浅谈温度对混凝土性能的影响及冬季混凝土施工注意事项

摘要本文分析了温度对混凝土强度和坍落度的影响和低温下混凝土产生冻害的原因，提出了几种不同的冬季混凝土施工方案，经辽宁省铁岭至阜新高速公路工程的实践表明，正确选择冬季施工方案，可以有效的保证冬季混凝土施工质量，这几种方法值得推广。

关键词温度混凝土冬季 施工控制

中图分类号：P184文献标识码： A 文章编号：

1、 温度与混凝土性能的关系

1.1 温度变化对水泥水化及凝土强度的影响

混凝土拌合物是由水泥、集料、拌和用水及外加剂等物质组成的混合物。在混合物拌制过程中主要发生的化学变化是水泥的水化反应，水泥水化速度与水泥细度有关，同时也是随着温度的变化而变化的，温度越高，反应越快。其间的关系服从普遍适用于各种物理化学反应的通用的Arrhenius定律1，

k—反应速度；E—激活能；T—温度；

R—气体常数；A—频率因数。

根据许多学者研究，硅酸盐水泥在常温下水化时的激活能E值约在30～40kJ/mol之间变化。设E＝40kJ/mol，则温度从20℃上升至40℃时反应速率k值将增加185％，温度上升至60℃时k值将增加624％。反之，如果温度降低至10℃和0℃（273K），则k值将分别减小44.6％和7.03％。简言之，如果说温度是按算术级数升高的话，那么反应速率在实用的温度范围内以每升高10℃大约增长70％的速率按几何级数增长的。由此可见水化速率要比温度的变化强烈的多。当温度低于10℃后，水化速度随温度的降低发生的变化要小的多。

在上世纪80年代初，Carino在美国国家标准局做了一项试验，用水灰比等于0.43的标准试件在指定温度下浇制、密封和养护，直至指定龄期测定其抗压强度，不同温度下的混凝土强度增长如下图所示。

养护温度与混凝土强度增长速率关系图1

试验说明，混凝土浇筑后强度的增长速率是随着养护温度的增高而加快的，也是随着龄期的增长而渐减的。温度对混凝土强度的影响主要是在形成强度的前10d左右的时间，而对混凝土在28天后的强度影响比较小。

1.2温度对混凝土坍落度的影响

混凝土拌和物的坍落度是和易性的重要指标，施工中我们很容易感觉到，在炎热天气下同样材料制成同等稠度的混凝土拌和物总要比寒冷天气多用一些水。同样拌和物的坍落度确实是随着它的温度升高而减小的。试验结果显示，为了使一般混凝土拌和物具有相等的坍落度（75mm），拌和物的温度每升高10℃，每1m3就需要增加约7kg的拌和用水（见下图）。

拌和物的稠度（坍落度）主要取决于固体颗粒间的相互摩擦，除了水对这种内摩擦有一定的作用以外，还与其中所含气泡有关，空气的存在等于增加了水泥浆含量而减少了集料含量，因此可以较为明显的削减稠度。

气泡的形成与水的黏滞度有关，而水的黏滞度是随着温度的升高而减小的，因此，在较高温度下为使拌和物获得同样稠度通常需要较常温多用一些水，以增加气泡含量，从而增加拌合物的流动性，同样，在低温条件下拌和混凝土时要相应减少拌和用水，以防止用水过多产生泌水或坍落度过大的现象。

1.3低温下的混凝土强度研究

在混凝土浇筑后尚未硬化前，低温下内部水在结冰时体积会发生9％左右的增长，同时产生约 2500 kg/cm2的冰胀应力。这个应力值常常大于水泥石内部形成的初期强度值，使混凝土受到不同程度的破坏（即早期受冻破坏）而降低强度。此外，当水变成冰后，还会在骨料和钢筋表面上产生颗粒较大的结晶，减弱水泥浆与骨料和钢筋的黏结力，从而影响混凝土的抗压强度。当冰凌融化后，又会在混凝土内部形成各种各样的空隙，而降低混凝土的密实性及耐久性。由此可见， 在冬季混凝土施工中，水的形态变化是影响混凝土强度增长的关键。

国内外许多学者对水在混凝土中的形态进行大量的试验研究结果表明，新浇混凝土在冻结前有一段预养期，可以增加其内部液相，减少固相，加速水泥的水化作用。试验研究还表明，混凝土受冻前预养期愈长，强度损失愈小。混凝土化冻后（即处在正常温度条件下）继续养护，其强度还会增长，不过增长的幅度大小不一。对于预养期长，获得初期强度较高（如达到R28的35%）的混凝土受冻后，后期强度几乎没有损失。而对于安全预养期短，获得初期强度比较低的混凝土受冻后，后期强度都有不同程度的损失。由此可见，混凝土冻结前，要使其在正常温度下有一段预养期，以加速水泥的水化作用，从而避免产生混凝土早期冻害。使混凝土获得不遭受冻害的最低强度，一般称临界强度，我国规定临界强度为不低于设计标号的 30%， 即不得低于 35 kg/cm2。

2 冬季混凝土施工注意事项

2.1混凝土冬季施工应注意的问题

从以上分析可以看出，温度在混凝土的拌制和浇注后强度的形成过程中有着有十分重要的作用。一般说来混凝土的养护温度宜热不宜冷，浇灌入模时的温度宜冷不宜热，冬季施工亦是如此。对于大体积结构物，为了防止拌和物冻结、凝结过缓，入模温度也不宜过低。为了防止混凝土受冻和保证强度增长，应对施工地点进行临时性的围护，并对混凝土的表面和模板用隔热材料掩盖保温养护，必要时可用蒸汽或电热加温。浇灌后宜用成熟度法或其他测试方法时时监测混凝土强度，直至达到预定的强度要求（例如临界防冻强度、脱模强度、预应力张拉强度），方可拆除上述措施。为了保证混凝土的浇灌温度，可将集料贮存在温暖的场所，必要时可对集料和水进行加热。

2.2 混凝土冬季施工方法的选择

在实际工程中，要根据施工时的气温情况，工程结构状况（工程量、结构厚大程度与外露情况），工期紧迫程度，水泥的品种及价格，早强剂、减水剂、抗冻剂的性能及价格，保温材料的性能及价格，热源的条件等，来选择合理的施工方法。一般来说，对于同一个工程，可以有若干个不同的冬季施工方案。一个理想的方案，应当用最短的工期、最低的施工费用，来获得最优良的工程质量，也就是工期、费用、质量最佳化。目前，基本上采用以下几种方法：

（1）．调整配合比方法，主要适用于0℃左右的混凝土施工。

（2）．蓄热法，主要用于气温-10℃左右，结构比较厚大的工程。

（3）．外部加热法，主要用于气温-10℃以上，而构件并不厚大的工程。

（4）．使用防冻剂，适用于-10℃以上气温条件施工的工程。

上述4种冬季施工方法都有其利弊，适用范围也都受一定条件的制约，应根据工地现有条件，采用一种或两种以上施工方法结合作用。

3 工程实例

1. 工程概述

辽宁省铁岭至阜新高速公路K10+125处横沟公公分离式立交桥跨国道102线，全桥桥孔布置为：左幅：20+20+30+45+30m，右幅：20+30+45+30+20m，桥梁全长：151.0m。上部构造为现浇预应力混凝土连续箱梁，下部结构形式：倒花瓶型桥墩、桩基础、肋板式桥台。本桥最大跨径为45m。半幅桥面净宽12.0m。GPZ系列盆式支座。预应力钢筋均采用GB/T5224、GB/T5223标准的II级松驰钢绞线，公称直径φs15.2㎜，标准强度fpk=1860MPa，预应力管道成孔为塑料波纹管。预应力锚固体系为OVM锚固体系，真空灌浆技术。本桥总计用现浇C50混凝土2735方，最大单跨用量为490方，采用泵送混凝土施工。

2. 施工环境分析

（1）低温

本项目地点位于辽宁省最北部与吉林省交界地区，施工期间日平均温度在5℃以下。根据上述分析，低温下混凝土施工存在一定风险，水化作用减慢、内部水结冰和养护条件差都会给混凝土质量带来隐患。

（2）原材料温度

原材料温度与室外温度基本一致，砂和碎石中含有的水分可能会在原材料中结冰，拌和用水的温度也直接影响混凝土拌合物的温度。

3. 施工控制措施

根据工程特点，选用了调整配合比法来进行施工。

首先，为提高混凝土抗冻，选择使用水化热较大, 且在早期强度最高的早强硅酸盐水泥，工地试验室的现场试验证明，这种水泥的3d 抗压强度大约相当于普通硅酸盐水泥7d的强度。

二是尽量降低水灰比, 稍增水泥用量, 从而增加水化热量, 缩短达到龄期强度的时间。本项目选用了水泥：砂：碎石：水为483:717:1076:174，即水灰比为0.36的配合比。

三是掺用引气剂。在保持混凝土配合比不变的情况下，加入引气剂后生成的气泡，相应增加了水泥浆的体积，提高拌和物的流动性，改善其黏聚性及保水性，缓冲混凝土内水结冰所产生的水压力，提高了混凝土的抗冻性。

四是掺加早强外加剂（掺用水泥用量的2%，主要成分是硫酸钠）和防冻剂（掺水泥用量的3%），缩短了混凝土的凝结时间，提高早期强度，防止了混凝土产生早期冻害。

五是选择颗粒硬度高和缝隙少的集料，使其热膨胀系数和周围砂浆膨胀系数相近，拌和用水加热至60~70℃后再与其他原材料混合搅拌，保证混凝土拌合物进入罐车的温度不低于30℃。

根据工程特点，混凝土拌合站选在了距离浇筑地点2Km附近的地方，从而有效避免了在运输过程中的温度损失，经现场检测，混凝土的入模温度均在10℃以上。

混凝土的养护采用了蒸汽养护，用两台1t的锅炉，采用直径5cm的镀锌主管道，其余管道直径为1.5cm。为保证蒸汽出汽均匀，距主管道最近的管道汽眼布距为1米，距主管道较远的管道汽眼布距为0.75米，距主管道最远的管道汽眼布距为0.5米。桥梁上部及侧部均布置管道，使用大块儿塑料拼接的方式将桥梁上部和侧面覆盖好，底部因脚手架未拆除而选用了小型煤炉分区加热养护的方式。

以上措施有效的保证了混凝土的质量，为整个桥的顺利施工打下了良好基础。

4、结束语

通过温度和混凝土之间的影响分析和横沟公公分离式立交桥低温条件下的施工实例，证明低温条件下混凝土施工用调整配合比法控制施工质量切实可行，并且效果良好。该方法对于类似条件下的混凝土施工具有一定的借鉴作用。

参考文献：

1.混凝土的物理和化学；郭成举；中国铁道出版社；2004年。

2.浅谈混凝土的冬季施工，段雪辉；《科技情报开发与经济》，2006年第16卷第17期，第294至295页。

3.人民交通出版社，《公路桥涵技术规范》。

4.混凝土施工技术；刘秉京；人民交通出版社。

5.建筑工程冬季施工手册。