關于混凝土冬季施工的原理分析及施工方法

張麗華 唐義新

我國北方地區冬季持續時間較長,由于受工期制約,許多工程的施工工序冬季施工是不可避免的,這就給工程建設帶來許多困難,特別是對于混凝土來說,若施工時處理不當,即會產生凍害,造成質量事故。因此,對于混凝土冬季施工理論和方法的探索研究就顯得格外重要。

一、混凝土冬季施工的概念

冬季施工起始日期應根據當地多年氣溫資料,在室外日平均氣溫連續5天穩定低于5℃時,或最低氣溫降到0℃和0℃以下時,混凝土結構工程的施工,用常溫方法施工,難以達到預期的目的,必須采用特殊的技術措施進行施工方能滿足要求,稱混凝土的冬季施工開始。

二、混凝土冬季施工受凍情況分析

1.原因分析。混凝土強度增長的速度和其最終強度取決于很多因素,其中硬化時的“溫度”是諸多因素中主要因素之一,在一定范圍內溫度越高,其硬化的速度越快,溫度低則硬化慢,當溫度降低到0℃以下時,混凝土中的水即結成冰,水泥的水化作用也停止了,混凝土的強度不會再增長了。也就是說混凝土的強度來源于其本身的水化作用。而水的形態變化是影響混凝土強度增長的關鍵因素。

新澆混凝土中的水,存在形式有三種,一部分是游離水(也稱自由水),它充滿在混凝土各種材料的顆粒孔隙之間;第二部分是物理結合水,這部分水是吸附在各種顆粒的表面和毛細管中的薄膜水;第三部分是與水泥顆粒起水化作用的水化水。而在負溫下混凝土中能結冰的水,主要是游離水和物理結合水。

當溫度接近0℃時, 混凝土硬化的很慢,當溫度達到0℃時,由于水泥在水化時,產生了一定的水化熱,混凝土中的水還不會立即結冰,當溫度降低至-1至-1.5℃時,游離水開始結冰了,當溫度接近-4℃時,混凝土中的物理結合水,也開始結冰了,當溫度低于-4℃時,大量的水結成冰,使混凝土嚴重“脫水”,混凝土中水泥的水化作用完全停止,混凝土的強度停止增長。

混凝土在初凝和硬化初期遭受冰凍,不僅是水化作用停止,同時水變成冰時,其體積增大約9%,使混凝土內部產生了凍脹應力,破壞了尚未充分凝結好的水泥絮狀結構。同時在骨料及鋼筋表面,以及在與膜板接觸的表面,都會形成顆料較大的冰凌,這些冰凌一方面會大大削弱了水泥與骨料及鋼筋的黏結力,從而降低了混凝土密實度減小和耐久性降低。這些都會造成混凝土最終強度的損失,所以混凝土一經受凍,則不論其受凍時間的長短,它的損害程度都幾乎是相同的。

2.混凝土受凍可有的三種情況:第一種是混凝土在初凝前后即遭受凍結。在這種情況下,混凝土本身尚無強度,水泥水化作用剛剛開始不久,混凝土中的水分大部分處于游離水狀態,如此時混凝土遭受凍結,大量的游離水因結冰而體積膨脹較大,混凝土會變得很松散。這種受凍的混凝土雖再經正溫下養護28天,其最終強度會降低50%以上,其抗凍性、不透水性及耐久性也會大大的降低,降低的程度主要取決于混凝土內部組織的破壞程度。第二種是混凝土在終凝后即遭受凍結,此時混凝土本身強度還很小,小于水結冰體積膨脹的松散應力,此種受凍結的混凝土解凍后,雖經正溫澆水養護,但仍要部分損失其最終強度。由于此時混凝土中的水化水多了,游離水少了,所以其凍脹力也相應減小了。第三種是混凝土經過一定時間的養護,并已具有“一定的強度”以后再遭受凍結。此時,混凝土內部強度已足以抵抗由于混凝土內部剩余的水結冰而產生的松散力。因此,此種受凍的混凝土經正溫澆水養護后,其最終強度并無損失。這“一定強度”即為混凝土可以受凍的“臨界強度”。

由以上三種情況分析可見,混凝土受凍的“臨界強度”是個非常重要的概念,它是指新澆的混凝土,在受凍前達到某一初期強度值,然后遭受凍結,但當恢復正溫養護后,混凝土強度還能增長,并再經28天標養后,其后期強度可達到混凝土設計等級的95%以上。其受凍前的初期強度,我們稱之謂混凝土允許受凍的“臨界強度”。

三、混凝土冬季施工方法的選擇

經研究認為,當環境溫度降到4℃時,只要采用適當的施工方法和措施,設法使其在凍結前達到臨界強度,避免新澆混凝土早期受凍,也會取得像在天暖施工時的效果。

從上述分析可以知道,在冬季混凝土施工中,主要解決三個問題:一是如何確定混凝土最短的養護齡期,二是如何防止混凝土早期凍害,三是如何保證混凝土后期強度和耐久性滿足要求。

在實際施工中,要根據環境變化、現場條件、工程結構類型、水泥品種、外加劑、保溫材料性能、供熱來源等實際情況,來選擇合理的施工方法。一般來說,對于同一個工程,可以有若干個不同的冬季施工方案。一個理想的方案,應當用最短的工期、最低的施工費用,來獲得最優良的工程質量,也就是工期、費用、質量最佳化。目前,基本上采用以下4種方法。

1.調整配合比方法。主要適用于在0℃左右的混凝土施工。具體做法:①盡量降低水灰比,稍增水泥用量,從而增加水化熱量,縮短達到齡期強度的時間。②選擇適當品種的水泥是提高混凝土抗凍的重要手段。試驗結果表明,應使用早強硅酸鹽水泥。該水泥水化熱較大,且在早期放出強度最高,一般3天抗壓強度大約相當于普通硅水泥7天的強度,效果較明顯。③摻加早強外加劑,縮短混凝土的凝結時間,提高早期強度。應用較普遍的有硫酸鈉(摻用水泥用量的2%)和MS—F復合早強試水劑(摻水泥用量的5%)。④選擇顆粒硬度高和縫隙少的集料,使其熱膨脹系數和周圍砂漿膨脹系數相近。⑤摻用引氣劑。在保持混凝土配合比不變的情況下,加入引氣劑后生成的氣泡,相應增加了水泥漿的體積,提高拌和物的流動性,改善其黏聚性及保水性,緩沖混凝土內水結冰所產生的水壓力,提高混凝土的抗凍性。

2.蓄熱法。主要用于氣溫-10℃左右,結構比較厚大的工程。做法是:對原材料(水、砂、石)進行加熱,使混凝土在攪拌、運輸和澆灌以后,還儲備有相當的熱量,以使水泥水化放熱較快,并加強對混凝土的保溫,以保證在溫度降到0℃以前使新澆混凝土具有足夠的抗凍能力。此法工藝簡單,施工費用不多,但要注意內部保溫,避免角部與外露表面受凍,且要延長養護齡期。

3.外部加熱法。主要用于氣溫-10℃以上而構件并不厚大的工程。通過加熱混凝土構件周圍的空氣,將熱量傳給混凝土,或直接對混凝土加熱,使混凝土處于正溫條件下能正常硬化。①火爐加熱。一般在較小的工地使用,方法簡單,但室內溫度不高,比較干燥,且放出的二氧化碳會使新澆混凝土表面碳化,影響質量。②蒸氣加熱。用蒸氣使混凝土在濕熱條件下硬化。此法較易控制,加熱溫度均勻。但因其需專門的鍋爐設備,費用較高,且熱損失較大,勞動條件亦不理想。③電加熱。將鋼筋作為電極,或將電熱器貼在混凝土表面,使電能變為熱能,以提高混凝土的溫度。此法簡單方便,熱損失較少,易控制,不足之處是電能消耗量大。④紅外線加熱。以高溫電加熱器或氣體紅外線發生器,對混凝土進行密封幅射加熱。

4.抗凍外加劑。在-10℃以上的氣溫中,對混凝土拌和物摻加一種能降低水的冰點的化學劑,使混凝土在負溫下仍處于液相狀態,水化作用能繼續進行,從而使混凝土強度繼續增長。目前常用有氧化鈣、氯化鈉等單抗凍劑及亞硝酸鈉加氯化鈉復合抗凍劑。

上述4種冬季施工方法都有利有弊,其適用范圍都受一定條件的制約。應根據施工的實際條件,采用一種或兩種以上施工方法結合作用。□(編輯/穆楊)