楊秀玲

山東日順新型建材有限公司，中國·山東 濟南 251400

1 引言

混凝土工程的冬期施工和常溫施工不同，由于自然氣溫已降低到0℃以下，從整個施工過程的各個環(huán)節(jié)，都要采取相應(yīng)的保溫防凍、防風(fēng)、防失水等措施。盡量給混凝土創(chuàng)造正溫養(yǎng)護環(huán)境，使混凝土能不段凝結(jié)、硬化、增長強度，以避免和減少混凝土遭受凍害。

2 混凝土的凍害概念及評定指標

混凝土的凍害是指已硬化了的混凝土在工程結(jié)構(gòu)使用期間受寒暑自然氣溫的影響，并長年累月遭受自然氣溫凍害凍融作用，而導(dǎo)致各項性能逐漸降低。

評定混凝土凍害的主要指標是抗壓強度或動彈性模量損失值。取標準條件下硬化了28d的混凝土試件，按混凝土抗凍耐久性標準試驗方法，經(jīng)多次凍融后測定抗壓強度或動彈性模量損失值，作為評定指標。它反映材料及配合比水平，用于考核結(jié)構(gòu)耐久性和使用年限，是為設(shè)計服務(wù)的。

3 混凝土凍害的分類

在冬期混凝土工程施工過程中，混凝土受凍按不同階段可分為以下兩種類型。

①新鮮混凝土受凍指新澆筑的混凝土在終凝前遭到凍結(jié)，其主要原因是氣溫與混凝土溫度很低，加之施工措施欠妥。這種受凍一般說來不會使混凝土產(chǎn)生惡化，只要化凍后在終凝前立即振搗密實，加強養(yǎng)護，不要使混凝土重新受凍，混凝土的性能即不會受到損害。這種情況一般在薄壁結(jié)構(gòu)、薄板、道路面層施工中能遇到。

②混凝土早期受凍是指混凝土澆筑后，在養(yǎng)護硬化期間受凍，它能損害混凝土的一系列性能。這在混凝土冬期施工中經(jīng)常遇到并且是非常值得注意的問題。這種凍害主要是由于施工方法選擇不當、施工人員技術(shù)水平不高或不負責(zé)任而造成的。它可使混凝土的一系列物理、力學(xué)性能降低，從而使其達不到設(shè)計強度要求，影響工程應(yīng)用，降低耐久性，甚至造成返工。

4 混凝土凍害機理的分析與探討

混凝土受凍害有三個重要條件，即濕度、水和混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的孔隙狀況，這三個條件缺一不可。

①溫度是必要的條件，當溫度降低到0℃以下時，促進水相轉(zhuǎn)變而成冰，水結(jié)冰后體積膨脹達到9%，從而使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞。

②施工時水灰比大，混凝土含水量增大，導(dǎo)致混凝土遭受凍害嚴重。

③混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的孔隙狀態(tài)，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的孔隙狀態(tài)決定于混凝土配合比設(shè)計及施工水平。設(shè)計和施工不當，會使混凝土內(nèi)部的孔隙率增大，毛細孔直徑較粗，自由水含量增多，導(dǎo)致混凝土的凍害程度嚴重。

混凝土是一種多孔性材料，它在硬化中和硬化后形成大小不同的孔隙及相互連通的毛細孔通道。這些孔隙和毛細通道充滿水后，當溫度降低時，對混凝土的凍害可歸納為以下幾點：

①當溫度降低到0℃以下時，混凝土內(nèi)部毛細孔中的自由水開始結(jié)冰，體積膨脹；

②結(jié)構(gòu)構(gòu)件的結(jié)冰由表面開始，逐漸向內(nèi)部發(fā)展，表面部位水凍結(jié)后，由于結(jié)冰而膨脹，將內(nèi)部未凍結(jié)的部分水封閉并沿毛細孔通道壓向內(nèi)部；

③隨著凍結(jié)的發(fā)展，結(jié)冰體積越來越大，使內(nèi)部未凍水壓力越來越高，當內(nèi)部增高到超過混凝土的抗拉強度時，就會把毛細孔脹破，產(chǎn)生微裂紋；水在一定壓力下，流入發(fā)生裂紋的裂縫內(nèi)，這時毛細孔內(nèi)部的靜水壓降低，破壞有所緩和；

④爾后，凍結(jié)再繼續(xù)向深層發(fā)展，水壓力又繼續(xù)增大，達到一定程度時，則或裂紋繼續(xù)擴展，后產(chǎn)生新的裂紋，裂紋不斷發(fā)展增多，使混凝土內(nèi)部發(fā)生破壞；

⑤當混凝土內(nèi)部殘留有未充滿水的氣孔，或者由于施工時摻入了引氣劑而在混凝土內(nèi)部引入大量氣孔時，則有壓的未凍水的壓力作用下，通過滲透或毛細微孔流入氣孔內(nèi)，使靜水壓力減小，從而減少了混凝土內(nèi)部的裂紋，改善和提高了混凝土的抗凍害性能。

5 混凝土冬期施工注意事項

混凝土冬期施工要求正溫澆筑、正溫養(yǎng)護。對原材料的加熱，以及混凝土的攪拌、運輸、澆筑和養(yǎng)護應(yīng)進行熱工計算，并據(jù)此施工。

5.1 對材料和材料加熱的要求

①冬期施工中配制混凝土用的水泥，應(yīng)優(yōu)先選用活性高、水化熱量大的硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥，蒸汽養(yǎng)護時用的水泥品種應(yīng)經(jīng)試驗確定。水泥的強度不應(yīng)低于42.5等級，水灰比不應(yīng)大于0.6。水泥不得直接加熱，使用前1～2天運入暖棚存放，暖棚溫度宜在5℃以上。

②因為水的比熱是砂、石集料的5倍左右，所以冬期拌制混凝土?xí)r應(yīng)優(yōu)先采用加熱水的方法，但加熱溫度要符合規(guī)定的數(shù)值。

③集料要求提前清洗和貯備，做到集料清潔，無凍塊和冰雪。冬期集料所有貯備場地應(yīng)選擇地勢較高不積水的地方。

④冬期施工拌制混凝土的砂、石溫度要符合熱工計算需要溫度。加熱的方法可因地制宜，但以蒸汽加熱法為好。

⑤原材料不論用何種方法加熱，在設(shè)計加熱設(shè)備時，必須先求出每天的最大用料量和要求達到的溫度，根據(jù)原材料的初溫和比熱，求出需要的總熱量。同時考慮加熱過程中熱量的損失。有了要求的總熱量，可以決定采用熱源的種類、規(guī)模和數(shù)量。

5.2 攪拌

混凝土不宜露天攪拌，應(yīng)盡量搭設(shè)暖棚，優(yōu)先選用大容量的攪拌機，以減少混凝土的熱量損失。攪拌前，用熱水或蒸汽沖洗攪拌機?；炷恋陌韬蜁r間比常溫規(guī)定時間延長 50 %。由于水泥和 80 ℃ 左右的水拌和會發(fā)生驟凝現(xiàn)象，所以材料的投料順序是先將水和砂石投入拌和，然后加入水泥。若能保證熱水不和水泥直接接觸，水可以加熱 到100℃ 。

5.3 運輸

混凝土的運輸時間和距離應(yīng)保證混凝土不離析、不喪失塑性。主要措施為減少運輸時間和距離；使用大容積的運輸工具并加以適當保溫等。

5.4 澆筑和養(yǎng)護

混凝土在澆筑前，應(yīng)清除模板和鋼筋上的凍雪和污垢，盡量加快混凝土的澆筑速度，防止熱量散失過多。混凝土拌和物的出機溫度不宜低于10 ℃，入模溫度不得低于5 ℃。采用加熱養(yǎng)護時，混凝土養(yǎng)護前的溫度不得低于2 ℃。

加熱養(yǎng)護整體式結(jié)構(gòu)時，施工縫的位置應(yīng)設(shè)置在溫度應(yīng)力較小處。加熱溫度超過40 ℃時，由于溫度高，勢必在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生溫度應(yīng)力。因此，在施工之前應(yīng)征求設(shè)計單位的意見，在跨內(nèi)適當?shù)奈恢迷O(shè)置施工縫。留施工縫處，在水泥終凝后立即用3～5個大氣壓的氣流吹除結(jié)合面的水泥膜、污水和松動石子。

6 防凍劑的組成及作用機理

防凍劑可以分成兩大類型：早強型和防凍型。

我國氣候及溫度變化規(guī)律：長江以北到黃河以南，氣溫雖然可以降至5℃以下但基本上在0 ℃上，冬季施工只要加早強劑即可以保證質(zhì)量了。黃河以北，氣溫會在0 ℃以下數(shù)個月，冬季施工需要防凍劑。華北西北地區(qū)，最低氣溫在-10 ℃以上的地區(qū)，使用早強型的防凍劑。東北地區(qū)內(nèi)蒙新疆，冬季氣溫經(jīng)常在-10 ℃以下，冬季施工的混凝土必須使用防凍性的防凍劑。

6.1 早強型防凍劑

最低氣溫不超過-10℃，日氣溫一般在0℃上下浮動，在氣溫最高的白天澆筑，混凝土內(nèi)部溫度就可以保持在0℃以上。不是在最高氣溫下澆筑，澆筑后用塑料薄膜及草袋等覆蓋，混凝土內(nèi)部溫度也會高于氣溫。這種情況下混凝土?xí)芸爝_到臨界強度3.5MPa而不至于產(chǎn)生凍害。因此在最低溫度高于-10℃時只需添加早強型防凍劑即可。目的是更快的達到臨界強度。

6.2 防凍型防凍劑

日平均氣溫在-15℃以下的地區(qū)，混凝土澆筑后即使是入模溫度較高，但由于混凝土內(nèi)外溫差較大，混凝土在簡單覆蓋的情況下還是會很快的降至0℃以下，防凍劑的作用是要保證混凝土在澆筑后能抵御一定限度負溫環(huán)境。在此低溫下混凝土內(nèi)部仍然保持足夠的液相，以使水泥水化作用繼續(xù)進行，而不致被凍脹破壞。

防凍組分是以降低液相中的冰點為目的的一些純化學(xué)物質(zhì)。為保持在規(guī)定的負溫下仍然有足夠的液相就必須保持防凍成分有一定摻量。這些物質(zhì)在防凍劑中占有相當?shù)谋壤?，而這種比例隨著所要求的規(guī)定溫度不同而變化，負溫越低摻量越大。

6.3 復(fù)合型防凍劑的組分及作用機理

根據(jù)混凝土產(chǎn)生凍害的原因分析，必須從提高混凝土本身的抗凍能力及防治凍害的發(fā)生兩個途徑來解決。

6.3.1 早強組分

為了促進水泥水化作用，使混凝土盡快達到抵御凍害的能力，強度迅速增長，加速模板周轉(zhuǎn)，縮短工期，早強組分是必不可少的，為了避免鋼筋銹蝕，采取相應(yīng)技術(shù)措施，使用少量的氯鹽，確保對鋼筋無促銹作用。常用的早強劑有硫酸鈉，氯化鈣，硝酸鈣，亞硝酸鈣，三乙醇胺等。防凍劑中的早強成分主要是是混凝土盡快達到或超過混凝土的受凍臨界強度。

6.3.2 減水組分

減水劑的作用就在于分散水泥和降低混凝土的水灰比。減少了絕對用水量，使毛細孔變細、減少、且分布均勻，提高了混凝土的密實性。實質(zhì)上是減少了混凝土中可凍水的數(shù)量，即減少了受凍混凝上中的含冰率，相應(yīng)也提高了混凝土防凍性能。另外防凍劑摻量是固定的，由于水灰比的減小，相對的提高了混凝土中減水劑水溶液的濃度，進一步降低了冰點，從而提高了混凝土防早期凍害能力。常用的減水劑有木鈣，木萘，萘系高校減水劑及三聚氰胺，氨基磺酸鹽等。

6.3.3 引氣組分

水結(jié)冰時體積增大9%，嚴重時可造成混凝土中骨料與水泥顆粒的相對位移，使混凝土結(jié)構(gòu)受到損傷甚至破壞，形成不可逆轉(zhuǎn)的強度損失。這種引氣劑在攪拌混凝土過程中能引入大量均勻分布、穩(wěn)定而封閉的激小氣泡。這些氣泡對混凝土主要有四種作用：

①能減少混凝土的用水量，進一步降低水灰比；

②引入的汽泡對混凝土內(nèi)冰晶的膨脹力有一個緩沖和消弱作用，減輕冰晶膨脹力的破壞作用；

③提高了混凝土的耐久性能；

④小氣泡起到阻斷毛細孔作用，使毛細孔中的可凍結(jié)水減少。

當引入的氣泡數(shù)量少，體積大，一般都是可見氣泡，起不到上述效果，反而會產(chǎn)生一些不利的影響，并且由于振搗排除不力時，一些氣泡還會聚合成更大氣泡，因此稱這種氣泡為有害氣泡，所以使用引氣原材料要特別謹慎。

6.4 防凍組分

主要功能是在負溫條件下降低混凝土內(nèi)游離水的冰點，減少混凝土內(nèi)部水分的成冰率，使之有較多的液態(tài)水供水泥水化，更重要的是改變成冰結(jié)構(gòu)，使冰晶變得疏松且成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因而對混凝土結(jié)構(gòu)沒有破壞作用。防凍組分一般摻量都比較大，考慮到對混凝土耐久性能的要求，應(yīng)盡量減少 K + 和 Na + 的引入量，這也是防凍劑的突出特點。

在負溫下?lián)椒纼鰟┗炷林写蟛糠炙员３忠合?，混凝土強度在負溫下依然在增長。在負溫下混凝土的增長速度取決于水泥品種、防凍劑種類和負溫溫度。按混凝土強度增長的速率的次序如下排列：K2CO3 > CaCl2 > NaCl > NaNO2 > Ca(NO3)2。

只要保證混凝土在達到臨界強度前不受早期凍結(jié)，摻防凍劑混凝土的強度在以后的正溫下都能正常地繼續(xù)增長。

7 冬季施工中防凍劑的選用

冬施混凝土大致分為3大類：冷混凝土、負溫混凝土和早強混凝土。

冷混凝土：是指除拌合水必須保持液態(tài)外，其他集料均不保溫，澆筑后也不采取任何保溫措施，主要依靠防凍組分保證一定的過冷液體在負溫下緩慢的進行水化。這種混凝土需要摻大量無機鹽類來降低冰點。在施工條件不具備采取其他措施時才使用。

負溫混凝土：混凝土在負溫施工時，對砂、石、拌合水進行保溫和熱處理，在混凝土養(yǎng)護過程中要與保溫防護、蓄熱法等綜合措施相結(jié)合。

低溫早強混凝土：在0℃左右的低溫或不很低的負溫下施工，只采取加熱拌合水再輔以綜合蓄熱法使混凝土保持在正溫下硬化、增強。

8 結(jié)語

混凝土是現(xiàn)代建筑工程使用量最大的材料之一，對社會發(fā)展有著深遠的影響。為此，從業(yè)人員必須要積極學(xué)習(xí)先進的科學(xué)文化知識、善于總結(jié)優(yōu)秀的施工經(jīng)驗，在工作過程中保持嚴謹?shù)木?，遵循相關(guān)施工原則與技術(shù)標準，如此方能最大限度地保障混凝土施工工程的質(zhì)量。