低溫環境對輸電工程混凝土工作性能和強度的影響

許濤 ，朱兆輝 ，陳誠 ，高建明

（1. 中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司，江蘇 南京 211102；2.東南大學材料科學與工程學院，江蘇 南京 211189）

0 引言

隨著我國“新基建”的興起， 5G 基站、特高壓輸電等領域建設速度加快。輸電線路工程中的混凝土基礎對線路鐵塔的安全穩定、建設進度起著重要作用。新時期輸電工程設施建設對基礎混凝土的施工性能和強度適應各種環境的能力提出了更高的要求，尤其是在雨雪寒冷的冬季環境。 由于輸電工程通常工期緊，甚至會遇到突發搶修情況，冬季施工無法避免。 另外，輸電工程的施工地點一般都是偏僻的山野農田等地，與工民建相比，其工程施工配套設施和施工環境較差。文章以長三角地區冬季野外施工環境較差的輸電線路工程中的基礎混凝土施工為背景，重點研究低溫環境（－5 ℃、5 ℃）不同水膠比、外加劑含量對輸電工程混凝土工作性能和力學性能的影響，研究結果為輸電工程設施的施工進程控制提供了重要依據。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料和儀器

本試驗采用海螺集團中國水泥廠P·O 42.5 級水泥； 粗集料采用 5～25 mm 連續集配碎石， 含泥量≤1%， 表觀密度為2 810 kg/m3； 細集料采用中砂，細度模數2.4，含泥量≤1%；采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司的聚羧酸型高性能減水劑 （液態），減水率約20%，固含量10%；采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司的高性能低溫早強劑，主要為有機物類和亞硝酸鹽類復合而成；混凝土拌和用水為自來水。

試驗過程中使用的主要設備有：冰柜、環境模擬試驗箱、溫濕度傳感器、壓力試驗機、坍落度筒、直尺、混凝土攪拌機等。冰柜可達到的模擬條件為-15～10 ℃， 相對空氣濕度 58%～62%， 溫度均勻度≤1.5 ℃，溫度偏差±1 ℃，相對空氣濕度偏差±2%。環境模擬試驗箱可達到的模擬條件為-20～80 ℃，相對空氣濕度10%～100%，溫度均勻度≤1 ℃，溫度偏差±1 ℃，相對空氣濕度偏差±2%。

1.2 配合比

試驗所用混凝土配合比如表1 所示。

表1 混凝土配合比

1.3 養護條件

恒溫養護條件：通過調節冰柜、環境模擬試驗箱的溫度為-5 ℃、5 ℃、20 ℃，濕度為（60±2）%RH。

1.4 試驗過程與方法

試驗過程：在相對應的養護溫度條件下攪拌混凝土，測試新拌混凝土的工作性能，包括坍落度、擴展度等；成型后放置于對應模擬環境養護，之后測試其 7 d、14 d、28 d 抗壓強度。 將處于-5 ℃、5 ℃、20 ℃的試樣設定為 D、Z、G 三組， 每組包含 C30、C40 配合比的混凝土，設為 D30-0、D30-3、D40-0、D40-3 等。

試驗方法：不同環境下混凝土工作性能測試依據GB/T 50080—2016 《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》） 進行， 混凝土抗壓強度測試依據GB/T 50107—2010《混凝土強度檢驗評定標準》）進行。

2 結果與討論

2.1 低溫成型和復合早強劑對混凝土工作性能的影響

不同環境溫度對新拌混凝土工作性能的影響如圖1 所示，試驗結果表明，混凝土的坍落度及擴展度隨環境溫度的降低而增大， 隨混凝土的強度設計等級升高而減小。對比發現，新拌混凝土在溫度較高時的坍落度和擴展度的變化更為敏感， 即在5 ℃以上時環境溫度每升高1 ℃時， 坍落度和擴展度減小速率增大。 復合早強劑對混凝土工作性能的影響如圖2 所示，結果表明，混凝土的坍落度及擴展度隨著復合早強劑的摻加而減小。 另外， 在環境溫度為20 ℃時，摻加3%的復合早強劑對混凝土的坍落度和擴展度影響較小。綜合來看，在溫度處于-5～5 ℃時，由于此時水泥的水化反應較弱，水分蒸發較少，因而表現出坍落度、擴展度較大，常伴隨著泌水的出現。隨著水灰比的降低，混凝土的流動性降低。在添加適量的復合早強劑或提高環境溫度后，混凝土在拌和時即開始加快水化進程， 吸收更多水分，同時水分蒸發速率加快，致使混凝土的流動性變差。

圖1 不同環境溫度和混凝土強度等級對混凝土坍落度、擴展度的影響

圖2 復合早強劑對混凝土坍落度、擴展度的影響

由表2 可以看出，隨著環境溫度的降低，復合早強劑對混凝土早期水化速率的提升明顯。 在溫度為5 ℃、-5 ℃的環境下， 加入復合早強劑對混凝土早期水化有極大的促進作用，能夠使混凝土的初凝時間和終凝時間提前[1]；而處于20 ℃養護環境下，加入復合早強劑對于混凝土的初凝及終凝幾乎未起作用。 這是由于在溫度較低時，硝酸鹽能大幅降低游離水的冰點，使其在溫度較低時保持液態，而有機物能幫助降低溶液的表面張力，提升水泥與自由水的潤濕速率，另一方面可與金屬離子形成比較穩定的絡合物，而水化產物（如C3A 等）在絡合物的溶液中擴散速率更快， 便可加快形成鈣礬石[2]；在溫度較高時，其本身的擴散速率很快，部分水被包裹無法及時釋放，致使水化速率基本無變化，保持平穩。

表2 混凝土凝結時間

2.2 低溫養護和復合早強劑對混凝土強度發展的影響

混凝土強度的增長主要是由于水泥不斷水化，相應水化產物逐漸增加，而影響水泥水化程度的因素有很多，包括養護溫度、水膠比、外加劑、齡期等。根據輸電工程的調研結果，模擬其相應環境，得出的混凝土強度試驗結果如圖3、4、5 所示。

由圖3、4 可知，混凝土強度隨著齡期的增加逐漸增長，但增長率逐漸降低。 不同強度等級對應階段的強度增長率基本相同， 養護溫度在5 ℃以上，混凝土在28 d 的強度都能達到預期強度值且后期強度未出現降低。 在－5 ℃、相對空氣濕度60% 時，混凝土的強度增長極慢，表明在溫度降低至一定溫度時其內部的自由水易結成冰致使水泥也停止水化，即使隨著齡期的增加，混凝土強度也只能達到標準養護條件下28 d 強度的20%～30%。 在5 ℃、相對空氣濕度60% 時， 混凝土在7 d 時的強度僅有標準養護條件下7 d 強度的40%～50%， 這表明在5 ℃時，水泥前期的水化速率得到了很大程度的抑制， 但水化過程中生成的水化產物和大量水化熱， 一方面保證了7～14 d 水泥較快的水化速率，另一方面大量的水化產物填充混凝土內部，快速提升了強度。 在20 ℃、相對空氣濕度60%時，混凝土在前期7 d 即已達到混凝土28 d 設計強度的60%～70%，在60 d 時混凝土的強度已經達到混凝土28 d設計強度的110%左右。

圖3 低溫養護環境下養護齡期與抗壓強度的關系

圖4 低溫養護環境下養護齡期與抗壓強度比的關系

由圖5 可知，摻入復合早強劑之后，對于三種養護條件下混凝土早期強度都有大幅度提升， 但提升效果隨著養護溫度的升高而降低。對于－5 ℃、相對空氣濕度60% 時的養護條件， 加入3%的復合早強劑能夠在7 d 齡期時強度提升139%至19.6 MPa，60 d時其強度能提升300%至38.4 MPa; 對于5 ℃、 相對空氣濕度60% 時的養護條件下， 加入3%的復合早強劑能夠在7 d 齡期時強度提升75%至36.1 MPa，但60 d 時其強度基本與不摻復合早強劑的強度相當；對于20 ℃、相對空氣濕度95% 時的養護條件下， 加入3%的復合早強劑能夠在7 d 齡期時強度提升12%至37.3 MPa，后期強度基本接近。

圖5 低溫養護環境下復合早強劑對混凝土抗壓強度的影響

試驗結果表明， 在－5 ℃且不摻復合早強劑的情況下，由于水泥水化過程極其緩慢，在較短時間內達不到此溫度下混凝土可繼續發展的最低強度，之后強度發展停滯， 而加入3%的復合早強劑，能夠加速C3A 的水化及水化物與石膏反應生成鈣礬石的過程，使混凝土在1～3 d 內快速達到其受凍臨界強度，即達到此強度混凝土方可持續水化、強度增加；高性能減水劑及復合早強劑，不僅有利于其早期強度的增長，更能保證后期混凝土強度不出現倒縮，對混凝土的耐久性能提升具有重要意義[3]。

3 結論

（1）新拌混凝土的坍落度及擴展度隨著環境溫度的降低而增大， 隨著環境溫度的降低其坍落度和擴展度的減小速率減小。 混凝土的坍落度及擴展度隨著復合早強劑的摻加而減小，在環境溫度為20 ℃時，摻加3%的復合早強劑對于混凝土的坍落度和擴展度影響較小。

（2）隨著環境溫度的降低，復合早強劑對混凝土早期強度的提升速率明顯。 在溫度為5 ℃、－5 ℃的環境下，加入復合早強劑對于混凝土的早期水化有著極大的促進作用，能夠使混凝土的初凝時間和終凝時間提前；而處于20 ℃養護環境下，加入復合早強劑對于混凝土的初凝及終凝幾乎未起作用。

（3）混凝土各強度等級的強度隨著齡期的增加逐漸增長，在5 ℃以上的養護溫度下，混凝土在28 d的強度都能達到設計強度且后期強度未出現倒縮。摻入復合早強劑之后，對于三種養護條件下的混凝土的早期強度都有大幅提升，但提升效果隨著養護溫度的升高而降低。在－5 ℃且不摻復合早強劑的情況下， 混凝土60 d 的抗壓強度只有20 ℃環境下混凝土60 d 抗壓強度的20%，即9.6 MPa；摻入復合早強劑后可 7 d 提升 139%至 19.6 MPa，60 d 時其強度能提升至38.4 MPa。

（4）結合輸電工程混凝土施工特性，即低溫環境下7 d 內混凝土強度達到預期強度的70%以上，需在環境溫度5 ℃以上且摻加復合早強劑的情況下方可實現；而當環境溫度高于20 ℃時，僅摻加適量的高性能聚羧酸減水劑也能滿足施工要求。