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温度对混凝土性能有多大影响?冬季混凝土使用

文章出处:微彩票 人气:发表时间:2021-01-28 23:46

  混凝土拌合物是由水泥、集料、拌和用水及外加剂等组成的混合物。在混合物拌制过程中主要发生的化学变化是水泥的水化反应,水泥水化速度与水泥细度有关,同时也是随着温度的变化而变化的,温度越高,反应越快。其间的关系服从普遍适用于各种物理化学反应的通用的Arrhenius定律。

  根据许多学者研究,硅酸盐水泥在常温下水化时的激活能E值约在30—40kJ/mol之间变化。设E=40kJ/mol,则温度从20℃上升至40℃时反应速率k值将增加185%,温度上升至60℃时k值将增加624%。反之,如果温度降低至10℃和0℃(273K),则k值将分别减小44.6%和7.03%。

  简言之,如果说温度是按算术级数升高的话,那么反应速率是在实用的温度范围内以每升高10℃大约增长70%的速率按几何级数增长的,反之亦然。由此可见水化速率要比温度的变化强烈的多。这给低温条件下混凝土的强度增长速率提供了研究依据。

  在上世纪80年代初,Carino在美国国家标准局做了一项试验,用水灰比等于0.43的标准试件在指定温度下浇制、密封和养护,直至指定龄期测定其抗压强度,不同温度下的混凝土强度增长如图1所示。

  试验说明,混凝土浇筑后强度的增长速率是随着养护温度的增高而加快的,也是随着龄期的增长而渐减的。温度对混凝土强度的影响主要是在形成强度的前10d左右的时间,而对混凝土在28天后的强度影响比较小。

  混凝土拌和物的和易性施工经验告诉我们,在炎热天气下同样材料制成同等稠度的混凝土拌和物总要比寒冷天气多用一些水。同样拌和物的坍落度确实是随着它的温度升高而减小的。试验结果显示,为了使一般混凝土拌和物具有相等的坍落度(75mm),拌和物的温度每升高10℃,每1m3就需要增加约7kg的拌和用水(见图2)。

  拌和物的稠度(坍落度)主要取决于固体颗粒间的相互摩擦,除了水对这种内摩擦有一定的润滑作用以外,还与其中所含气泡有关,空气的存在等于增加了水泥浆含量而减少了集料含量,因此可以较为明显地削减稠度。

  气泡的形成与水的黏滞度有关,而水的黏滞度是随着温度的升高而减小的。因此,在较高温度下为使拌和物获得同样稠度通常需要较常温多用一些水,以增加气泡含量,从而增加拌合物的流动性。同样,在低温条件下拌和混凝土时要相应减少拌和用水,以防止用水过多产生泌水或坍落度过大的现象。

  在混凝土浇筑后尚未硬化前,低温下内部水在结冰时体积会发生9%左右的增长,同时产生约2500kg/cm2的冰胀应力。这个应力值常常大于水泥石内部形成的初期强度值,使混凝土受到不同程度的破坏(即早期受冻破坏)而降低强度。此外,当水变成冰后,还会在骨料和钢筋表面上产生颗粒较大的结晶,减弱水泥浆与骨料和钢筋的黏结力,从而影响混凝土的抗压强度。当冰凌融化后,又会在混凝土内部形成各种各样的空隙,而降低混凝土的密实性及耐久性。由此可见,在冬季混凝土施工中,水的形态变化是影响混凝土强度增长的关键。

  国内外许多学者对水在混凝土中的形态进行大量的试验研究结果表明,新浇混凝土在冻结前有一段预养期,可以增加其内部液相,减少固相,加速水泥的水化作用。试验研究还表明,混凝土受冻前预养期愈长,强度损失愈小。混凝土化冻后(即处在正常温度条件下)继续养护,其强度还会增长,不过增长的幅度大小不一。对于预养期长,获得初期强度较高(如达到R28的35%)的混凝土受冻后,后期强度几乎没有损失。而对于安全预养期短,获得初期强度比较低的混凝土受冻后,后期强度都有不同程度的损失。

  由此可见,混凝土冻结前,要使其在正常温度下有一段预养期,以加速水泥的水化作用,从而避免产生混凝土早期冻害。随着混凝土龄期增加,混凝土抗冻性能也得到提高。因水泥不断水化,可冻结水量减少,水中溶解盐浓度随水化深入而浓度增加,冰点也随龄期而降低,抵抗冻融破坏的能力也随之增强。所以延长冻结前的养护时间可以提高混凝土的抗冻性。使混凝土获得不遭受冻害的最低强度,一般称临界强度,我国规定临界强度为不低于设计标号的30%,即不得低于35kg/cm2。

  从以上分析可以看出,温度在混凝土的拌制和浇注后强度的形成过程中有着十分重要的作用。一般说来混凝土的养护温度宜热不宜冷,浇灌入模时的温度宜冷不宜热,冬季施工亦是如此。对于大体积结构物,为了防止拌和物冻结、凝结过缓,入模温度也不宜过低。为了防止混凝土受冻和保证强度增长,应对施工地点进行临时性的围护,并对混凝土的表面和模板用隔热材料掩盖保温养护,必要时可用蒸汽或电热加温。浇灌后宜用成熟度法或其他测试方法时时监测混凝土强度,直至达到预定的强度要求(例如临界防冻强度、脱模强度、预应力张拉强度),方可停止上述措施。为了保证混凝土的浇灌温度,可将集料贮存在温暖的场所,必要时可对集料和水进行加热。

  在实践中,要根据施工时的气温情况,工程结构状况(工程量、结构厚大程度与外露情况),工期紧迫程度,水泥的品种及价格,早强剂、减水剂、抗冻剂的性能及价格,保温材料的性能及价格,热源的条件等,来选择合理的施工方法。一般来说,对于同一个工程,可以有若干个不同的冬季施工方案。一个理想的方案,应当用最短的工期、最低的施工费用,来获得最优良的工程质量,也就是工期、费用、质量最佳化。目前,基本上采用以下几种方法。

  一、选择适当品种的水泥是提高混凝土抗冻的重要手段。试验结果表明,应使用早强硅酸盐水泥。该水泥水化热较大,且在早期放出强度最高,一般3d抗压强度大约相当于普通硅酸盐水泥7d的强度,效果较明显。

  二、尽量降低水灰比,稍增水泥用量,从而增加水化热量,缩短达到龄期强度的时间。

  三、掺用引气剂。在保持混凝土配合比不变的情况下,加入引气剂后生成的气泡,相应增加了水泥浆的体积,提高拌和物的流动性,改善其黏聚性及保水性,缓冲混凝土内水结冰所产生的水压力,提高混凝土的抗冻性。

  四、掺加早强外加剂,缩短混凝土的凝结时间,提高早期强度。应用较普遍的有硫酸钠(掺用水泥用量的2%)和复合早强试水剂(掺水泥用量的5%)。

  五、选择颗粒硬度高和缝隙少的集料,使其热膨胀系数和周围砂浆膨胀系数相近。

  (2)蓄热法。主要用于气温-10℃左右,结构比较厚大的工程。做法是:对原材料(水、砂、石)进行加热,使混凝土在搅拌、运输和浇灌以后,还储备有相当的热量,以使水泥水化放热较快,并加强对混凝土的保温,以保证在温度降到0℃以前使新浇混凝土具有足够的抗冻能力。此法工艺简单,施工费用不多,但要注意内部保温,避免角部与外露表面受冻,且要延长养护龄期。

  (3)外部加热法。主要用于气温-10℃以上,而构件并不厚大的工程。通过加热混凝土构件周围的空气,将热量传给混凝土,或直接对混凝土加热,使混凝土处于正温条件下能正常硬化。火炉加热:一般在较小的工地使用,方法简单,但室内温度不高,比较干燥,放出的二氧化碳会使新浇混凝土表面碳化,影响质量。蒸汽加热:用蒸汽使混凝土在湿热条件下硬化。

  此法较易控制,加热温度均匀。但因其需专门的锅炉设备,费用较高,且热损失较大,劳动条件亦不理想。电加热:将钢筋作为电极,或将电热器贴在混凝土表面,使电能变为热能,以提高混凝土的温度。此法简单方便,热损失较少,易控制,不足之处是电能消耗量大。红外线加热:用高温电加热器或气体红外线发生器对混凝土进行密封辐射加热。

  (4)使用外加剂法。在-10℃以上的气温中,对混凝土拌和物掺加一种能降低水的冰点的化学剂,使混凝土在负温下仍处于液相状态,水化作用能继续进行,从而使混凝土强度继续增长。目前常用有氧化钙、氯化钠等单抗冻剂及亚硝酸钠加氯化钠复合抗冻剂。

  上述4种冬季施工方法都有其利弊,适用范围也都受一定条件的制约,应根据现场条件,采用一种或两种以上施工方法结合作用。

  近期浇筑的混凝土,由于风比较大,气温下降,使用混凝土时必须注意事项如下:

  1、气温下降混凝土凝结时间会相对延长,混凝土强度涨得慢,必须合理安排施工时间,避免在没有完全终凝的混凝土工作面上施工。

  3、板柱都要及时养护及加大浇水养护次数,建议覆盖塑料薄膜保温养护,塑料薄膜养护可以使混凝土与空气相隔,水分不容易被蒸发而完成水化作用,可以有效降低开裂现象情况。特别留意剪力墙的及时养护,建议及时覆盖薄膜保湿保温养护。冬天气候冷,混凝土收缩应力太大,混凝土温差收缩应力太大,很容易造成剪力墙竖向裂缝。

  4、在拆除侧模时确认混凝土是否完全处于终凝状态,是否达到一定强度,防止脱皮。

  温度降低,则其初凝时间与终凝时间均会延长,相比之下终凝时间延长的更为明显,为了避免拆模过早出现麻面或脱皮现象,拆模时间比平常时要适当延迟。拆除底模要严格依据同条件试块强度,结合构件跨度长度,严禁底模拆除过早,产生结构开裂!

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