浅谈工程施工控制与混凝土抗冻设计的问题探讨

　　摘要：文章主要阐述了冻结混凝土的影响和制作，并通过各种实践综述了季节性冻胀地区混凝土的抗冻性是影响耐久性的关键因素 ，文章做出了详细的探讨，本文结合作者多年的工作经验和技术，对工程施工控制与混凝土抗冻设计的问题，做出如下解析。

　　关键词： 混凝土,设计指标,施工质量,抗冻设计

　　前 言：

　　多年来，混凝土的耐久性在季节性冻胀地区尤其重要，水工混凝土的抗冻性是影响其耐久性最重要的因素之一，如若混凝土在干燥环境中不会涉及抗冻性问题。通常情况下水工混凝土由于体积较大、冻胀、温差、干缩、环境差等因素造成结构体的裂缝直到损坏，这是大体积水工混凝土的常见病。杜绝和减轻水工混凝土因诸多因素造成的冻胀问题，其工程的设计质量和施工质量控制是保证混凝土耐久性问题的根本。

　　1.混凝土的设计指标问题

　　引起水工混凝土冻融浸蚀的根本原因是混凝土毛细微孔中的水，在温度正负连续不断交替作用下，形成较长时间的冻胀压力和渗透压力作用产生疲劳应力 ∀在这种疲劳应力不断作用下，混凝土产生由表逐渐深入至里的剥蚀损坏，影响混凝土结构的正常使用功能，造成混凝土耐久性大大降低。

　　混凝土建筑物产生冻融破坏必须具备两个条件是，a.混凝土必须接触水或混凝土中要有较多的含水量; b.建筑物所处自然环境存在反复交替的正负温度,只有具备以上两个条件的同时作用，混凝土才会产生冻融破坏，水利工程尤其是我国的三北广大地区的水工混凝土工程，因处地理位置自然环境的特殊性，发生冻融损坏是十分普通且较严重的质量通病，据资料介绍全国22%的大型水工混凝(大坝)存在混凝土的冻融损蚀和21% 的中小型水工混凝土(水闸)也存在混凝土的冻融剥蚀破坏，北方地区尤为严重。

　　从技术资料介绍表明：为了有效的预防水工混凝土的冻融破坏，必须更加有效的强化水工混凝土的抗冻融耐久性设计。近年来随着国力的增强和对科技投入的加大，从工程的设计、施工、管理方面不断的规范化、科学化，水利工程混凝土的设计已经从原来以强度为主提高到充分考虑耐久性指标的设计，这是一个较大的进步和提高。

　　2.按地区实际选择水工混凝土的设计指标

　　抗冻混凝土的设计指标应由两部分组成，一是强度等级 ，二是抗冻标号。一般来说混凝土的强度主要是通过对建筑物的承载计算需要来设计的，而抗冻标号是根据建筑物的所处位置的气候条件、结构类别、工作条件、建筑物的重要程度等具体需要来确定。

　　按照水工混凝土结构设计规范中规定，以抗冻标号对混凝土抗冻性进行分级，计有 f50、f100、f200、f250和f300，具体由 表1来确定。根据气象资料和工程需要，该地区(克拉玛依)最冷月份平均气温-20℃的等温线上，属严寒地区。

　　因此，对新建水位变化区外部的钢筋混凝土工程设计抗冻标号的选择应是f250,可以满足设计规范和实际需要。

　　表1 水工混泥土抗冻标号与气候条件关系

　　3.设计与设计指标之间的关系

　　混凝土的强度等级和抗冻标号虽然考虑的是两个不同方面的性能指标，但两者之间还是有一定的直接联关。强度等级的高低在很大程度上限制着抗冻标号，二者必须是相互依拖、协调、匹配。现就结合一些工程实际和水泥新标准的实施浅要分析探讨。水工混凝土施工规程对抗冻混凝土所用水泥、外加剂、骨料、水灰比等有具体要求。

　　3.1水泥品种及等级

　　对有抗冻要求的混凝土应优先采用硅酸盐水泥，其水泥强度等级不低于32.5。多年来该地区凡是有水接触的水工混凝土施工时均采用强度32.5以上的普通硅酸盐水泥。尤其在我国实际标准检验水泥以后ISO水泥强度等级的提高对抗冻混凝土性能有更加可靠的保证。

　　3.2外加剂

　　对有抗冻要求的混凝土施工适当掺引气剂实践表明是极有效的，因此规范要求必须掺用引气剂，不同级配混凝土的含气量比例不同，见表2

　　同时对抗冻混凝土掺减水剂，减少用水量对减少混凝土内的毛细孔效果明显。

　　3.2水灰比

　　水工混凝土对水灰比有较大的敏感性，规范对允许水灰比有明显规定，见表3。

　　从规定表中可选定该地区水位变化区的水工混凝土工程施工混凝土时的水灰比必须控制在0.5以下，配合比设计时应充分考虑0.5的上限。我们知道，普通混凝土的抗压强度理论上只与水泥强度及水灰比有关联根据水工混凝土施工规范对抗冻混凝土的要求，抗冻标号f250相匹配的混凝土理论强度应在40mpa-45mpa 之间。

　　3.4 含气量对混凝土强度的影响

　　大量水工混凝土施工实践表明，混凝土中含气量的增加在提高抗冻性的同时，也会引起混凝土抗压强度的下降。试验资料表明，浇筑混凝土时的含气量每增加1%，抗压强度会降低3%-5%，以含气量4%考虑，常规二级配骨料粒径最

　　大为4mm，施工含气量为 1.5%左右，掺引起剂的抗冻混凝土含气量为5%-5.5%，含气量增加值在 3.5%-4%之间。因含气量的增加而引起混凝土强度的降低值为6.3mpa(取含气量和理论强度的平均值)。按上述考虑与抗冻混凝土标号f250相匹配的普通混凝土理论强度低值为33.7mpa。

　　假如施工及环境以最不利的条件考虑，水泥富余强度很小的42.5mpa，水灰比仍取低值为0.5。含气量对强度的不利影响取值5.25%理论强度仍达到28.7mpa 即与 f250 抗冻标号相匹配的普通混凝土最不利的理论强度仍达到28.7mpa,从已投用近20年(1984年投用至今)的工业污水的大型抗冻混凝土水池工程证实混凝土实际强度只有28.7mpa。时仍保持有良好的抗冻耐久性功能。

　　4、普通混凝土在低温的应变性质

　　4.1普通混凝土在负温时的应变关系

　　混凝土在未达到受冻强度之前，对负温时的冰冻十分敏感。在低温下新浇混凝土孔隙中含有饱和的可结冰自由水一旦冻结其体积膨胀约9.1%造成组成材料的胀裂。而混凝土孔隙的大小分布成不同形状的毛细孔和凝胶孔，这些孔隙中的水在 0℃以下范围内变动。小空隙间水的冰点越低在孔隙体系中水和冰将从0-90℃的温度区间内同时存在，有人将水泥和混凝土试件分别做试验，(前者含水饱和后者放置在20℃和 65%空气中，使其达到平衡含水率)，在室温和-70℃之前先冷却后加热过程中测其轴向应变。升降速度=2℃min试件为8cm×16cm圆柱体。试验发现存放在空气中的饱和含水的试件在冷却和加热过程中显示几乎近似于直线并呈完全可逆的性质。但含水饱和试件则显示出三种情况：一是试件从+20℃降温起逐渐收缩至-20℃。第二是试件从-20℃~50℃试件转为膨胀，试件水灰比愈大或含水率愈高则膨胀越明显;第三是试件呈直线收缩;当试件重新加热时则出现不可逆的突变，标志混凝土内部已破坏。

　　4.2 混凝土在负温下受压的应力应变

　　含饱和的水放置在 20℃/65% 空气中的圆柱试件从+20℃冷却至-70℃时显示全弹性和脆性，与存放在空气中的试件大致相同。但-70℃ 时的弹性模量是+20%时的1倍以上，含水量增大时弹性模量也增大 。资料表明：不同水泥的混凝土在低温下的强度变化规律是相同的，超低温时的冻结同一般低温受冻一样，只有当试件的饱和水在某一临界值以下时，才可能出现强度损失。

　　4.3 负温时的混凝土性质

　　已处于冻结状态的混凝土温度越低，强度及弹性模量就越大。在-196 ℃的超低温下抗压强度可达90-120MPa。这是由于水泥浆中凝胶水的冻结使空隙减少所致。

　　水泥浆中凝胶水的冻结温度，取决于凝胶空隙的大小。凝胶空隙尺寸是从毛细孔隙大小至十几个的广大范围，因此，随着温度降低的同时，凝胶的空隙不断减少强度和弹性模量增大，存在自由水的凝胶空隙的最小尺寸,如果设定为15A左右,降温到-70%~-80%时就有相当部分的凝胶水冻结，温度再降低时强度的增加则会减少。

　　在冻结过程中虽然由于毛细水的冻结而膨胀，引起水泥凝胶内部的破坏。若采用优质集料的引气混凝土时，这种冻结膨胀造成的影响会大大降低。在不断冻融循环过程中， 冻结混凝土的弹性模量会逐渐减少有接近常温时的弹性模量的趋势，见图。

　　图1 冻融循环时混泥土动弹模量也时间关系

　　随着温度的降低，混凝土体积变化大致是：在0℃~-5℃之间产生冻结膨胀后，同时以大致不变的比例冷却，在这种情况下的温度系数与常温时的热膨胀系数没有明显的差别。

　　5、 抗冻混凝土的施工质量要求

　　抗冻混凝土的施工应选择在正温条件下达到设计强度后，逐渐遭受冻害则有良好的抗冻性，保证建筑物的耐久性能正常发挥。如果在冬季施工必须要特别重视其所施工程混凝土的临界强度问题。这是因为负温混凝土与正温混凝土是从施工时至强度规定的抗压强度标准养护期对其造成的影响区别的。混凝土在正温条件下凝结硬化并且强度持续增长，当放置于负温条件下遭受冻害，强度增长停止，恢复正温条件继续养护后其强度损失在50%以上并且其它物理力学性能丧失殆尽。负温混凝土在两种温度条件下水化，并在负温条件下表现出其特殊的凝结硬化特性。在负温下强度可继续增长，强度增长率达到标养强度的50% 左右并在转入正温条件养护后不改变物理力学性能固有的结构体。所以，对抗冻混凝土来说改善混凝土的结构状况，缓解冻胀压力必须在设计确定的各项技术措施由现场施工来实现。同样抗冻混凝土不宜在高温季节施工，高温会造成混凝土的施工全过程的施工难度，拌制混凝土会出现早凝或假凝，含气量也较难控制，运输及振捣有时来不及则发生初凝，因此对施工时的环境温度应选择适当对保证混凝土质量十分重要。选择好施工时的气温，对抗冻混凝土的施工过程质量控制从实践来讲，同普通混凝土的方法及程序基本相似，但需特别重视的几点是： 

　　5.1 抗冻混凝土的施工配合比是在施工前经过有资质的试验室设计优选确定的，影响抗冻性能较大因素的加气剂、水灰比、掺合料需要量必须准确，掺量过大气泡含量比例高对混凝土抗冻性更不利;但含气量较小起不到抗冻性要求;

　　实践表明只要掺量准确的含气量控制在允许范围内即可达到预期效果。

　　5.2各种原材料称量要准确误差在允许范围内，且投料顺序要合理，为使气泡分布均匀，搅拌时间相对普通混凝土要略长，一般超过2min 即可。

　　5.3 对实际含气量的测定要在出机口和施工点分别进行，由于拌合料运输时间及气温对含气量的影响均会造成损失，入模时的含气量不能低于设计值的下限; 其对含气量的测定时间不大于2h, 出机和入模现场的变化幅度要小于1%。

　　5.4 抗冻混凝土试样的抽取应在出机口进行，抽取试件要随机取，试件制作量根据工程量、施工台班、抗冻试验要求、会同设计共同商定。

　　5.5 入模混凝土的振捣要均匀，不得漏振或过振，振捣时间小于40s，应充分排除混凝土内部空气，恰到不再下沉结构致密利于防渗。

　　5.6 混凝土的表面抹压收光要重视，一般抹压不少于两遍，主要是预防表面失水的干缩微裂。其它施工过程的质量控制也应符合相应的工艺条件。

　　5.7 混凝土的养护开始时间必须根据气温和表面凝结程，度进行养护期较普通混凝土要长;建筑物的混凝土养护一般只需7d ,但抗冻混凝土的养护不得少于14d，如果设计要求养护期为28d时，也必须保证混凝土的养护需要。

　　6、结束语：

　　本文对抗冻混凝土的设计指标与施工过程的质量控制进行了探讨，更好的完善了在城市建设中抗冻混凝土的应用与施工质量的要求，对国家建筑的发展有了进一步的提升!

《浅谈工程施工控制与混凝土抗冻设计的问题探讨》

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