溫度對混凝土性能有多大影響？冬季混凝土使用時必須注意的事項

溫度對混凝土性能有多大影響？  

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溫度與混凝土性能的關系  

1.1溫度變化對水泥水化及混凝土強度的影響  

混凝土拌合物是由水泥、集料、拌和用水及外加劑等組成的混合物。在混合物拌制過程中主要發(fā)生的化學變化是水泥的水化反應，水泥水化速度與水泥細度有關，同時也是隨著溫度的變化而變化的，溫度越高，反應越快。其間的關系服從普遍適用于各種物理化學反應的通用的Arrhenius定律。  

根據許多學者研究，硅酸鹽水泥在常溫下水化時的激活能E值約在30—40kJ/mol之間變化。設E＝40kJ/mol，則溫度從20℃上升至40℃時反應速率k值將增加185％，溫度上升至60℃時k值將增加624％。反之，如果溫度降低至10℃和0℃（273K），則k值將分別減小44.6％和7.03％。  

簡言之，如果說溫度是按算術級數(shù)升高的話，那么反應速率是在實用的溫度范圍內以每升高10℃大約增長70％的速率按幾何級數(shù)增長的，反之亦然。由此可見水化速率要比溫度的變化強烈的多。這給低溫條件下混凝土的強度增長速率提供了研究依據。  

在上世紀80年代初，Carino在美國國家標準局做了一項試驗，用水灰比等于0.43的標準試件在指定溫度下澆制、密封和養(yǎng)護，直至指定齡期測定其抗壓強度，不同溫度下的混凝土強度增長如圖1所示。

試驗說明，混凝土澆筑后強度的增長速率是隨著養(yǎng)護溫度的增高而加快的，也是隨著齡期的增長而漸減的。溫度對混凝土強度的影響主要是在形成強度的前10d左右的時間，而對混凝土在28天后的強度影響比較小。  

1.2溫度對混凝土坍落度的影響  

混凝土拌和物的和易性施工經驗告訴我們，在炎熱天氣下同樣材料制成同等稠度的混凝土拌和物總要比寒冷天氣多用一些水。同樣拌和物的坍落度確實是隨著它的溫度升高而減小的。試驗結果顯示，為了使一般混凝土拌和物具有相等的坍落度（75mm），拌和物的溫度每升高10℃，每1m3就需要增加約7kg的拌和用水（見圖2）。  

拌和物的稠度（坍落度）主要取決于固體顆粒間的相互摩擦，除了水對這種內摩擦有一定的潤滑作用以外，還與其中所含氣泡有關，空氣的存在等于增加了水泥漿含量而減少了集料含量，因此可以較為明顯地削減稠度。  

氣泡的形成與水的黏滯度有關，而水的黏滯度是隨著溫度的升高而減小的。因此，在較高溫度下為使拌和物獲得同樣稠度通常需要較常溫多用一些水，以增加氣泡含量，從而增加拌合物的流動性。同樣，在低溫條件下拌和混凝土時要相應減少拌和用水，以防止用水過多產生泌水或坍落度過大的現(xiàn)象。  

1.3低溫下的混凝土強度研究  

在混凝土澆筑后尚未硬化前，低溫下內部水在結冰時體積會發(fā)生9％左右的增長，同時產生約2500kg/cm2的冰脹應力。這個應力值常常大于水泥石內部形成的初期強度值，使混凝土受到不同程度的破壞（即早期受凍破壞）而降低強度。此外，當水變成冰后，還會在骨料和鋼筋表面上產生顆粒較大的結晶，減弱水泥漿與骨料和鋼筋的黏結力，從而影響混凝土的抗壓強度。當冰凌融化后，又會在混凝土內部形成各種各樣的空隙，而降低混凝土的密實性及耐久性。由此可見，在冬季混凝土施工中，水的形態(tài)變化是影響混凝土強度增長的關鍵。  

國內外許多學者對水在混凝土中的形態(tài)進行大量的試驗研究結果表明，新澆混凝土在凍結前有一段預養(yǎng)期，可以增加其內部液相，減少固相，加速水泥的水化作用。試驗研究還表明，混凝土受凍前預養(yǎng)期愈長，強度損失愈小?；炷粱瘍龊螅刺幵谡囟葪l件下）繼續(xù)養(yǎng)護，其強度還會增長，不過增長的幅度大小不一。對于預養(yǎng)期長，獲得初期強度較高（如達到R28的35%）的混凝土受凍后，后期強度幾乎沒有損失。而對于安全預養(yǎng)期短，獲得初期強度比較低的混凝土受凍后，后期強度都有不同程度的損失。  

由此可見，混凝土凍結前，要使其在正常溫度下有一段預養(yǎng)期，以加速水泥的水化作用，從而避免產生混凝土早期凍害。隨著混凝土齡期增加，混凝土抗凍性能也得到提高。因水泥不斷水化，可凍結水量減少，水中溶解鹽濃度隨水化深入而濃度增加，冰點也隨齡期而降低，抵抗凍融破壞的能力也隨之增強。所以延長凍結前的養(yǎng)護時間可以提高混凝土的抗凍性。使混凝土獲得不遭受凍害的最低強度，一般稱臨界強度，我國規(guī)定臨界強度為不低于設計標號的30%，即不得低于35kg/cm2。  

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冬季混凝土施工注意事項  

2.1混凝土冬季施工應注意的問題  

從以上分析可以看出，溫度在混凝土的拌制和澆注后強度的形成過程中有著十分重要的作用。一般說來混凝土的養(yǎng)護溫度宜熱不宜冷，澆灌入模時的溫度宜冷不宜熱，冬季施工亦是如此。對于大體積結構物，為了防止拌和物凍結、凝結過緩，入模溫度也不宜過低。為了防止混凝土受凍和保證強度增長，應對施工地點進行臨時性的圍護，并對混凝土的表面和模板用隔熱材料掩蓋保溫養(yǎng)護，必要時可用蒸汽或電熱加溫。澆灌后宜用成熟度法或其他測試方法時時監(jiān)測混凝土強度，直至達到預定的強度要求（例如臨界防凍強度、脫模強度、預應力張拉強度），方可停止上述措施。為了保證混凝土的澆灌溫度，可將集料貯存在溫暖的場所，必要時可對集料和水進行加熱。  

2.2混凝土冬季施工方法的選擇  

在實踐中，要根據施工時的氣溫情況，工程結構狀況（工程量、結構厚大程度與外露情況），工期緊迫程度，水泥的品種及價格，早強劑、減水劑、抗凍劑的性能及價格，保溫材料的性能及價格，熱源的條件等，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(yōu)良的工程質量，也就是工期、費用、質量最佳化。目前，基本上采用以下幾種方法。  

（1）調整配合比法。主要適用于0℃左右的混凝土施工。具體做法：  

一、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3d抗壓強度大約相當于普通硅酸鹽水泥7d的強度，效果較明顯。  

二、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。  

三、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。  

四、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%）和復合早強試水劑（摻水泥用量的5%）。  

五、選擇顆粒硬度高和縫隙少的集料，使其熱膨脹系數(shù)和周圍砂漿膨脹系數(shù)相近。  

（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?shù)臒崃?，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(yǎng)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。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，放出的二氧化碳會使新澆混凝土表面碳化，影響質量。蒸汽加熱：用蒸汽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。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?yōu)闊崮埽蕴岣呋炷恋臏囟?。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。紅外線加熱：用高溫電加熱器或氣體紅外線發(fā)生器對混凝土進行密封輻射加熱。  

（4）使用外加劑法。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(tài)，水化作用能繼續(xù)進行，從而使混凝土強度繼續(xù)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其利弊，適用范圍也都受一定條件的制約，應根據現(xiàn)場條件，采用一種或兩種以上施工方法結合作用。  

氣溫下降，使用混凝土時必須注意事項  

近期澆筑的混凝土，由于風比較大，氣溫下降，使用混凝土時必須注意事項如下：  

1、氣溫下降混凝土凝結時間會相對延長，混凝土強度漲得慢，必須合理安排施工時間，避免在沒有完全終凝的混凝土工作面上施工。  

2、加強混凝土的二次抹面工作，并采取相應的保濕措施，防止開裂產生。  

3、板柱都要及時養(yǎng)護及加大澆水養(yǎng)護次數(shù)，建議覆蓋塑料薄膜保溫養(yǎng)護，塑料薄膜養(yǎng)護可以使混凝土與空氣相隔，水分不容易被蒸發(fā)而完成水化作用，可以有效降低開裂現(xiàn)象情況。特別留意剪力墻的及時養(yǎng)護，建議及時覆蓋薄膜保濕保溫養(yǎng)護。冬天氣候冷，混凝土收縮應力太大，混凝土溫差收縮應力太大，很容易造成剪力墻豎向裂縫。  

4、在拆除側模時確認混凝土是否完全處于終凝狀態(tài)，是否達到一定強度，防止脫皮。  

溫度降低，則其初凝時間與終凝時間均會延長，相比之下終凝時間延長的更為明顯，為了避免拆模過早出現(xiàn)麻面或脫皮現(xiàn)象，拆模時間比平常時要適當延遲。拆除底模要嚴格依據同條件試塊強度，結合構件跨度長度，嚴禁底模拆除過早，產生結構開裂！