溫度對(duì)混凝土性能有多大影響？  

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溫度與混凝土性能的關(guān)系  

1.1溫度變化對(duì)水泥水化及混凝土強(qiáng)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(guò)程中主要發(fā)生的化學(xué)變化是水泥的水化反應(yīng)，水泥水化速度與水泥細(xì)度有關(guān)，同時(shí)也是隨著溫度的變化而變化的，溫度越高，反應(yīng)越快。其間的關(guān)系服從普遍適用于各種物理化學(xué)反應(yīng)的通用的Arrhenius定律。  

根據(jù)許多學(xué)者研究，硅酸鹽水泥在常溫下水化時(shí)的激活能E值約在30—40kJ/mol之間變化。設(shè)E＝40kJ/mol，則溫度從20℃上升至40℃時(shí)反應(yīng)速率k值將增加185％，溫度上升至60℃時(shí)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(jiǎn)言之，如果說(shuō)溫度是按算術(shù)級(jí)數(shù)升高的話(huà)，那么反應(yīng)速率是在實(shí)用的溫度范圍內(nèi)以每升高10℃大約增長(zhǎng)70％的速率按幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)的，反之亦然。由此可見(jiàn)水化速率要比溫度的變化強(qiáng)烈的多。這給低溫條件下混凝土的強(qiáng)度增長(zhǎng)速率提供了研究依據(jù)。  

在上世紀(jì)80年代初，Carino在美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局做了一項(xiàng)試驗(yàn)，用水灰比等于0.43的標(biāo)準(zhǔn)試件在指定溫度下澆制、密封和養(yǎng)護(hù)，直至指定齡期測(cè)定其抗壓強(qiáng)度，不同溫度下的混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)如圖1所示。

試驗(yàn)說(shuō)明，混凝土澆筑后強(qiáng)度的增長(zhǎng)速率是隨著養(yǎng)護(hù)溫度的增高而加快的，也是隨著齡期的增長(zhǎng)而漸減的。溫度對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響主要是在形成強(qiáng)度的前10d左右的時(shí)間，而對(duì)混凝土在28天后的強(qiáng)度影響比較小。  

1.2溫度對(duì)混凝土坍落度的影響  

混凝土拌和物的和易性施工經(jīng)驗(yàn)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(shí)是隨著它的溫度升高而減小的。試驗(yàn)結(jié)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(jiàn)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(duì)這種內(nèi)摩擦有一定的潤(rùn)滑作用以外，還與其中所含氣泡有關(guān)，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(guān)，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(dòng)性。同樣，在低溫條件下拌和混凝土?xí)r要相應(yīng)減少拌和用水，以防止用水過(guò)多產(chǎn)生泌水或坍落度過(guò)大的現(xiàn)象。  

1.3低溫下的混凝土強(qiáng)度研究  

在混凝土澆筑后尚未硬化前，低溫下內(nèi)部水在結(jié)冰時(shí)體積會(huì)發(fā)生9％左右的增長(zhǎng)，同時(shí)產(chǎn)生約2500kg/cm2的冰脹應(yīng)力。這個(gè)應(yīng)力值常常大于水泥石內(nèi)部形成的初期強(qiáng)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(qiáng)度。此外，當(dāng)水變成冰后，還會(huì)在骨料和鋼筋表面上產(chǎn)生顆粒較大的結(jié)晶，減弱水泥漿與骨料和鋼筋的黏結(jié)力，從而影響混凝土的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)冰凌融化后，又會(huì)在混凝土內(nèi)部形成各種各樣的空隙，而降低混凝土的密實(shí)性及耐久性。由此可見(jiàn)，在冬季混凝土施工中，水的形態(tài)變化是影響混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)的關(guān)鍵。  

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)水在混凝土中的形態(tài)進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究結(jié)果表明，新澆混凝土在凍結(jié)前有一段預(yù)養(yǎng)期，可以增加其內(nèi)部液相，減少固相，加速水泥的水化作用。試驗(yàn)研究還表明，混凝土受凍前預(yù)養(yǎng)期愈長(zhǎng)，強(qiáng)度損失愈小?；炷粱瘍龊螅刺幵谡囟葪l件下）繼續(xù)養(yǎng)護(hù)，其強(qiáng)度還會(huì)增長(zhǎng)，不過(guò)增長(zhǎng)的幅度大小不一。對(duì)于預(yù)養(yǎng)期長(zhǎng)，獲得初期強(qiáng)度較高（如達(dá)到R28的35%）的混凝土受凍后，后期強(qiáng)度幾乎沒(méi)有損失。而對(duì)于安全預(yù)養(yǎng)期短，獲得初期強(qiáng)度比較低的混凝土受凍后，后期強(qiáng)度都有不同程度的損失。  

由此可見(jiàn)，混凝土凍結(jié)前，要使其在正常溫度下有一段預(yù)養(yǎng)期，以加速水泥的水化作用，從而避免產(chǎn)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(jié)水量減少，水中溶解鹽濃度隨水化深入而濃度增加，冰點(diǎn)也隨齡期而降低，抵抗凍融破壞的能力也隨之增強(qiáng)。所以延長(zhǎng)凍結(jié)前的養(yǎng)護(hù)時(shí)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(qiáng)度，一般稱(chēng)臨界強(qiáng)度，我國(guó)規(guī)定臨界強(qiáng)度為不低于設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)的30%，即不得低于35kg/cm2。  

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冬季混凝土施工注意事項(xiàng)  

2.1混凝土冬季施工應(yīng)注意的問(wèn)題  

從以上分析可以看出，溫度在混凝土的拌制和澆注后強(qiáng)度的形成過(guò)程中有著十分重要的作用。一般說(shuō)來(lái)混凝土的養(yǎng)護(hù)溫度宜熱不宜冷，澆灌入模時(shí)的溫度宜冷不宜熱，冬季施工亦是如此。對(duì)于大體積結(jié)構(gòu)物，為了防止拌和物凍結(jié)、凝結(jié)過(guò)緩，入模溫度也不宜過(guò)低。為了防止混凝土受凍和保證強(qiáng)度增長(zhǎng)，應(yīng)對(duì)施工地點(diǎn)進(jìn)行臨時(shí)性的圍護(hù)，并對(duì)混凝土的表面和模板用隔熱材料掩蓋保溫養(yǎng)護(hù)，必要時(shí)可用蒸汽或電熱加溫。澆灌后宜用成熟度法或其他測(cè)試方法時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)混凝土強(qiáng)度，直至達(dá)到預(yù)定的強(qiáng)度要求（例如臨界防凍強(qiáng)度、脫模強(qiáng)度、預(yù)應(yīng)力張拉強(qiáng)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(chǎng)所，必要時(shí)可對(duì)集料和水進(jìn)行加熱。  

2.2混凝土冬季施工方法的選擇  

在實(shí)踐中，要根據(jù)施工時(shí)的氣溫情況，工程結(jié)構(gòu)狀況（工程量、結(jié)構(gòu)厚大程度與外露情況），工期緊迫程度，水泥的品種及價(jià)格，早強(qiáng)劑、減水劑、抗凍劑的性能及價(jià)格，保溫材料的性能及價(jià)格，熱源的條件等，來(lái)選擇合理的施工方法。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于同一個(gè)工程，可以有若干個(gè)不同的冬季施工方案。一個(gè)理想的方案，應(yīng)當(dāng)用最短的工期、最低的施工費(fèi)用，來(lái)獲得最優(yōu)良的工程質(zhì)量，也就是工期、費(fèi)用、質(zhì)量最佳化。目前，基本上采用以下幾種方法。  

（1）調(diào)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(dāng)品種的水泥是提高混凝土抗凍的重要手段。試驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)使用早強(qiáng)硅酸鹽水泥。該水泥水化熱較大，且在早期放出強(qiáng)度最高，一般3d抗壓強(qiáng)度大約相當(dāng)于普通硅酸鹽水泥7d的強(qiáng)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(dá)到齡期強(qiáng)度的時(shí)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(yīng)增加了水泥漿的體積，提高拌和物的流動(dòng)性，改善其黏聚性及保水性，緩沖混凝土內(nèi)水結(jié)冰所產(chǎn)生的水壓力，提高混凝土的抗凍性。  

四、摻加早強(qiáng)外加劑，縮短混凝土的凝結(jié)時(shí)間，提高早期強(qiáng)度。應(yīng)用較普遍的有硫酸鈉（摻用水泥用量的2%）和復(fù)合早強(qiáng)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?chē)皾{膨脹系數(shù)相近。  

（2）蓄熱法。主要用于氣溫-10℃左右，結(jié)構(gòu)比較厚大的工程。做法是：對(duì)原材料（水、砂、石）進(jìn)行加熱，使混凝土在攪拌、運(yùn)輸和澆灌以后，還儲(chǔ)備有相當(dāng)?shù)臒崃?，以使水泥水化放熱較快，并加強(qiáng)對(duì)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(jiǎn)單，施工費(fèi)用不多，但要注意內(nèi)部保溫，避免角部與外露表面受凍，且要延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)齡期。  

（3）外部加熱法。主要用于氣溫-10℃以上，而構(gòu)件并不厚大的工程。通過(guò)加熱混凝土構(gòu)件周?chē)目諝?，將熱量傳給混凝土，或直接對(duì)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(jiǎn)單，但室內(nèi)溫度不高，比較干燥，放出的二氧化碳會(huì)使新澆混凝土表面碳化，影響質(zhì)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(zhuān)門(mén)的鍋爐設(shè)備，費(fèi)用較高，且熱損失較大，勞動(dòng)條件亦不理想。電加熱：將鋼筋作為電極，或?qū)㈦姛崞髻N在混凝土表面，使電能變?yōu)闊崮?，以提高混凝土的溫度。此法?jiǎn)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(xiàn)加熱：用高溫電加熱器或氣體紅外線(xiàn)發(fā)生器對(duì)混凝土進(jìn)行密封輻射加熱。  

（4）使用外加劑法。在-10℃以上的氣溫中，對(duì)混凝土拌和物摻加一種能降低水的冰點(diǎn)的化學(xué)劑，使混凝土在負(fù)溫下仍處于液相狀態(tài)，水化作用能繼續(xù)進(jìn)行，從而使混凝土強(qiáng)度繼續(xù)增長(zhǎng)。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(fù)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(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，采用一種或兩種以上施工方法結(jié)合作用。  

氣溫下降，使用混凝土?xí)r必須注意事項(xiàng)  

近期澆筑的混凝土，由于風(fēng)比較大，氣溫下降，使用混凝土?xí)r必須注意事項(xiàng)如下：  

1、氣溫下降混凝土凝結(jié)時(shí)間會(huì)相對(duì)延長(zhǎng)，混凝土強(qiáng)度漲得慢，必須合理安排施工時(shí)間，避免在沒(méi)有完全終凝的混凝土工作面上施工。  

2、加強(qiáng)混凝土的二次抹面工作，并采取相應(yīng)的保濕措施，防止開(kāi)裂產(chǎn)生。  

3、板柱都要及時(shí)養(yǎng)護(hù)及加大澆水養(yǎng)護(hù)次數(shù)，建議覆蓋塑料薄膜保溫養(yǎng)護(hù)，塑料薄膜養(yǎng)護(hù)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(kāi)裂現(xiàn)象情況。特別留意剪力墻的及時(shí)養(yǎng)護(hù)，建議及時(shí)覆蓋薄膜保濕保溫養(yǎng)護(hù)。冬天氣候冷，混凝土收縮應(yīng)力太大，混凝土溫差收縮應(yīng)力太大，很容易造成剪力墻豎向裂縫。  

4、在拆除側(cè)模時(shí)確認(rèn)混凝土是否完全處于終凝狀態(tài)，是否達(dá)到一定強(qiáng)度，防止脫皮。  

溫度降低，則其初凝時(shí)間與終凝時(shí)間均會(huì)延長(zhǎng)，相比之下終凝時(shí)間延長(zhǎng)的更為明顯，為了避免拆模過(guò)早出現(xiàn)麻面或脫皮現(xiàn)象，拆模時(shí)間比平常時(shí)要適當(dāng)延遲。拆除底模要嚴(yán)格依據(jù)同條件試塊強(qiáng)度，結(jié)合構(gòu)件跨度長(zhǎng)度，嚴(yán)禁底模拆除過(guò)早，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)開(kāi)裂！