低溫環(huán)境混凝土質(zhì)量控制研究綜述

周洋，武英杰

（1.新疆水利水電科學研究院，新疆 烏魯木齊 830049；2.新疆水利水電材料工程技術(shù)研究中心，新疆 烏魯木齊 830049）

長期以來，混凝土以其優(yōu)異的力學性能和耐久性廣泛應(yīng)用于各種復雜環(huán)境下，與其他耗材相比，其具有來源廣泛易獲得、成本低、施工方便和高效節(jié)能的特點。隨著社會經(jīng)濟水平的不斷提高，混凝土的消耗量持續(xù)增大，對于新領(lǐng)域的開發(fā)和探索與日俱增。然而，隨著人類社會的逐步發(fā)展和認識水平的逐漸提高，研究發(fā)現(xiàn)在低溫條件下混凝土的施工質(zhì)量難以保證，國內(nèi)外由于混凝土耐久性和抗凍性不足引發(fā)工程結(jié)構(gòu)過早破壞的案例時有發(fā)生，造成了嚴重的經(jīng)濟損失。

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，對于西部寒區(qū)工程建設(shè)的投入力度不斷增大，而這些地區(qū)大多處于寒冷地帶，受自然環(huán)境影響較大，混凝土結(jié)構(gòu)經(jīng)常處于凍融環(huán)境下，容易導致不同程度的凍害問題，危及結(jié)構(gòu)安全，縮短使用壽命。此外南北兩極蘊含大量資源，逐漸成為世界各國爭奪的目標，在全球資源短缺的局勢下，開發(fā)和探索極地地區(qū)資源，離不開低溫及超低溫環(huán)境下混凝土施工技術(shù)。因此，研究混凝土低溫條件下的性能，提出合理的控制措施，有利于保證混凝土結(jié)構(gòu)安全。

1 養(yǎng)護條件對低溫混凝土性能的影響

我國地域遼闊，不同地區(qū)氣候差異明顯。在我國新疆、西藏、青海及東北等地區(qū)的冬季，晝夜溫差大，平均氣溫很低，環(huán)境惡劣，冬季混凝土施工首先要面臨的問題就是凍害。大多數(shù)工程通常選擇在冬季停止施工，雖避免了凍害對工程質(zhì)量的影響，但延長了工期。為了在保證工程質(zhì)量的同時縮短工期，開展低溫條件下混凝土的性能研究具有重要意義。針對三北地區(qū)冬季混凝土施工的特點，研究了不摻防凍劑時恒負溫和自然變低溫養(yǎng)護方式下粉煤灰摻量對混凝土孔結(jié)構(gòu)特征的影響。研究結(jié)果表明，摻粉煤灰可降低混凝土孔隙率，改善內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低多害、有害孔的比例，提高無害、少害孔比例；自然變低溫養(yǎng)護相對于恒負溫養(yǎng)護而言，強度高孔隙率低且孔結(jié)構(gòu)特征良好[1]。開展了未摻防凍劑條件下養(yǎng)護溫度對低溫混凝土強度和抗凍性的影響研究，結(jié)果表明，低溫條件不加防凍劑改變養(yǎng)護溫度可明顯提高混凝土的抗壓強度，改善抗凍性能；自然變低溫養(yǎng)護條件下的抗壓強度、動彈性模量、抗凍性能優(yōu)于恒低溫養(yǎng)護；自然變低溫養(yǎng)護混凝土的強度和質(zhì)量損失率最低，抗凍性更強[2]。

為了防止儲罐泄漏時超低溫液化天然氣給混凝土基礎(chǔ)造成瞬間凍害，在儲罐外罐底板下加設(shè)適當厚度輕質(zhì)混凝土隔離層，嚴格控制塌落度，采取保溫保濕的養(yǎng)護方法，在澆筑完成12 h內(nèi)覆蓋保溫層，保證了施工質(zhì)量[3]。由于低溫環(huán)境會對混凝土的水化反應(yīng)產(chǎn)生影響，危及工程安全，通過搭建大棚提供恒溫溫度場，采用人工加熱來提高熱量。澆筑過程對裸露部位覆蓋保溫層，為了提高耐久性，降低防凍劑摻量并延長初期預養(yǎng)時間，添加高效減水劑和引氣劑[4]。由于高寒區(qū)冬季混凝土施工摻加防凍劑存在弊端，冬季施工時，不摻防凍劑并采取蓄熱法對拌和站和原材加熱并調(diào)整養(yǎng)護制度[5]，雀兒山隧道低溫混凝土施工技術(shù)為低溫混凝土的施工提供參考。

綜上所述，混凝土在自然變低溫養(yǎng)護條件下具有更高的強度和低孔隙率，且混凝土的質(zhì)量和強度損失最低，因而具有更強的抗凍性。同時，為了緩解低溫環(huán)境對混凝土水化反應(yīng)的不利影響，通過覆蓋保溫層、調(diào)整養(yǎng)護制度以及加熱等方式改善施工環(huán)境，保障工程質(zhì)量。

2 外加劑和摻合料對低溫混凝土性能的影響

為了研究引氣劑對混凝土抗凍性的影響，開展摻加不同摻量和類型引氣劑的混凝土凍融循環(huán)試驗，對比分析了凍融循環(huán)前后宏觀性能變化，采用壓汞法測試混凝土微觀孔結(jié)構(gòu)。試驗表明，不同溫度下引氣劑對抗凍性的改善效果不同，隨循環(huán)溫度逐漸降低，改善效果逐漸明顯；低溫循環(huán)后，混凝土內(nèi)部孔隙水凍脹使結(jié)構(gòu)疏松，孔隙率不斷增大，混凝土抗壓強度呈下降趨勢，引氣劑摻入使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生了一定比例的無害孔，減少了多害孔，抗凍性能改善，不同引氣劑對混凝土孔結(jié)構(gòu)特征參數(shù)影響程度不同，高效引氣劑粉劑對于提高混凝土在低溫環(huán)境下的抗凍性能更有效[6]。低溫條件施工添加復合型外加劑，可以解決極地混凝土施工抗?jié)B、抗凍和早強等問題，提高效率，保障了工程質(zhì)量[7]。為了研究混凝土超低溫凍融循環(huán)損傷機理和控制措施，探究抗凍劑和引氣劑對超低溫抗凍性的影響，對凍融前后抗壓強度、質(zhì)量、微觀、表觀的變化進行分析。結(jié)果表明，循環(huán)最低溫度越低，表面及內(nèi)部結(jié)構(gòu)劣化越嚴重，抗壓強度下降越明顯；凍融循環(huán)損傷主要是內(nèi)部水結(jié)冰導致的，其體積膨脹對孔隙壁產(chǎn)生凍脹壓力使孔隙逐漸增大、連通，裂縫寬度增加；隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，內(nèi)部損傷累積，結(jié)構(gòu)變疏松；引氣劑相比于抗凍劑對超低溫抗凍性的改善效果更好；過多摻入外加劑均會對混凝土性能造成不利影響[8]。采用提高混凝土密實度和摻加引氣劑的方式進行配合比設(shè)計，研究了混凝土的力學、抗凍性能，試驗表明，提高混凝土密實度和添加引氣劑可提高混凝土抗凍性，通過調(diào)節(jié)水灰比、摻優(yōu)質(zhì)摻合料、優(yōu)化骨料級配可提高密實度，摻硅粉時混凝土抗凍性更佳[9]。通過試驗探究自然變低溫和恒低溫養(yǎng)護條件時摻合料對低溫混凝土強度的影響，通過試驗確定了抗壓強度和養(yǎng)護條件的關(guān)系，為混凝土的配制、施工和養(yǎng)護提供參考，試驗表明，同時摻加粉煤灰和硅灰的試件強度更高，首選養(yǎng)護方式應(yīng)為自然變低溫，其更利于混凝土強度的增長[10]。通過改變摻合料摻量和摻加方式，測定了摻合料對低溫混凝土強度、抗凍臨界強度和達到抗凍臨界強度時間的影響。結(jié)果表明，在外加劑摻量不變條件下，粉煤灰摻量增加，混凝土強度逐漸降低，不同組分混凝土的抗凍臨界強度值不同，摻粉煤灰15%硅灰5%時強度更高，自然變低溫養(yǎng)護更適合冬季混凝土的養(yǎng)護[11]。

綜上所述，含氣量是影響混凝土抗凍性的重要因素之一。大量研究表明，合理控制混凝土的含氣量，有利于提高混凝土的抗凍性能。加入適量的引氣劑會在混凝土內(nèi)部形成眾多微小、封閉的微小氣泡，這些氣泡為水結(jié)冰提供了更大的空間，降低了冰晶對周圍孔壁的壓力，進而提高了低溫條件下混凝土的抗凍性。摻入引氣劑還可以改善混凝土的流動性，提高和易性。另外，摻加礦物摻合料可以在參加水化反應(yīng)的同時填充混凝土的內(nèi)部孔隙，降低混凝土的孔隙率，提高混凝土密實度，可有效提高混凝土強度。

3 含水率對低溫混凝土性能的影響

通過試驗研究了常溫降至目標低溫、常溫降至目標低溫再回至常溫時混凝土的力學性能，結(jié)果表明，混凝土低溫抗壓強度和彈性模量隨低溫的降低不斷提高，回溫時呈線性緩慢惡化趨勢，并且低溫混凝土的受力性能和含水率密切相關(guān)[12]。為了解決LNG低溫儲罐混凝土在超低溫下性能和常溫差異較大的問題，張楠等論述了超低溫和低溫凍融后混凝土性能變化機理，指出含水量和環(huán)境溫度對混凝土超低溫性能至關(guān)重要[13]。戢文占等研究了混凝土在不同強度、溫度點的力學性能以及不同含水率和降溫速率下的力學表現(xiàn)，結(jié)果表明，不同配合比混凝土在超低溫環(huán)境表現(xiàn)不同，降溫速率對抗壓強度影響不大，含水率對強度影響較小[14]。謝劍等[15]考慮了循環(huán)次數(shù)和最低溫度、水膠比和外界環(huán)境濕度的影響，對比了不同強度混凝土凍融前后的外觀變化、強度損失及微觀結(jié)構(gòu)變化，試驗表明，超低溫凍融循環(huán)對混凝土更不利，對抗拉強度和含水率較大結(jié)構(gòu)影響更顯著，損傷程度隨溫度降低有加重趨勢，SEM電鏡下砂漿孔徑增大，材料更疏松。時旭東等[16]對混凝土進行了溫度范圍為10～-40、10～-80和10～-160℃的凍融循環(huán)試驗，研究了不同超低溫溫度區(qū)間對受壓強度的影響，經(jīng)歷超低溫凍融循環(huán)作用混凝土的受壓強度變化規(guī)律明顯不同于自然環(huán)境溫度。在下限溫度較高的溫度區(qū)間的凍融循環(huán)作用初期，受壓強度會提高，隨凍融循環(huán)作用次數(shù)增加逐漸呈波動狀惡化態(tài)勢。溫度區(qū)間不同時，混凝土單次凍融循環(huán)作用損傷指標和累積損傷指標存在明顯差異。下限溫度較高的溫度區(qū)間，經(jīng)歷較多次凍融循環(huán)作用后仍為正值，表現(xiàn)為凍融初期有利于混凝土受壓強度。隨著凍融循環(huán)作用次數(shù)繼續(xù)增加，下限溫度較低溫度區(qū)間的混凝土累積損傷嚴重。

綜上所述，含水率和最低溫度對低溫混凝土的性能有重要影響。含水率越高，溫度越低，對混凝土越不利。這是因為混凝土含水率越高，在低溫環(huán)境下其內(nèi)部孔隙的膨脹將會越大，因此其低溫條件下的強度損失會更大，但只有當混凝土處于飽和狀態(tài)或接近飽和狀態(tài)時，經(jīng)歷凍融循環(huán)作用后，混凝土的結(jié)構(gòu)才會發(fā)生破壞。

4 低溫混凝土施工技術(shù)探討

針對低溫條件下混凝土施工所面臨的諸多問題，采用合理有效的控制方法，編制合適的施工方案，對于有效控制工程質(zhì)量、保證結(jié)構(gòu)安全具有重要意義。經(jīng)過查閱大量文獻和相關(guān)資料，本文將低溫條件下混凝土的施工技術(shù)總結(jié)如下。

（1）嚴格控制水膠比和含氣量。水膠比越低，抗凍性越好。低水膠比高強混凝土不加引氣劑也具有較好抗凍性，對中高水膠比混凝土，為了提高抗凍性，需摻加引氣劑[17]。適當?shù)囊龤饪梢杂行岣呋炷量箖鲂?，改善混凝土和易性，但引氣過高對抗?jié)B不利，因此要控制混凝土的含氣量在適宜水平。

（2）降低含水率和孔隙率。含水率和孔隙率對混凝土的強度有重要影響，混凝土在低溫環(huán)境下施工，當溫度較低時，孔隙水結(jié)冰膨脹導致混凝土產(chǎn)生凍脹破壞，尤其是飽水狀態(tài)下，混凝土內(nèi)部孔隙越多，凍融破壞越嚴重。摻加適量優(yōu)質(zhì)摻合料，降低水泥用量的同時可以有效改善混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，增強混凝土結(jié)構(gòu)的密實性，從而提高混凝土的抗凍性能。

（3）選用合適的外加劑。通過添加適量減水劑，在較低水膠比條件下獲得更大的塌落度，滿足施工要求的同時可以降低用水量，提高混凝土強度。另外，選用含早強成分的外加劑，可以提高水泥水化反應(yīng)的速度，促使混凝土具有較高的早期強度，增強抗凍害能力。適量加入具有引氣和抗?jié)B作用的外加劑，引氣劑的作用會產(chǎn)生一定量微小且獨立的氣泡，增加拌合物流動性。同時，氣泡對凍融破壞有一定的緩沖作用，抗?jié)B組分外加劑的摻入可在混凝土內(nèi)部發(fā)生反應(yīng)，進而堵塞孔隙，提高了混凝土的抗?jié)B性。

（4）嚴格控制保溫措施。通過覆蓋保溫層、調(diào)整養(yǎng)護制度及加熱等方式，可以降低低溫對混凝土水化反應(yīng)的不利影響，有效改善施工環(huán)境，保證工程質(zhì)量。