低温环境对混凝土强度影响试验研究

张伟康（邯郸金隅太行水泥有限责任公司，河北 邯郸 056200）

0 前言

我国北方大部分地区进入冬期时间较早且持续时间长，为使建筑工程尽早完工使用，经常需在冬期进行施工建设，但混凝土结构在冬期施工中容易出现强度不足、裂缝过多等质量隐患，进而影响建筑物的安全性及耐久性。建筑工程冬期施工规范中规定，当室外日平均气温连续5天稳定低于5℃，即进入冬期施工，且明确规定，凡进行冬期施工的工程项目，需编制冬期施工专项方案。目前混凝土冬期施工中，为了防止混凝土早期凝固时被冻坏，保证其后期强度，一般需要在施工和养护阶段采取一些措施，例如加热原材料、采用特殊养护方式以及掺加外加剂等，但这些措施不仅会增加施工难度，延缓施工进度，同时会改变混凝土的一些性能，影响工程质量。

商混公司冬季适配时，主要检测防冻剂的性能，如适应性、抗压强度比等，为了保证混凝土强度一般会提高水泥用量，而冬季施工时也主要控制混凝土的出厂和入模的温度，等工地验收时才检测实体强度，没有对低温环境下混凝土强度的增长趋势或不同温度对混凝土强度增长的影响进行过系统的试验。本文主要研究低温环境混凝土强度的增长趋势及不同温度环境对混凝土强度的影响。

1 试验用原材料

试验用原材料：水泥（成安粉磨站P·O42.5）；矿渣粉（邯郸建材）；粉煤灰、天然砂、人工砂、碎石（成安商砼）；-10℃防冻外加剂（金隅科技）。其中，人工砂、天然砂筛析结果见表1，碎石筛析结果见表2。

表1 人工砂、天然砂、中砂筛析结果

表2 成安碎石筛析结果

2 试验方案

（1）试验用原材料均为成安搅拌站生产用料，外加剂均为-10℃，防冻外加剂试验配合比见表3。

表3 混凝土配合比

（2）温度跨度：5℃ 0℃ -5℃ -10℃、-15℃

（3）养护方式：低温养护、标准养护、同条件养护。根据混凝土度时积理论，当混凝土的原材料、组成比例为已知时，其强度的增长主要由温度与时间决定的，所以，通过相同的养护时间对比不同温度跨度混凝土强度增长趋势。

低温养护：保证出机温度在13℃，测量坍落度后入模成型，在20±3℃环境中预养6 h后覆膜放入低温养护箱，低温养护箱在3～4 h达到指定温度；在低温环境中养护7 d后取出并在20±3℃解冻24 h，解冻后进行脱模、破型试验或放入标准养护室。

标准养护：保证出机温度在13℃，测量坍落度后入模成型，在20±3℃环境中预养24h后放入标准养护室直至到达规定龄期后取出破型。

同条件养护：保证出机温度在13℃，测量坍落度后入模成型，直接放在户外进行养护，并每天记录温度直至到达规定龄期后取出破型。

（4）同条件养护日平均温度在-4～6.5℃。

3 试验数据与分析

3.1 不同环境混凝土强度数据分析

不同环境混凝土抗压强度见表4，抗压强度分析见图1。

图1 混凝土抗压强度分析

表4 不同环境混凝土抗压强度

由上述图表可看出，在相同养护龄期下，同条件养护的试块强度最低，7 d强度为14.2 MPa，为标准养护混凝土7 d强度的46.9%，56 d强度只有39.1 MPa，为标准养护混凝土56 d强度的76.5%。在养护初期没有做预养处理而是直接放入室外，而室外的湿度也较低，导致出现直接受冻现象，早期强度约损失50%以上，后期强度约损失25%；标准养护条件的抗压强度7 d时最高，说明混凝土早期的强度与养护温度成正比，温度越高早期强度越高，另一方面，经过6 h预养处理后的混凝土随着养护龄期的增加与负温养护变为标准养护，5℃至-15℃试块抗压强度均高于同条件环境的混凝土强度，当龄期到达28 d时，只有同条件养护与-15℃的试块抗压强度低于标准养护试块抗压强度，56 d龄期同条件养护与-15℃的试块抗压强度依然低于标准养护试块抗压强度，原因应是所用防冻剂的规格为-10℃，而-15℃的混凝土试块在负温养护期间已经将混凝土内部结构破坏，虽然强度仍有持续增长，但相比其他环境温度试块有较大差距。

根据不同养护条件，以每天平均气温累加得出养护累计温度，见表5。

表5 混凝土养护累计温度 ℃

标准养护：20℃预养1 d，放入20℃标准养护，按龄期累加；同条件养护：无预养，根据同条件温度记录，算出每天平均温度，按龄期累加；负温养护：20℃预养6 h为5℃，放入规定低温养护，20℃解冻1 d，按龄期累加。

由上述数据可看出7 d、14 d的强度与养护累计温度有很强的对应关系，随着龄期增加，后期强度与养护累计温度对应关系逐渐减少，但总体趋势依然是相同龄期内，养护累计温度可大致判断混凝土强度高低。

根据上述分析，混凝土在低温环境下，在不掺入防冻剂及防冻型外加剂，不采取足够的保温措施，无法保证受冻前达到抗冻临界强度，对混凝土强度损失很大；当保证了混凝土受冻前达到了临界强度，就算混凝土受冻，解冻之后仍可保持强度快速增长。

3.2 不同环境混凝土强度增长率数据分析

不同环境混凝土强度增长率见表6，分析图见图2～5。

图2 混凝土抗压强度0～7 d强度增长率(MPa/d)

图3 混凝土抗压强度7～14 d强度增长率(MPa/d)

图4 14～28 d混凝土抗压强度增长速率（MPa/d）

图5 28～56 d混凝土抗压强度增长速率（MPa/d）

表6 不同环境混凝土抗压强度增长率 MPa/d

由图2可看出，不同环境混凝土试块0～7 d抗压强度增长率有较大差异，标准养护下试块强度增长率最高，达到4.3 MPa/d，而在-15℃环境下的混凝土试块强度增长率仅为0.7 MPa/d，同条件环境下的试块强度增长率为2.0 MPa/d，低于-5℃环境下的试块强度增长率。在标准养护条件下，温度与湿度均为最佳，早期的强度增长很快；同条件环境下，户外的温度湿度相对较差，导致混凝土强度增长缓慢；在5℃至-15℃环境下的混凝土因有6 h预养时间并加入防冻剂，使混凝土在放入低温试验箱前达到初凝，可以有效的防止混凝土受冻情况，但随着温度不断降低，在-10℃以下后，早期强度增长率大幅下降。

随着试块龄期增加，标准养护环境混凝土试块强度增长率明显降低，前期的高增长率导致现在趋于平缓；在5℃至-15℃环境下的混凝土经过解冻放入标准养护环境，强度增长仍然较高，其中-10℃以下环境的混凝土强度增长速率涨幅最大，因为所用防冻剂规格为-10℃，5℃至-5℃环境下其早期强度可继续增长，而-10℃以下则有受冻影响，水泥水化基本停止，但内部结构没有受到太大影响，进入标准养护环境后，水泥水化作用开始发挥，强度增长率随之增加，同条件环境试块强度略有下降。

由图4可以看出，14～28 d龄期的各个环境混凝土抗压强度增长率明显趋于缓慢，水泥水化速率减慢；-10℃以下的试块由于水化开始时间较晚，在这个龄期中强度增长较其他环境试块强度略高。

28～56 d龄期期的各个环境混凝土抗压强度增长率明显趋于平稳，增长率基本相同；水泥水化到达后期，强度增长已开始逐渐平稳，强度增长率与所处环境的影响基本无关。

经上述分析可以得出，在不同环境温度下，混凝土早期强度的增长率受其影响很大，在同样有防冻剂与6 h预养的混凝土中，-10℃以上的试块强度在低温试验箱中仍可以增加，当温度达到-10℃以下，试块强度在低温试验箱中增长率很低，可以看作试块已受冻。随着龄期增加，试块从低温试验箱经过解冻放入标准养护环境后，-10℃以下混凝土试块强度增长率大幅增长，未受冻试块强度增长率逐步下降，龄期到达28～56 d后，各个环境下的混凝土强度增长率趋于平稳且基本相同，与养护环境基本无关。

3.3 原理分析

混凝土预养时间与混凝土中液相水量、内部结构密切相关，添加防冻剂也是降低混凝土中液相水量受冻温度，影响混凝土早期受冻。如果混凝土不加入防冻剂、预养时间较短或者不经过预养直接放入低温环境，混凝土很大可能直接受冻，导致水泥水化程度较小，混凝土内部液相水量无法减少，在低温环境下混凝土内可冻结水量就会增加。

混凝土成型后，如果立即放入低温试验箱内，试块不经过6 h预养，由于水泥水化处于开始阶段，在混凝土初凝之前，混凝土仍保持塑性状态，这时受冻损害不了混凝土本身的物理性能；但是，混凝土初凝后，在低温环境下，混凝土内部降温较快，一方面水分子由于温度活性降低，水泥水化反应速度减慢，使得混凝土强度增长缓慢；另一方面，当温度降低到水的冰点以下，这时混凝土内部水分开始结冰无法迁移，会在混凝土内部形成较大的冰晶，造成混凝土局部应力变大、变形，而此时混凝土结构还未形成，必然造成微型裂缝的产生，导致混凝土强度的损失，根据上述数据，尤其在混凝土的早期强度尤其明显。

4 试验总结

（1）混凝土加入防冻剂并在相同养护龄期下，在成型后没有预养直接放入户外的同条件试块，各个龄期强度约为标准养护环境试块65%～25%，强度增长率平稳缓慢，14 d的抗压强度已低于-15℃的混凝土强度。

（2）混凝土加入防冻剂并在相同养护龄期下，在成型后在在20±3℃环境中预养6 h后放入低温养护箱的低温养护试块，在-10℃以上环境养护的混凝土，除低温养护7 d强度较低，恢复标准养护环境后，强度大幅增加，较同条件养护混凝土强度要高，当养护环境温度低于-10℃防冻剂要求后，随着强度增长，但后期强度低于试验各环境的混凝土强度。

所以，为防止混凝土早期冻结破坏，混凝土中防冻剂与预养措施都起着重要作用，原理都是让混凝土在受冻前达到临界强度，保证混凝土内部结构完整以及环境温度高于防冻剂规定温度，可以使解冻后的混凝土仍有较好的强度增长。