低溫施工對混凝土性質(zhì)影響綜述

張占宇，李 巖，陸云濤

（江蘇森淼工程質(zhì)量檢測有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212028）

低溫季節(jié)施工過程中由于溫度較低，水泥混凝土強(qiáng)度增長非常緩慢。極容易因溫度應(yīng)力引起裂縫[1]。如果混凝土受凍后，還會(huì)對其耐久性產(chǎn)生影響。研究混凝土強(qiáng)度發(fā)展的機(jī)理，對確定低溫季節(jié)施工的工藝具有重大意義。特別是公路橋梁工程低溫季節(jié)施工時(shí)，由于野外條件差，較工業(yè)與民用建筑工程混凝土質(zhì)量控制難度更大。大量實(shí)踐表明，公路橋梁工程混凝土低溫季節(jié)施工由于對混凝土強(qiáng)度發(fā)展機(jī)理研究不透徹而采取不適宜的養(yǎng)生方法導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件受凍的實(shí)例屢見不鮮。主要表現(xiàn)在：①低溫季節(jié)施工水泥選擇不利，導(dǎo)致混凝土蒸汽養(yǎng)生后出現(xiàn)裂縫；②混凝土受凍，導(dǎo)致強(qiáng)度降低，產(chǎn)生不可逆的耐久性問題；③混凝土雖未受凍，但是強(qiáng)度增長期一直處于低溫狀態(tài)，導(dǎo)致等效齡期過長，甚至在構(gòu)件澆筑后的180 d后仍然沒有達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度；④混凝土低溫季節(jié)施工養(yǎng)生后拆模過早，導(dǎo)致混凝土表面溫度拉應(yīng)力增大，產(chǎn)生裂縫。諸如此類的問題，歸根到底就是對混凝土強(qiáng)度增長機(jī)理不明確所致。本研究在查詢分析文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，給出了混凝土硬化的機(jī)理及混凝土性質(zhì)的決定因素。

1 混凝土的凝結(jié)與硬化階段

1.1 混凝土水化反應(yīng)機(jī)理

當(dāng)砂石材料及水泥加水后，混凝土即形成，水泥的水化反應(yīng)隨即開展?；炷恋乃磻?yīng)符合無機(jī)物化學(xué)反應(yīng)的一般規(guī)律。水泥中的活性物質(zhì)與水作用的過程[2]可以按如下表示。

水泥的水化反應(yīng)過程，其實(shí)就是水與水泥結(jié)合后形成一種具有強(qiáng)度的結(jié)晶物，這個(gè)過程，體現(xiàn)了水泥混凝土從拌合前的松散狀態(tài)至加水后的塑性狀態(tài)，以及經(jīng)歷一段時(shí)間后形成剛性物的狀態(tài)轉(zhuǎn)化，其過程如圖1所示。其中，I階段水泥中的膠結(jié)材料與水的反應(yīng)剛剛開始，材料處于可塑狀態(tài)；Ⅱ階段混凝土開始凝固；在第Ⅲ階段，混凝土水化程度加快，材料開始硬化，其中在Ⅲ-1階段，水化反應(yīng)使混凝土開始具有了強(qiáng)度；在Ⅲ-2階段，水化反應(yīng)加劇，形成強(qiáng)度的速度也逐漸加快，而在Ⅲ-3階段，混凝土水化時(shí)間的繼續(xù)保持進(jìn)行?；炷恋膹?qiáng)度也接近于該種混凝土的極限強(qiáng)度[3]。

圖1 混凝土硬化動(dòng)力學(xué)曲線

混凝土強(qiáng)度是否能達(dá)到預(yù)期，與混凝土的水化時(shí)間密切相關(guān)，而混凝土的水化時(shí)間又與混凝土初凝和終凝的時(shí)間段內(nèi)反應(yīng)情況有關(guān)。在此期間，當(dāng)新拌混凝土在初凝這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，其可塑、可變形的性質(zhì)失去，而當(dāng)混凝土完全硬化至終凝以后，混凝土的剛性狀態(tài)開始。在一定的溫度條件下，整個(gè)過程水化速率很快，至混凝土終凝時(shí)，大約有1/5的水泥跟水發(fā)生了反應(yīng)。但是，在水泥終凝后，雖然其已經(jīng)固化，無法流動(dòng)，但是水化反應(yīng)還在進(jìn)行，不同的是，速率有所降低。然而，水泥的是一種非常特殊的無機(jī)物，其與水的化學(xué)反應(yīng)不是在短時(shí)內(nèi)就可以完成的，其實(shí)只要有水存在，其反應(yīng)也會(huì)持續(xù)較長時(shí)間，甚至?xí)菐啄辍?/p>

從混凝土的拌制開始，到混凝土開始具有強(qiáng)度從而進(jìn)入剛性狀態(tài)之前，習(xí)慣上將其稱為新拌混凝土，而隨著時(shí)間的延長，逐步進(jìn)入剛性狀態(tài)以后即為硬化混凝土。

混凝土的凝結(jié)時(shí)間與多種因素有關(guān)[4-5]，其中內(nèi)因有水灰比、水泥自身的特性、外加劑情況及砂石材料等用量，外因有濕度、溫度及澆筑方法工藝等。有文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)，溫度的變化對水泥的凝結(jié)時(shí)間影響較大，采用普通硅酸鹽水泥配置的混凝土，如果混凝土養(yǎng)生溫度變化在常溫15℃升高至30℃，那么，其凝結(jié)時(shí)間會(huì)大大縮短，一般情況下會(huì)縮短50%。其他水泥配置的混凝土也滿足這一規(guī)律，只是凝結(jié)時(shí)間變化的程度有所差異。此外，當(dāng)拌合水溫度超過80℃時(shí)，水泥接觸后便會(huì)發(fā)生假凝，在冬季施工中要注意避免。

1.2 混凝土中的水與孔隙

混凝土之所以能形成強(qiáng)度，是因?yàn)樗酀{將粗細(xì)集料緊緊包裹形成剛性體。雖然水泥漿作為膠結(jié)材料其占比僅僅在25%左右，但是，水泥漿的本身固有性質(zhì)則嚴(yán)重影響到混凝土的強(qiáng)度及其耐久性能。而水泥漿本身的性能則與水泥的規(guī)格型號、水灰比、養(yǎng)護(hù)的溫度濕度狀況及養(yǎng)生持續(xù)的時(shí)間等相關(guān)。

眾所周知，新拌混凝土的水化反應(yīng)不是一次性完成的，是一個(gè)緩慢的過程，新拌混凝土中的大部分水分實(shí)際上是不參與水化反應(yīng)的，只有少部分的水與水泥反應(yīng)成為組成混凝土的產(chǎn)物，其余的形成游離狀態(tài)而逐步蒸發(fā)，游離水蒸發(fā)的快慢與混凝土所處的環(huán)境因素有關(guān)，如溫度、濕度、混凝土面積及風(fēng)力情況。所以，水泥漿中的水具有不穩(wěn)定性，其中一部分是水化水，另一部分則成為游離水。文獻(xiàn)研究表明，當(dāng)混凝土的水化反應(yīng)產(chǎn)生以后，形成的顆粒表面會(huì)附著少量的水分子，即吸附水；在混凝土水化以后形成的晶體連接面之間也會(huì)封住一些游離水，即界層水；在水化晶體的晶格中未參與物質(zhì)結(jié)合的游離水，稱為晶格水等。

在進(jìn)行混凝土研究時(shí)，可以把水泥漿中的水進(jìn)行人為分類，如果將水泥漿體置于溫度為110℃的環(huán)境中12 h后，蒸發(fā)掉的水為上述的游離水，如果在這個(gè)條件下未蒸發(fā)，則可以將漿體置于不低于900℃的環(huán)境中不少于48h后才能烘干，那么，這些即為化學(xué)結(jié)合水。

隨著混凝土中水泥水化時(shí)間的增加，參與水化反應(yīng)的水會(huì)隨著時(shí)間的增長而增多，但是富余的游離水則會(huì)減少。直至水泥混凝土完全硬化至終凝的時(shí)候，水化速度正式加快，化學(xué)結(jié)合水最大可增加到水泥重量的8%左右，到混凝土中水泥水化反應(yīng)完全結(jié)束時(shí)，化學(xué)結(jié)合水達(dá)到峰值，即增加到水泥總重量的1/4。

由于混凝土中大量游離水的存在，其會(huì)在水泥漿內(nèi)游離成為各種形狀，待水泥混凝土硬化后，便形成各種各樣相互連通的孔隙，這就是通常我們所說的毛細(xì)孔。這些毛細(xì)孔普遍位于混凝土水化后的水化物顆粒之間，非常容易產(chǎn)生毛細(xì)現(xiàn)象。

此外，水泥經(jīng)水化后產(chǎn)生的凝膠中，也存在各種孔隙，這部分孔隙被稱為凝膠孔。

研究表明，在硬化的混凝土中，因游離水產(chǎn)生的孔隙非常多，如果用孔隙率來表示，則孔隙率約在30%左右。

水泥混凝土中，孔隙率的高低、毛細(xì)孔的大小形狀，其決定因素主要有①混凝土拌制時(shí)，實(shí)際上形成的施工水灰比；②在水泥水化期間，混凝土所處環(huán)境的溫度情況；③混凝土拌制時(shí)，水泥的特性等。想得到較小孔隙率的混凝土，則可以通過減小水灰比得到，因?yàn)樗冶刃?，水泥漿的水化程度就高，從而孔隙率就會(huì)減小。防滲混凝土施工時(shí)，就會(huì)利用較小的水灰比和充分的養(yǎng)生條件獲得較小的滲透系數(shù)。

在水泥混凝土中，凝膠孔的占比與毛細(xì)孔大不一樣，文獻(xiàn)給出的數(shù)據(jù)為凝膠體積的1/3。其形成是水泥凝膠本身具有的特殊性質(zhì)，而與施工中的水灰比及養(yǎng)生條件沒有關(guān)聯(lián)。

硬化水泥漿體與其他多孔固體材料一樣，強(qiáng)度主要取決于孔隙率。

抗?jié)B混凝土的抗?jié)B透性跟毛細(xì)孔有極大關(guān)系，因?yàn)檩^大的孔徑和聯(lián)通情況會(huì)加大混凝土的滲透。有文獻(xiàn)研究表明，混凝土的抗水滲透性之所以會(huì)集中體現(xiàn)，則是因?yàn)槊?xì)孔的孔徑較大，一般均為0.13 μm以上。

由此可知，毛細(xì)孔孔隙率及孔徑情況是水泥漿體非常重要的特征。這對混凝土的強(qiáng)度及滲水性影響巨大[6]。

2 混凝土強(qiáng)度與耐久性

2.1 抗壓強(qiáng)度特征

水泥混凝土結(jié)構(gòu)物是利用混凝土抗壓強(qiáng)度高的特點(diǎn)體現(xiàn)其功能的。而決定混凝土抗壓強(qiáng)度的因素是有很多種，如：水泥的組成成分、水膠比、砂石料的性質(zhì)、施工工藝及在混凝土強(qiáng)度增長期間，其所處的外部條件因素等。

如果在水泥的組分、水膠比及施工工藝已經(jīng)確定的情況下，混凝土的強(qiáng)度主要取決于水膠比。因?yàn)?，水泥漿體的孔隙情況也與水膠比有關(guān)。文獻(xiàn)研究表明，當(dāng)水膠比介于0.4～0.8時(shí)，水膠比和強(qiáng)度可以表示為y=a+bx，此曲線為線性曲線。

眾所周知，水泥混凝土中膠結(jié)材料的使用數(shù)量也跟混凝土28 d的抗壓強(qiáng)度密切相關(guān)，但不是主要因素。需要注意的是，不能因?yàn)槠錇榇我蛩囟档退嘤昧?，因?yàn)樗嘤昧颗c混凝土自身的密實(shí)程度有關(guān)。

2.2 黏結(jié)強(qiáng)度特征

鋼筋混凝土構(gòu)件中，鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)問題是保證構(gòu)件具有足夠抗剪、抗彎拉強(qiáng)度的基本條件。構(gòu)件混凝土與添加的鋼筋之間具有的黏結(jié)強(qiáng)度大小，主要體現(xiàn)為鋼筋與混凝土之間的握裹力。并且，黏結(jié)強(qiáng)度的大小還跟混凝土本身的強(qiáng)度及鋼筋的自身形狀等諸多因素有關(guān)。比如，圓鋼和螺紋鋼不同，帶彎鉤和直筋也不同等。而對于混凝土強(qiáng)度與握裹力并非線性關(guān)系[7]，文獻(xiàn)表明，當(dāng)混凝土強(qiáng)度在20 MPa以上時(shí)，黏結(jié)強(qiáng)度的增加量會(huì)減少。

常溫養(yǎng)護(hù)的混凝土，黏結(jié)強(qiáng)度一般都可以滿足要求，因此在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，設(shè)計(jì)上對鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)強(qiáng)度都不作特殊要求。比如對構(gòu)件內(nèi)受力主要鋼筋進(jìn)行綁扎時(shí)，其綁扎接頭在JTG/T 3650—2020《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》中也有明確規(guī)定，其規(guī)定是，在C30混凝土中Ⅱ級受拉鋼筋接頭時(shí)，搭接長度規(guī)定為35d（d為鋼筋直徑），且一個(gè)斷面內(nèi)接頭數(shù)量不大于鋼筋總數(shù)量的25%。此項(xiàng)長度規(guī)定就是以正常的黏結(jié)強(qiáng)度為依據(jù)計(jì)算出來的。但是在冬季施工中、新澆筑的混凝土如果受凍，黏結(jié)強(qiáng)度將降至1.0 MPa以下，即使提高混凝土的強(qiáng)度等級即增加混凝上中的水泥用量也無濟(jì)于事，這是必須注意的。

2.3 滲透性特征

總體來說，成型混凝土中的毛細(xì)孔非常豐富，其孔隙率大約占混凝土總體積的1/10。文獻(xiàn)研究表明，成型并具有一定強(qiáng)度的混凝土孔隙率對混凝土的抗?jié)B性能影響不容忽視?；炷潦欠駶B水，以及滲水性能的高低都對混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐久性有著非常嚴(yán)重的影響。

混凝土的碳化是一種混凝土常見的內(nèi)部缺陷，其碳化的大小受混凝土內(nèi)外部孔隙及混凝土滲透性等因素的影響很大，實(shí)踐證明，若混凝土的滲透性大，其內(nèi)部進(jìn)水的概率就大，當(dāng)混凝土中進(jìn)入空氣和水，則會(huì)加速混凝土的碳化反應(yīng)?；炷撂蓟笠环矫鏁?huì)加速混凝土堿集料反應(yīng)，使混凝土耐久性降低，另一方面在低溫凍融下易發(fā)生剝皮等損壞。

在一般情況下，只要混凝土的水灰比和單位體積中的水泥用量符合GB 50204—2015《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》的規(guī)定，拌合物具有較好的和易性并經(jīng)振搗密實(shí)和在常溫下充分養(yǎng)護(hù)，混凝土抵抗?jié)B透的能力可以滿足要求。因此在房屋建筑工程的設(shè)計(jì)文件中，對混凝土的抗?jié)B性能均不作要求，當(dāng)然這并不意味著滲透性對混凝土結(jié)構(gòu)不重要。在冬季施工中，新澆筑的混凝土如果在硬化初期受凍，最突出的表現(xiàn)就是抗?jié)B標(biāo)號降低幾乎為0，即使在混凝土中增加水泥用量也于事無補(bǔ)。因此不論設(shè)計(jì)上是否對混凝土的抗?jié)B性能提出要求，也不論結(jié)構(gòu)物是否與水直接接觸，在冬季施工中，應(yīng)該充分重視混凝土的滲透性，并把混凝土的抗?jié)B性能作為表征耐久性的一項(xiàng)指標(biāo)來看待。

3 拌合水的凍結(jié)和相變

負(fù)溫下混凝土就會(huì)凍結(jié)，主要是其中的水會(huì)因結(jié)冰而產(chǎn)生體積脹增現(xiàn)象，文獻(xiàn)研究表明，水變?yōu)楸篌w積會(huì)增加約1/10。當(dāng)水結(jié)成冰以后，一方面會(huì)使水無法完成正常的水化反應(yīng)，另一方面會(huì)使水泥漿體脹增，破壞原本形成的混凝土強(qiáng)度。

在新拌水泥漿體中，水存在于水泥顆粒之間，基本上不受約束。但是，若無摻加減水劑，那么將會(huì)有90%的水會(huì)在0℃時(shí)發(fā)生凍結(jié)。這是因?yàn)椋嘀械难趸}等成分溶解于水，使拌合水成為具有一定濃度的溶液。因?yàn)楸c(diǎn)的問題，不是水泥漿中的所有的水都會(huì)在0℃時(shí)變?yōu)楣腆w，由于毛細(xì)作用，其冰點(diǎn)會(huì)急劇降低，有文獻(xiàn)研究表明，水泥漿中的部分水在-40℃時(shí)也會(huì)保持液態(tài)，因此，其水化反應(yīng)還會(huì)微弱進(jìn)行。

由于防凍劑的研發(fā)，在水泥混凝土中加入硝酸鹽，硝酸鹽溶于水后，其冰點(diǎn)降低，因此達(dá)到防凍的目的。

水泥混凝土中的富余水是否全部會(huì)結(jié)冰主要取決于富余水所處的狀態(tài)。存在于毛細(xì)孔中的游離富余水，如果其所處的毛細(xì)孔孔徑較大，則容易結(jié)冰，如果所處的毛細(xì)孔孔徑低于5 nm，則其結(jié)冰的臨界點(diǎn)將低于-60℃。隨著水與水泥發(fā)生水化反應(yīng)，游離的富余水會(huì)逐漸減少，從而，毛細(xì)孔的孔徑也隨之變小。所以，文獻(xiàn)研究表明，在混凝土中，水泥漿體的含冰率大小，主要取決于水泥的水化程度，如果水泥的水化程度越高，則含冰率就越小。

經(jīng)文獻(xiàn)試驗(yàn)研究，新拌水泥漿體立即受凍，含冰率較高，而養(yǎng)護(hù)24 h后受凍，含冰率顯著降低。

表1為一定水灰比的混凝土經(jīng)低溫經(jīng)歷后，在不同齡期受凍所產(chǎn)生含冰率情況的試驗(yàn)檢測數(shù)據(jù)。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)合文獻(xiàn)研究結(jié)論來看，如果受凍前混凝土水化強(qiáng)度高，則含冰率就相對降低?；炷林兴嗟乃潭仁菦Q定受凍混凝土含冰率[8]大小的主要因素。

表1 在不同齡期受凍后混凝土的含冰率

4 結(jié)束語

在交通工程建設(shè)中，低溫季節(jié)施工難以避免，而掌握混凝土硬化機(jī)理及混凝土在低溫狀態(tài)下各種性質(zhì)是確保工程質(zhì)量的前提條件。對于混凝土性質(zhì)的研究無論國外還是國內(nèi)都仍然在探索實(shí)踐，各種理論不斷涌現(xiàn)。而本文的研究緊密聯(lián)系工程實(shí)踐，為公路橋涵低溫季節(jié)施工工藝研究、養(yǎng)護(hù)制度的取舍、工程措施的制定以及混凝土缺陷的原因分析和處理都有一定的指導(dǎo)意義。