許濤 ，朱兆輝 ，陳誠 ，高建明

（1. 中國能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計院有限公司，江蘇 南京 211102；2.東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211189）

0 引言

隨著我國“新基建”的興起， 5G 基站、特高壓輸電等領(lǐng)域建設(shè)速度加快。輸電線路工程中的混凝土基礎(chǔ)對線路鐵塔的安全穩(wěn)定、建設(shè)進(jìn)度起著重要作用。新時期輸電工程設(shè)施建設(shè)對基礎(chǔ)混凝土的施工性能和強度適應(yīng)各種環(huán)境的能力提出了更高的要求，尤其是在雨雪寒冷的冬季環(huán)境。 由于輸電工程通常工期緊，甚至?xí)龅酵话l(fā)搶修情況，冬季施工無法避免。 另外，輸電工程的施工地點一般都是偏僻的山野農(nóng)田等地，與工民建相比，其工程施工配套設(shè)施和施工環(huán)境較差。文章以長三角地區(qū)冬季野外施工環(huán)境較差的輸電線路工程中的基礎(chǔ)混凝土施工為背景，重點研究低溫環(huán)境（－5 ℃、5 ℃）不同水膠比、外加劑含量對輸電工程混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響，研究結(jié)果為輸電工程設(shè)施的施工進(jìn)程控制提供了重要依據(jù)。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料和儀器

本試驗采用海螺集團(tuán)中國水泥廠P·O 42.5 級水泥； 粗集料采用 5～25 mm 連續(xù)集配碎石， 含泥量≤1%， 表觀密度為2 810 kg/m3； 細(xì)集料采用中砂，細(xì)度模數(shù)2.4，含泥量≤1%；采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司的聚羧酸型高性能減水劑 （液態(tài)），減水率約20%，固含量10%；采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司的高性能低溫早強劑，主要為有機(jī)物類和亞硝酸鹽類復(fù)合而成；混凝土拌和用水為自來水。

試驗過程中使用的主要設(shè)備有：冰柜、環(huán)境模擬試驗箱、溫濕度傳感器、壓力試驗機(jī)、坍落度筒、直尺、混凝土攪拌機(jī)等。冰柜可達(dá)到的模擬條件為-15～10 ℃， 相對空氣濕度 58%～62%， 溫度均勻度≤1.5 ℃，溫度偏差±1 ℃，相對空氣濕度偏差±2%。環(huán)境模擬試驗箱可達(dá)到的模擬條件為-20～80 ℃，相對空氣濕度10%～100%，溫度均勻度≤1 ℃，溫度偏差±1 ℃，相對空氣濕度偏差±2%。

1.2 配合比

試驗所用混凝土配合比如表1 所示。

表1 混凝土配合比

1.3 養(yǎng)護(hù)條件

恒溫養(yǎng)護(hù)條件：通過調(diào)節(jié)冰柜、環(huán)境模擬試驗箱的溫度為-5 ℃、5 ℃、20 ℃，濕度為（60±2）%RH。

1.4 試驗過程與方法

試驗過程：在相對應(yīng)的養(yǎng)護(hù)溫度條件下攪拌混凝土，測試新拌混凝土的工作性能，包括坍落度、擴(kuò)展度等；成型后放置于對應(yīng)模擬環(huán)境養(yǎng)護(hù)，之后測試其 7 d、14 d、28 d 抗壓強度。 將處于-5 ℃、5 ℃、20 ℃的試樣設(shè)定為 D、Z、G 三組， 每組包含 C30、C40 配合比的混凝土，設(shè)為 D30-0、D30-3、D40-0、D40-3 等。

試驗方法：不同環(huán)境下混凝土工作性能測試依據(jù)GB/T 50080—2016 《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》） 進(jìn)行， 混凝土抗壓強度測試依據(jù)GB/T 50107—2010《混凝土強度檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)》）進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 低溫成型和復(fù)合早強劑對混凝土工作性能的影響

不同環(huán)境溫度對新拌混凝土工作性能的影響如圖1 所示，試驗結(jié)果表明，混凝土的坍落度及擴(kuò)展度隨環(huán)境溫度的降低而增大， 隨混凝土的強度設(shè)計等級升高而減小。對比發(fā)現(xiàn)，新拌混凝土在溫度較高時的坍落度和擴(kuò)展度的變化更為敏感， 即在5 ℃以上時環(huán)境溫度每升高1 ℃時， 坍落度和擴(kuò)展度減小速率增大。 復(fù)合早強劑對混凝土工作性能的影響如圖2 所示，結(jié)果表明，混凝土的坍落度及擴(kuò)展度隨著復(fù)合早強劑的摻加而減小。 另外， 在環(huán)境溫度為20 ℃時，摻加3%的復(fù)合早強劑對混凝土的坍落度和擴(kuò)展度影響較小。綜合來看，在溫度處于-5～5 ℃時，由于此時水泥的水化反應(yīng)較弱，水分蒸發(fā)較少，因而表現(xiàn)出坍落度、擴(kuò)展度較大，常伴隨著泌水的出現(xiàn)。隨著水灰比的降低，混凝土的流動性降低。在添加適量的復(fù)合早強劑或提高環(huán)境溫度后，混凝土在拌和時即開始加快水化進(jìn)程， 吸收更多水分，同時水分蒸發(fā)速率加快，致使混凝土的流動性變差。

圖1 不同環(huán)境溫度和混凝土強度等級對混凝土坍落度、擴(kuò)展度的影響

圖2 復(fù)合早強劑對混凝土坍落度、擴(kuò)展度的影響

由表2 可以看出，隨著環(huán)境溫度的降低，復(fù)合早強劑對混凝土早期水化速率的提升明顯。 在溫度為5 ℃、-5 ℃的環(huán)境下， 加入復(fù)合早強劑對混凝土早期水化有極大的促進(jìn)作用，能夠使混凝土的初凝時間和終凝時間提前[1]；而處于20 ℃養(yǎng)護(hù)環(huán)境下，加入復(fù)合早強劑對于混凝土的初凝及終凝幾乎未起作用。 這是由于在溫度較低時，硝酸鹽能大幅降低游離水的冰點，使其在溫度較低時保持液態(tài)，而有機(jī)物能幫助降低溶液的表面張力，提升水泥與自由水的潤濕速率，另一方面可與金屬離子形成比較穩(wěn)定的絡(luò)合物，而水化產(chǎn)物（如C3A 等）在絡(luò)合物的溶液中擴(kuò)散速率更快， 便可加快形成鈣礬石[2]；在溫度較高時，其本身的擴(kuò)散速率很快，部分水被包裹無法及時釋放，致使水化速率基本無變化，保持平穩(wěn)。

表2 混凝土凝結(jié)時間

2.2 低溫養(yǎng)護(hù)和復(fù)合早強劑對混凝土強度發(fā)展的影響

混凝土強度的增長主要是由于水泥不斷水化，相應(yīng)水化產(chǎn)物逐漸增加，而影響水泥水化程度的因素有很多，包括養(yǎng)護(hù)溫度、水膠比、外加劑、齡期等。根據(jù)輸電工程的調(diào)研結(jié)果，模擬其相應(yīng)環(huán)境，得出的混凝土強度試驗結(jié)果如圖3、4、5 所示。

由圖3、4 可知，混凝土強度隨著齡期的增加逐漸增長，但增長率逐漸降低。 不同強度等級對應(yīng)階段的強度增長率基本相同， 養(yǎng)護(hù)溫度在5 ℃以上，混凝土在28 d 的強度都能達(dá)到預(yù)期強度值且后期強度未出現(xiàn)降低。 在－5 ℃、相對空氣濕度60% 時，混凝土的強度增長極慢，表明在溫度降低至一定溫度時其內(nèi)部的自由水易結(jié)成冰致使水泥也停止水化，即使隨著齡期的增加，混凝土強度也只能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下28 d 強度的20%～30%。 在5 ℃、相對空氣濕度60% 時， 混凝土在7 d 時的強度僅有標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下7 d 強度的40%～50%， 這表明在5 ℃時，水泥前期的水化速率得到了很大程度的抑制， 但水化過程中生成的水化產(chǎn)物和大量水化熱， 一方面保證了7～14 d 水泥較快的水化速率，另一方面大量的水化產(chǎn)物填充混凝土內(nèi)部，快速提升了強度。 在20 ℃、相對空氣濕度60%時，混凝土在前期7 d 即已達(dá)到混凝土28 d 設(shè)計強度的60%～70%，在60 d 時混凝土的強度已經(jīng)達(dá)到混凝土28 d設(shè)計強度的110%左右。

圖3 低溫養(yǎng)護(hù)環(huán)境下養(yǎng)護(hù)齡期與抗壓強度的關(guān)系

圖4 低溫養(yǎng)護(hù)環(huán)境下養(yǎng)護(hù)齡期與抗壓強度比的關(guān)系

由圖5 可知，摻入復(fù)合早強劑之后，對于三種養(yǎng)護(hù)條件下混凝土早期強度都有大幅度提升， 但提升效果隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高而降低。對于－5 ℃、相對空氣濕度60% 時的養(yǎng)護(hù)條件， 加入3%的復(fù)合早強劑能夠在7 d 齡期時強度提升139%至19.6 MPa，60 d時其強度能提升300%至38.4 MPa; 對于5 ℃、 相對空氣濕度60% 時的養(yǎng)護(hù)條件下， 加入3%的復(fù)合早強劑能夠在7 d 齡期時強度提升75%至36.1 MPa，但60 d 時其強度基本與不摻復(fù)合早強劑的強度相當(dāng)；對于20 ℃、相對空氣濕度95% 時的養(yǎng)護(hù)條件下， 加入3%的復(fù)合早強劑能夠在7 d 齡期時強度提升12%至37.3 MPa，后期強度基本接近。

圖5 低溫養(yǎng)護(hù)環(huán)境下復(fù)合早強劑對混凝土抗壓強度的影響

試驗結(jié)果表明， 在－5 ℃且不摻復(fù)合早強劑的情況下，由于水泥水化過程極其緩慢，在較短時間內(nèi)達(dá)不到此溫度下混凝土可繼續(xù)發(fā)展的最低強度，之后強度發(fā)展停滯， 而加入3%的復(fù)合早強劑，能夠加速C3A 的水化及水化物與石膏反應(yīng)生成鈣礬石的過程，使混凝土在1～3 d 內(nèi)快速達(dá)到其受凍臨界強度，即達(dá)到此強度混凝土方可持續(xù)水化、強度增加；高性能減水劑及復(fù)合早強劑，不僅有利于其早期強度的增長，更能保證后期混凝土強度不出現(xiàn)倒縮，對混凝土的耐久性能提升具有重要意義[3]。

3 結(jié)論

（1）新拌混凝土的坍落度及擴(kuò)展度隨著環(huán)境溫度的降低而增大， 隨著環(huán)境溫度的降低其坍落度和擴(kuò)展度的減小速率減小。 混凝土的坍落度及擴(kuò)展度隨著復(fù)合早強劑的摻加而減小，在環(huán)境溫度為20 ℃時，摻加3%的復(fù)合早強劑對于混凝土的坍落度和擴(kuò)展度影響較小。

（2）隨著環(huán)境溫度的降低，復(fù)合早強劑對混凝土早期強度的提升速率明顯。 在溫度為5 ℃、－5 ℃的環(huán)境下，加入復(fù)合早強劑對于混凝土的早期水化有著極大的促進(jìn)作用，能夠使混凝土的初凝時間和終凝時間提前；而處于20 ℃養(yǎng)護(hù)環(huán)境下，加入復(fù)合早強劑對于混凝土的初凝及終凝幾乎未起作用。

（3）混凝土各強度等級的強度隨著齡期的增加逐漸增長，在5 ℃以上的養(yǎng)護(hù)溫度下，混凝土在28 d的強度都能達(dá)到設(shè)計強度且后期強度未出現(xiàn)倒縮。摻入復(fù)合早強劑之后，對于三種養(yǎng)護(hù)條件下的混凝土的早期強度都有大幅提升，但提升效果隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高而降低。在－5 ℃且不摻復(fù)合早強劑的情況下， 混凝土60 d 的抗壓強度只有20 ℃環(huán)境下混凝土60 d 抗壓強度的20%，即9.6 MPa；摻入復(fù)合早強劑后可 7 d 提升 139%至 19.6 MPa，60 d 時其強度能提升至38.4 MPa。

（4）結(jié)合輸電工程混凝土施工特性，即低溫環(huán)境下7 d 內(nèi)混凝土強度達(dá)到預(yù)期強度的70%以上，需在環(huán)境溫度5 ℃以上且摻加復(fù)合早強劑的情況下方可實現(xiàn)；而當(dāng)環(huán)境溫度高于20 ℃時，僅摻加適量的高性能聚羧酸減水劑也能滿足施工要求。