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1、山东省建筑科学研究院 高桂波 2012-11-6 Shandong Provincial Academy of Building Research,冬季施工条件下 商品混凝土的质量控制,主要内容,低温条件下混凝土质量的劣化 混凝土冻害的产生过程与影响因素 低温条件下的混凝土质量控制技术措施 冬季施工条件下全过程的混凝土质量控制 低温条件下混凝土易出现的问题,1 低温条件下混凝土质量的劣化,低温条件下的混凝土施工需求,我国地域辽阔，东北、华北、西北、长江中下游等地区冬季气温在-5以下 建设速度 混凝土质量 经济效益,低温条件下的混凝土施工,室外日平均气温连续5d稳定低于5即进入冬期施工 室外日平
2、均气温连续5d稳定高于5时解除冬期施工 山东：11.15-3.15,低温对混凝土造成的破坏,按照混凝土遭受冻害的时间阶段划分 早期冻害 混凝土浇筑后，在凝结硬化期间受到一次冻结或反复冻融而引起混凝土内部产生损伤所引发的性能劣化 由于负温条件下施工引起的 后期冻害 已充分硬化、强度达到设计要求的混凝土，在其使用过程中，因周围环境的温度在正负间反复变化而发生破坏所引起的冻害 因为混凝土遭受冻融循环作用引起的,混凝土的早期冻害,1 混凝土在凝固之前早期受冻 新拌混凝土受冻后体积膨胀，此时水泥未发生水化反应，凝固过程中断 温度回升后，冰融化为水，水泥的水化反应继续进行，混凝土逐渐凝固 冰融化成水后体积
3、缩小，留下的大量空隙使混凝土强度降低 2 混凝土已部分凝固，未达到足够强度（临界强度）时受冻 此时水泥未充分水化，混凝土强度不足 水凝结成冰产生体积膨胀，导致混凝土最终强度损失巨大 混凝土受冻时的龄期越短，所达到的强度越低，抵抗膨胀的能力越小，抗冻胀的能力越差,新浇筑混凝土与周围环境的热交换,混凝土会与周围环境之间发生热交换，影响混凝土自身的温度 混凝土龄期越早，留在混凝土内部的游离水分也就越多，单位体积内的结冰量就越多，结冰后产生的冻胀应力就愈大，混凝土更容易被冻坏。,混凝土浇筑后其温度的影响因素 浇筑基体的温度 水泥水化热 混凝土的入模温度 外部环境温度、风速、阳光 表层失水速度,温度对水
4、泥水化进程的影响,硅酸盐水泥的水化分为四个阶段，初始期、诱导期、加速期和稳定期 水泥的水化反应是一个放热反应过程 在低温条件下，硅酸盐水泥及其组成矿物的水化机理与常温相比并无明显差别，但反应速率会大大降低,温度对水泥水化进程的影响,温度越低，水泥的水化速度越慢，单位时间内放出的水化热较少 C2S活性较低，在低温时水化反应受影响最大 温度越低，混凝土自身温度越低，凝结时间越长，强度增长速度越慢，易遭受冻害,温度对水化速率的影响 不同温度时C2S的水化热变化,早期冻害对混凝土造成的破坏,新拌混凝土强度低、空隙率高、含水多，极易发生冻胀破坏 外观特征：混凝土内部出现若干冰夹层，彼此平行而垂直于热流方
5、向 混凝土内部受到膨胀应力（拉应力），超过抗拉强度即破坏,低温对混凝土造成的破坏,低温对混凝土造成的破坏 -成熟混凝土的冻融循环破坏,在反复冻融作用下，混凝土内部结构构造产生松弛、微裂缝和剥蚀，混凝土内部发生龟裂，表面也产生劣化且逐步扩展,低温对混凝土造成的破坏 -成熟混凝土的冻融破坏,破坏的表现形式：冻融循环裂缝、表层脱落,混凝土的冻害是关系到建筑物寿命、工程质量、安全运营等方面的重大问题。 认识其严重性，了解其破坏原因，采取正确的设计、施工和管理措施 混凝土冻害产生的原因、影响因素 冬季施工条件下的混凝土质量控制措施,2 混凝土冻害的产生过程与影响因素,混凝土的组成,骨料+浆体 固+液+气
6、 无机+有机 组成复杂,水泥浆体的多孔结构,有害孔： 孔径较大的孔、 连通缝等 无害孔： 孔径很小的孔、 凝胶孔等 有益孔： 孔径很小的封闭孔,混凝土受冻破坏的本质,混凝土冻害是首先由于游离水和孔径较大的毛细孔中的毛细孔水结冰开始的。这部分水结冰后体积膨胀约9%，导致混凝土中孔道内未结冰的水分发生迁移，进而产生静水压、渗透压。当混凝土内部产生的内应力积累到足够大时，导致混凝土结构产生破坏。 混凝土的受冻破坏主要是一种力学行为，即水的运动对混凝土结构的影响。 混凝土内部水的存在形式、饱水程度、干燥程度等也会对混凝土受冻破坏产生影响,混凝土冻害的产生过程,冻害是从温度低的混凝土表层开始，表层毛细管
7、中的水分最先冻结 伴随着表层水分冻结而发生膨胀，挤压未冻结的水分，向未受冻的混凝土内部移动 冰的体积不断增大，继续压迫未冻结水，未冻水被压迫的无路可走，在毛细孔内产生越来越大的压力 水压如超过混凝土的抗拉强度，就在混凝土中产生微裂纹，裂纹扩展导致混凝土劣化,混凝土冻害的产生过程,未冻水被压迫的无路可走，在毛细孔内产生越来越大的压力 如将体内存在气孔，未冻水有路可走，可使产生的压力大大降低,混凝土冻害的影响因素,原材料性能 混凝土配合比参数 施工条件 外部环境,原材料对混凝土冻害的影响 -骨料,骨料的孔隙率、强度、粒径等对混凝土的抗冻性影响很大 饱水骨料在受冻后体积膨胀，产生破坏性应力 由于骨料
8、强度高于水泥石的强度，使骨料上方的混凝土剥离,原材料对混凝土冻害的影响 -骨料,骨料在反复冻融作用下，通常会沿结构边缘及节点的平行方向缓慢开裂，最终形成D形裂缝,原材料对混凝土冻害的影响 -骨料,骨料的总孔隙率、平均孔径对混凝土抗冻性的影响 骨料的质量对混凝土的质量影响明显 骨料的孔隙率低、平均孔径小，骨料的质量好,原材料对混凝土冻害的影响 -骨料,骨料的吸水率对混凝土抗冻性能的影响很大，如果骨料的吸水率高，即使混凝土的水灰比很低，抗冻性能也不好 要提高混凝土的抗冻性能，要注意选择吸水率低的骨料，特别是细骨料（风化岩）,原材料对混凝土冻害的影响 -引气剂,在水泥浆体中形成细小、分散、球形的封闭
9、气孔 气孔断开了毛细孔道 气孔提供了水结冰膨胀的补偿空间,原材料对混凝土冻害的影响 -引气剂,混凝土相对动弹模量降至50%时的抗冻融循环次数与含气量的关系 掺加适量的引气剂，在浆体中形成细小的、分散的、球状的封闭气孔，有助于提高混凝土抗冻融性能，同时也改善工作性能,新拌混凝土含气量的影响因素及影响规律,引气能力差别很大 引入的气泡的大小、稳定性差别很大 检测手段滞后甚至没有检测 种类繁多、价格差别大 松香树脂类、烷基和烷基芳烃磺酸盐类、 脂肪醇磺酸盐类、 非离子聚醚类、 皂甙类,目前引气剂存在的问题,原材料对混凝土冻害的影响 -水泥,水泥对混凝土抗冻性能影响重大 成分的影响 不是直接依赖C3A
10、含量，而是与水泥石中冻融开始时单硫型硫铝酸钙（AFm）的含量相关。冻融循环作用促进了AFm向钙矾石（AFt）的转变，虽然发生很少的相转变，但会引起很大的体积膨胀，从而对混凝土的内部结构产生影响。 水化程度 水化程度影响混凝土内部水泥石的组织结构，进而影响混凝土的抗冻性能 水泥的矿物组成直接影响水泥的水化程度,原材料对混凝土冻害的影响 -掺合料,掺合料的活性 掺合料的活性较低，在低温条件下参与水化反应的比例更低 掺合料的掺量 掺合料的掺量越大，整个胶凝材料料体系的活性越小，相同时期的水化程度越低，直接影响水泥石的组织结构，进而影响混凝土的抗冻性能 掺合料对混凝土含气量的影响 抑制气泡形成,配合比
11、对混凝土冻害的影响,水胶比 影响水泥石内部的孔结构和密实度 适当调整水灰比，使毛细管孔隙达到最小 毛细管孔隙为2%以下时，抗冻融循环次数高于800次 毛细管孔隙为6%时，抗冻融循环次数为300次左右,配合比对混凝土冻害的影响,水泥用量、矿物掺合料的掺量 水泥用量影响混凝土的密实性和自身温度 保持最低水泥用量，提高混凝土的抗冻性能 避免掺合料掺量过大 避免使用劣质掺合料 掺合料的掺量越大，整个胶凝材料料体系的活性越小，相同时期的水化程度越低，直接影响水泥石的组织结构，进而影响混凝土的抗冻性能,冬季配合比设计的注意事项,各种原材料性能的充分了解与选择（骨料、引气剂） 水泥的品质、用量 掺合料的品质
12、、掺量 水灰比 外加剂的品质、掺量（减水、防冻、引气）,施工过程对混凝土冻害的影响,振捣 漏振，混凝土产生局部缺陷 过振，混凝土产生离析，局部水胶比过大 养护 保温不充分，散热量大，导致混凝土温度低，水化反应慢，易遭受冻害 保湿不充分，混凝土表层失水量大，导致表层浆体的水化程度低，混凝土裂缝出现机率大,外部环境对混凝土冻害的影响,最低温度：温度越低，冻融循环破坏越大 温差变化速度：会使混凝土结构断面上产生很大自应力 冷暖交替频率：次数越多，冻融循环破坏越大 混凝土含水量：在极限含水量以上时，更易遭受冻融破坏 冻结速度：冻结速度越快，混凝土的冻融破坏力越强 受冻龄期：龄期越长，遭受冻害程度越深,
13、混凝土受冻临界强度,冬期浇筑的混凝土在受冻以前必须达到的最低强度 硅酸盐、普硅水泥配制的混凝土：30%设计标准强度 其它水泥配制的混凝土：40%设计标准强度。 当室外最低气温不低于-15，采用综合蓄热法、负温养护法施工的混凝土：4.0Mpa； 当室外最低气温不低于-30，采用负温养护法施工的混凝土：5.0Mpa； C50的混凝土：30%设计标准强度,混凝土的临界强度,如混凝土先在正温下硬化并已获得一定的强度值后再受冻害，则水泥石的结构损伤将会明显减轻,混凝土免遭早期冻害的条件,混凝土中的水分不结冰 提高温度、降低水的冰点 混凝土的饱水程度低于临界饱和度 降低混凝土的含水率 混凝土在受冻时的强度
14、高于临界强度 提高早期强度,混凝土的抗冻标号,抗冻等级划分与我国各行业的标准规范是协凋的，涵盖了各行业计标准划分的全部等级。 结构(包括构件)混凝土基本都采用抗冻等级(快冻法)，符号为F； F50、F100、F150、F200、F250、F300、F350、F400、F400 混凝土制品基本还沿用抗冻标号(慢冻法)，符号为D D50、D100、D150、D200、D200 抗冻混凝土：抗冻等级F50的混凝土,3 冬季施工条件下 混凝土质量控制的技术措施,基本目的与措施,从各个环节采取相应的保温、防冻、防失水措施，给混凝土创造良好的水化环境，保证混凝土质量 提高混凝土的自身温度 热水搅拌、预热骨
15、料、运输车加保温罩 保障混凝土凝结硬化过程中的水化条件：温度、湿度 在混凝土受冻之前达到临界强度：加强养护,原材料的控制措施-水泥,有抗冻要求的混凝土，宜采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥 硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥掺加混合材较少，有利于配制抗冻混凝土。冬期施工尽量不使用水化热较小的矿渣水泥等。 胶凝材料的活性顺序：水泥矿粉粉煤灰 水泥不得直接加热 袋装水泥使用前宜运入暖棚内存放,原材料的控制措施-掺合料,在冬季施工时，应适当降低掺合料的掺量 活性太低，早期强度低，达到临界强度的时间太长，受冻伤的可能性增大 粉煤灰、矿粉可以延长水泥水化的时间 对于有抗冻要求的混凝土，不宜采用低于级的粉煤灰,原材料
16、的控制措施-砂,砂中的含泥量和泥块含量分别不应大于3.0%和1.0% 坚固性检验的质量损失不应大于8% 骨料应清洁，不得含有冰雪冻块及其他易冻裂的物质 选择颗粒硬度高和缝隙少的骨料，使骨料和砂浆膨胀系数相近,原材料的控制措施-石子,对于有抗冻要求的混凝土 石子中的含泥量和泥块含量分别不应大于1.0%和0.5% 坚固性检验的质量损失不应大于8% 坚固性检验是保证石子性能稳定的重要方法 拌制混凝土所用的骨料应清洁 不得含有冰雪冻块及其他易冻裂的物质 选择颗粒硬度高和缝隙少的骨料，使其热膨胀系数和砂浆膨胀系数相近,原材料的控制措施-水,优先采用加热水的方法提高拌合物温度 不宜高于60 也可同时采用加热骨料的方法提高拌合物温度 不宜高于40 当骨料不加热时，拌合用水可加热到60-80 。 应先投人骨料和热水进行搅拌，然后再投人胶凝材料等共同搅拌,原材料的控制措施-外加剂,防冻剂的作用 降低混凝土早期受冻的临界强度 促使新拌混凝土内固相水冰的结晶畸变 改变混凝土的孔结构 提高混凝
