低溫環境對混凝土強度影響試驗研究

張偉康（邯鄲金隅太行水泥有限責任公司，河北 邯鄲 056200）

0 前言

我國北方大部分地區進入冬期時間較早且持續時間長，為使建筑工程盡早完工使用，經常需在冬期進行施工建設，但混凝土結構在冬期施工中容易出現強度不足、裂縫過多等質量隱患，進而影響建筑物的安全性及耐久性。建筑工程冬期施工規范中規定，當室外日平均氣溫連續5天穩定低于5℃，即進入冬期施工，且明確規定，凡進行冬期施工的工程項目，需編制冬期施工專項方案。目前混凝土冬期施工中，為了防止混凝土早期凝固時被凍壞，保證其后期強度，一般需要在施工和養護階段采取一些措施，例如加熱原材料、采用特殊養護方式以及摻加外加劑等，但這些措施不僅會增加施工難度，延緩施工進度，同時會改變混凝土的一些性能，影響工程質量。

商混公司冬季適配時，主要檢測防凍劑的性能，如適應性、抗壓強度比等，為了保證混凝土強度一般會提高水泥用量，而冬季施工時也主要控制混凝土的出廠和入模的溫度，等工地驗收時才檢測實體強度，沒有對低溫環境下混凝土強度的增長趨勢或不同溫度對混凝土強度增長的影響進行過系統的試驗。本文主要研究低溫環境混凝土強度的增長趨勢及不同溫度環境對混凝土強度的影響。

1 試驗用原材料

試驗用原材料：水泥（成安粉磨站P·O42.5）；礦渣粉（邯鄲建材）；粉煤灰、天然砂、人工砂、碎石（成安商砼）；-10℃防凍外加劑（金隅科技）。其中，人工砂、天然砂篩析結果見表1，碎石篩析結果見表2。

表1 人工砂、天然砂、中砂篩析結果

表2 成安碎石篩析結果

2 試驗方案

（1）試驗用原材料均為成安攪拌站生產用料，外加劑均為-10℃，防凍外加劑試驗配合比見表3。

表3 混凝土配合比

（2）溫度跨度：5℃ 0℃ -5℃ -10℃、-15℃

（3）養護方式：低溫養護、標準養護、同條件養護。根據混凝土度時積理論，當混凝土的原材料、組成比例為已知時，其強度的增長主要由溫度與時間決定的，所以，通過相同的養護時間對比不同溫度跨度混凝土強度增長趨勢。

低溫養護：保證出機溫度在13℃，測量坍落度后入模成型，在20±3℃環境中預養6 h后覆膜放入低溫養護箱，低溫養護箱在3～4 h達到指定溫度；在低溫環境中養護7 d后取出并在20±3℃解凍24 h，解凍后進行脫模、破型試驗或放入標準養護室。

標準養護：保證出機溫度在13℃，測量坍落度后入模成型，在20±3℃環境中預養24h后放入標準養護室直至到達規定齡期后取出破型。

同條件養護：保證出機溫度在13℃，測量坍落度后入模成型，直接放在戶外進行養護，并每天記錄溫度直至到達規定齡期后取出破型。

（4）同條件養護日平均溫度在-4～6.5℃。

3 試驗數據與分析

3.1 不同環境混凝土強度數據分析

不同環境混凝土抗壓強度見表4，抗壓強度分析見圖1。

圖1 混凝土抗壓強度分析

表4 不同環境混凝土抗壓強度

由上述圖表可看出，在相同養護齡期下，同條件養護的試塊強度最低，7 d強度為14.2 MPa，為標準養護混凝土7 d強度的46.9%，56 d強度只有39.1 MPa，為標準養護混凝土56 d強度的76.5%。在養護初期沒有做預養處理而是直接放入室外，而室外的濕度也較低，導致出現直接受凍現象，早期強度約損失50%以上，后期強度約損失25%；標準養護條件的抗壓強度7 d時最高，說明混凝土早期的強度與養護溫度成正比，溫度越高早期強度越高，另一方面，經過6 h預養處理后的混凝土隨著養護齡期的增加與負溫養護變為標準養護，5℃至-15℃試塊抗壓強度均高于同條件環境的混凝土強度，當齡期到達28 d時，只有同條件養護與-15℃的試塊抗壓強度低于標準養護試塊抗壓強度，56 d齡期同條件養護與-15℃的試塊抗壓強度依然低于標準養護試塊抗壓強度，原因應是所用防凍劑的規格為-10℃，而-15℃的混凝土試塊在負溫養護期間已經將混凝土內部結構破壞，雖然強度仍有持續增長，但相比其他環境溫度試塊有較大差距。

根據不同養護條件，以每天平均氣溫累加得出養護累計溫度，見表5。

表5 混凝土養護累計溫度 ℃

標準養護：20℃預養1 d，放入20℃標準養護，按齡期累加；同條件養護：無預養，根據同條件溫度記錄，算出每天平均溫度，按齡期累加；負溫養護：20℃預養6 h為5℃，放入規定低溫養護，20℃解凍1 d，按齡期累加。

由上述數據可看出7 d、14 d的強度與養護累計溫度有很強的對應關系，隨著齡期增加，后期強度與養護累計溫度對應關系逐漸減少，但總體趨勢依然是相同齡期內，養護累計溫度可大致判斷混凝土強度高低。

根據上述分析，混凝土在低溫環境下，在不摻入防凍劑及防凍型外加劑，不采取足夠的保溫措施，無法保證受凍前達到抗凍臨界強度，對混凝土強度損失很大；當保證了混凝土受凍前達到了臨界強度，就算混凝土受凍，解凍之后仍可保持強度快速增長。

3.2 不同環境混凝土強度增長率數據分析

不同環境混凝土強度增長率見表6，分析圖見圖2～5。

圖2 混凝土抗壓強度0～7 d強度增長率(MPa/d)

圖3 混凝土抗壓強度7～14 d強度增長率(MPa/d)

圖4 14～28 d混凝土抗壓強度增長速率（MPa/d）

圖5 28～56 d混凝土抗壓強度增長速率（MPa/d）

表6 不同環境混凝土抗壓強度增長率 MPa/d

由圖2可看出，不同環境混凝土試塊0～7 d抗壓強度增長率有較大差異，標準養護下試塊強度增長率最高，達到4.3 MPa/d，而在-15℃環境下的混凝土試塊強度增長率僅為0.7 MPa/d，同條件環境下的試塊強度增長率為2.0 MPa/d，低于-5℃環境下的試塊強度增長率。在標準養護條件下，溫度與濕度均為最佳，早期的強度增長很快；同條件環境下，戶外的溫度濕度相對較差，導致混凝土強度增長緩慢；在5℃至-15℃環境下的混凝土因有6 h預養時間并加入防凍劑，使混凝土在放入低溫試驗箱前達到初凝，可以有效的防止混凝土受凍情況，但隨著溫度不斷降低，在-10℃以下后，早期強度增長率大幅下降。

隨著試塊齡期增加，標準養護環境混凝土試塊強度增長率明顯降低，前期的高增長率導致現在趨于平緩；在5℃至-15℃環境下的混凝土經過解凍放入標準養護環境，強度增長仍然較高，其中-10℃以下環境的混凝土強度增長速率漲幅最大，因為所用防凍劑規格為-10℃，5℃至-5℃環境下其早期強度可繼續增長，而-10℃以下則有受凍影響，水泥水化基本停止，但內部結構沒有受到太大影響，進入標準養護環境后，水泥水化作用開始發揮，強度增長率隨之增加，同條件環境試塊強度略有下降。

由圖4可以看出，14～28 d齡期的各個環境混凝土抗壓強度增長率明顯趨于緩慢，水泥水化速率減慢；-10℃以下的試塊由于水化開始時間較晚，在這個齡期中強度增長較其他環境試塊強度略高。

28～56 d齡期期的各個環境混凝土抗壓強度增長率明顯趨于平穩，增長率基本相同；水泥水化到達后期，強度增長已開始逐漸平穩，強度增長率與所處環境的影響基本無關。

經上述分析可以得出，在不同環境溫度下，混凝土早期強度的增長率受其影響很大，在同樣有防凍劑與6 h預養的混凝土中，-10℃以上的試塊強度在低溫試驗箱中仍可以增加，當溫度達到-10℃以下，試塊強度在低溫試驗箱中增長率很低，可以看作試塊已受凍。隨著齡期增加，試塊從低溫試驗箱經過解凍放入標準養護環境后，-10℃以下混凝土試塊強度增長率大幅增長，未受凍試塊強度增長率逐步下降，齡期到達28～56 d后，各個環境下的混凝土強度增長率趨于平穩且基本相同，與養護環境基本無關。

3.3 原理分析

混凝土預養時間與混凝土中液相水量、內部結構密切相關，添加防凍劑也是降低混凝土中液相水量受凍溫度，影響混凝土早期受凍。如果混凝土不加入防凍劑、預養時間較短或者不經過預養直接放入低溫環境，混凝土很大可能直接受凍，導致水泥水化程度較小，混凝土內部液相水量無法減少，在低溫環境下混凝土內可凍結水量就會增加。

混凝土成型后，如果立即放入低溫試驗箱內，試塊不經過6 h預養，由于水泥水化處于開始階段，在混凝土初凝之前，混凝土仍保持塑性狀態，這時受凍損害不了混凝土本身的物理性能；但是，混凝土初凝后，在低溫環境下，混凝土內部降溫較快，一方面水分子由于溫度活性降低，水泥水化反應速度減慢，使得混凝土強度增長緩慢；另一方面，當溫度降低到水的冰點以下，這時混凝土內部水分開始結冰無法遷移，會在混凝土內部形成較大的冰晶，造成混凝土局部應力變大、變形，而此時混凝土結構還未形成，必然造成微型裂縫的產生，導致混凝土強度的損失，根據上述數據，尤其在混凝土的早期強度尤其明顯。

4 試驗總結

（1）混凝土加入防凍劑并在相同養護齡期下，在成型后沒有預養直接放入戶外的同條件試塊，各個齡期強度約為標準養護環境試塊65%～25%，強度增長率平穩緩慢，14 d的抗壓強度已低于-15℃的混凝土強度。

（2）混凝土加入防凍劑并在相同養護齡期下，在成型后在在20±3℃環境中預養6 h后放入低溫養護箱的低溫養護試塊，在-10℃以上環境養護的混凝土，除低溫養護7 d強度較低，恢復標準養護環境后，強度大幅增加，較同條件養護混凝土強度要高，當養護環境溫度低于-10℃防凍劑要求后，隨著強度增長，但后期強度低于試驗各環境的混凝土強度。

所以，為防止混凝土早期凍結破壞，混凝土中防凍劑與預養措施都起著重要作用，原理都是讓混凝土在受凍前達到臨界強度，保證混凝土內部結構完整以及環境溫度高于防凍劑規定溫度，可以使解凍后的混凝土仍有較好的強度增長。