率减小。 混凝土的坍落度及扩展度随着复合早强剂的掺加而减小，在环境温度为20 ℃时，掺加3%的复合早强剂对于混凝土的坍落度和扩展度影响较小。

（2）随着环境温度的降低，复合早强剂对混凝土早期强度的提升速率明显。 在温度为5 ℃、－5 ℃的环境下，加入复合早强剂对于混凝土的早期水化有着极大的促进作用，能够使混凝土的初凝时间和终凝时间提前；而处于20 ℃养护环境下，加入复合早强剂对于混凝土的初凝及终凝几乎未起作用。

（3）混凝土各强度等级的强度随着龄期的增加逐渐增长，在5 ℃以上的养护温度下，混凝土在28 d的强度都能达到设计强度且后期强度未出现倒缩。掺入复合早强剂之后，对于三种养护条件下的混凝土的早期强度都有大幅提升，但提升效果随着养护温度的升高而降低。在－5 ℃且不掺复合早强剂的情况下， 混凝土60 d 的抗压强度只有20 ℃环境下混凝土60 d 抗压强度的20%，即9.6 MPa；掺入复合早强剂后可 7 d 提升 139%至 19.6 MPa，60 d 时其强度能提升至38.4 MPa。

（4）结合输电工程混凝土施工特性，即低温环境下7 d 内混凝土强度达到预期强度的70%以上，需在环境温度5 ℃以上且掺加复合早强剂的情况下方可实现；而当环境温度高于20 ℃时，仅掺加适量的高性能聚羧酸减水剂也能满足施工要求。