低温施工对混凝土性质影响综述

本研究在查询分析文献的基础上，给出了混凝土硬化的机理及混凝土性质的决定因素。

1混凝土的凝结与硬化阶段

1.1混凝土水化反应机理

当砂石材料及水泥加水后，混凝土即形成，水泥的水化反应随即开展。混凝土的水化反应符合无机物化学反应的一般规律。水泥中的活性物质与水作用的过程可以按如下表示。

2(3CaO·SiO₂)+6H₂O→3CaO·2SiO₂·3H2O+3Ca(OH)₂

2(2CaO·SiO₂)+4H₂O→3CaO·2SiO₂·3H₂O+Ca(OH)₂

3CaO·Al2O₃+10H₂O+CaSO₄·2H₂O→3CaO·Al₂O₃·CaSO₄·12H₂O

3CaO·Al₂O₃+12H₂O+Ca(OH)₂→4CaO·Al₂O₃·13H₂O

4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃+10H₂O+2Ca(OH)₂→6CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃·12H₂O

水泥的水化反应过程，其实就是水与水泥结合后形成一种具有强度的结晶物，这个过程，体现了水泥混凝土从拌合前的松散状态至加水后的塑性状态，以及经历一段时间后形成刚性物的状态转化，其过程如图1所示。

其中，I阶段水泥中的胶结材料与水的反应刚刚开始，材料处于可塑状态；域阶段混凝土开始凝固；在第I阶段，混凝土水化程度加快，材料开始硬化，其中在第一阶段，水化反应使混凝土开始具有了强度；在第Ⅱ阶段，水化反应加剧，形成强度的速度也逐渐加快，而在第Ⅲ阶段，混凝土水化时间的继续保持进行。混凝土的强度也接近于该种混凝土的极限强度。

混凝土强度是否能达到预期，与混凝土的水化时间密切相关，而混凝土的水化时间又与混凝土初凝和终凝的时间段内反应情况有关。在此期间，当新拌混凝土在初凝这个时间段内，其可塑、可变形的性质失去，而当混凝土完全硬化至终凝以后，混凝土的刚性状态开始。在一定的温度条件下，整个过程水化速率很快，至混凝土终凝时，大约有1/5的水泥跟水发生了反应。但是，在水泥终凝后，虽然其已经固化，无法流动，但是水化反应还在进行，不同的是，速率有所降低。然而，水泥的是一种非常特殊的无机物，其与水的化学反应不是在短时内就可以完成的，其实只要有水存在，其反应也会持续较长时间，甚至会是几年。

从混凝土的拌制开始，到混凝土开始具有强度从而进入刚性状态之前，习惯上将其称为新拌混凝土，而随着时间的延长，逐步进入刚性状态以后即为硬化混凝土。

混凝土的凝结时间与多种因素有关，其中内因有水灰比、水泥自身的特性、外加剂情况及砂石材料等用量，外因有湿度、温度及浇筑方法工艺等。有文献研究发现，温度的变化对水泥的凝结时间影响较大，采用普通硅酸盐水泥配置的混凝土，如果混凝土养生温度变化在常温15℃升高至30℃，那么，其凝结时间会大大缩短，一般情况下会缩短50%。其他水泥配置的混凝土也满足这一规律，只是凝结时间变化的程度有所差异。此外，当拌合水温度超过80℃时，水泥接触后便会发生假凝，在冬季施工中要注意避免。

1.2混凝土中的水与孔隙

混凝土之所以能形成强度，是因为水泥浆将粗细集料紧紧包裹形成刚性体。虽然水泥浆作为胶结材料其占比仅仅在25%左右，但是，水泥浆的本身固有性质则严重影响到混凝土的强度及其耐久性能。而水泥浆本身的性能则与水泥的规格型号、水灰比、养护的温度湿度状况及养生持续的时间等相关。

众所周知，新拌混凝土的水化反应不是一次性完成的，是一个缓慢的过程，新拌混凝土中的大部分水分实际上是不参与水化反应的，只有少部分的水与水泥反应成为组成混凝土的产物，其余的形成游离状态而逐步蒸发，游离水蒸发的快慢与混凝土所处的环境因素有关，如温度、湿度、混凝土面积及风力情况。所以，水泥浆中的水具有不稳定性，其中一部分是水化水，另一部分则成为游离水。文献研究表明，当混凝土的水化反应产生以后，形成的颗粒表面会附着少量的水分子，即吸附水；在混凝土水化以后形成的晶体连接面之间也会封住一些游离水，即界层水；在水化晶体的晶格中未参与物质结合的游离水，称为晶格水等。

在进行混凝土研究时，可以把水泥浆中的水进行人为分类，如果将水泥浆体置于温度为110℃的环境中12h后，蒸发掉的水为上述的游离水，如果在这个条件下未蒸发，则可以将浆体置于不低于900益的环境中不少于48h后才能烘干，那么，这些即为化学结合水。

随着混凝土中水泥水化时间的增加，参与水化反应的水会随着时间的增长而增多，但是富余的游离水则会减少。直至水泥混凝土完全硬化至终凝的时候，水化速度正式加快，化学结合水最大可增加到水泥重量的8%左右，到混凝土中水泥水化反应完全结束时，化学结合水达到峰值，即增加到水泥总重量的1/4。

由于混凝土中大量游离水的存在，其会在水泥浆内游离成为各种形状，待水泥混凝土硬化后，便形成各种各样相互连通的孔隙，这就是通常我们所说的毛细孔。这些毛细孔普遍位于混凝土水化后的水化物颗粒之间，非常容易产生毛细现象。

此外，水泥经水化后产生的凝胶中，也存在各种孔隙，这部分孔隙被称为凝胶孔。

研究表明，在硬化的混凝土中，因游离水产生的孔隙非常多，如果用孔隙率来表示，则孔隙率约在30%左右。

水泥混凝土中，孔隙率的高低、毛细孔的大小形状，其决定因素主要有淤混凝土拌制时，实际上形成的施工水灰比；于在水泥水化期间，混凝土所处环境的温度情况；盂混凝土拌制时，水泥的特性等。想得到较小孔隙率的混凝土，则可以通过减小水灰比得到，因为水灰比小，水泥浆的水化程度就高，从而孔隙率就会减小。防渗混凝土施工时，就会利用较小的水灰比和充分的养生条件获得较小的渗透系数。

在水泥混凝土中，凝胶孔的占比与毛细孔大不一样，文献给出的数据为凝胶体积的1/3。其形成是水泥凝胶本身具有的特殊性质，而与施工中的水灰比及养生条件没有关联。

硬化水泥浆体与其他多孔固体材料一样，强度主要取决于孔隙率。

抗渗混凝土的抗渗透性跟毛细孔有极大关系，因为较大的孔径和联通情况会加大混凝土的渗透。有文献研究表明，混凝土的抗水渗透性之所以会集中体现，则是因为毛细孔的孔径较大，一般均为0.13μm以上。

由此可知，毛细孔孔隙率及孔径情况是水泥浆体非常重要的特征。这对混凝土的强度及渗水性影响巨大。

2混凝土强度与耐久性

2.1抗压强度特征

水泥混凝土结构物是利用混凝土抗压强度高的特点体现其功能的。而决定混凝土抗压强度的因素是有很多种，如：水泥的组成成分、水胶比、砂石料的性质、施工工艺及在混凝土强度增长期间，其所处的外部条件因素等。

如果在水泥的组分、水胶比及施工工艺已经确定的情况下，混凝土的强度主要取决于水胶比。因为，水泥浆体的孔隙情况也与水胶比有关。文献研究表明，当水胶比介于0.4～0.8时，水胶比和强度可以表示为y=a+bx，此曲线为线性曲线。

众所周知，水泥混凝土中胶结材料的使用数量也跟混凝土28d的抗压强度密切相关，但不是主要因素。需要注意的是，不能因为其为次要因素而降低水泥用量，因为水泥用量与混凝土自身的密实程度有关。

2.2黏结强度特征

钢筋混凝土构件中，钢筋与混凝土之间的黏结问题是保证构件具有足够抗剪、抗弯拉强度的基本条件。构件混凝土与添加的钢筋之间具有的黏结强度大小，主要体现为钢筋与混凝土之间的握裹力。并且，黏结强度的大小还跟混凝土本身的强度及钢筋的自身形状等诸多因素有关。比如，圆钢和螺纹钢不同，带弯钩和直筋也不同等。而对于混凝土强度与握裹力并非线性关系，文献表明，当混凝土强度在20MPa以上时，黏结强度的增加量会减少。

常温养护的混凝土，黏结强度一般都可以满足要求，因此在钢筋混凝土结构中，设计上对钢筋与混凝土之间的黏结强度都不作特殊要求。比如对构件内受力主要钢筋进行绑扎时，其绑扎接头在JTG/T3650–2020《公路桥涵施工技术规范》中也有明确规定，其规定是，在C30混凝土中域级受拉钢筋接头时，搭接长度规定为35d（d为钢筋直径），且一个断面内接头数量不大于钢筋总数量的25%。此项长度规定就是以正常的黏结强度为依据计算出来的。但是在冬季施工中、新浇筑的混凝土如果受冻，黏结强度将降至1.0MPa以下，即使提高混凝土的强度等级即增加混凝上中的水泥用量也无济于事，这是必须注意的。

2.3渗透性特征

总体来说，成型混凝土中的毛细孔非常丰富，其孔隙率大约占混凝土总体积的1/10。文献研究表明，成型并具有一定强度的混凝土孔隙率对混凝土的抗渗性能影响不容忽视。混凝土是否渗水，以及渗水性能的高低都对混凝土结构构件的耐久性有着非常严重的影响。

混凝土的碳化是一种混凝土常见的内部缺陷，其碳化的大小受混凝土内外部孔隙及混凝土渗透性等因素的影响很大，实践证明，若混凝土的渗透性大，其内部进水的概率就大，当混凝土中进入空气和水，则会加速混凝土的碳化反应。混凝土碳化后一方面会加速混凝土碱集料反应，使混凝土耐久性降低，另一方面在低温冻融下易发生剥皮等损坏。

在一般情况下，只要混凝土的水灰比和单位体积中的水泥用量符合GB50204–2015《混凝土结构工程施工质量验收规范》的规定，拌合物具有较好的和易性并经振捣密实和在常温下充分养护，混凝土抵抗渗透的能力可以满足要求。因此在房屋建筑工程的设计文件中，对混凝土的抗渗性能均不作要求，当然这并不意味着渗透性对混凝土结构不重要。在冬季施工中，新浇筑的混凝土如果在硬化初期受冻，最突出的表现就是抗渗标号降低几乎为0，即使在混凝土中增加水泥用量也于事无补。因此不论设计上是否对混凝土的抗渗性能提出要求，也不论结构物是否与水直接接触，在冬季施工中，应该充分重视混凝土的渗透性，并把混凝土的抗渗性能作为表征耐久性的一项指标来看待。

3拌合水的冻结和相变

负温下混凝土就会冻结，主要是其中的水会因结冰而产生体积胀增现象，文献研究表明，水变为冰后体积会增加约1/10。当水结成冰以后，一方面会使水无法完成正常的水化反应，另一方面会使水泥浆体胀增，破坏原本形成的混凝土强度。

在新拌水泥浆体中，水存在于水泥颗粒之间，基本上不受约束。但是，若无掺加减水剂，那么将会有90%的水会在0℃时发生冻结。这是因为，水泥中的氧化钙等成分溶解于水，使拌合水成为具有一定浓度的溶液。

因为冰点的问题，不是水泥浆中的所有的水都会在0℃时变为固体，由于毛细作用，其冰点会急剧降低，有文献研究表明，水泥浆中的部分水在－40℃时也会保持液态，因此，其水化反应还会微弱进行。由于防冻剂的研发，在水泥混凝土中加入硝酸盐，硝酸盐溶于水后，其冰点降低，因此达到防冻的目的。

水泥混凝土中的富余水是否全部会结冰主要取决于富余水所处的状态。存在于毛细孔中的游离富余水，如果其所处的毛细孔孔径较大，则容易结冰，如果所处的毛细孔孔径低于5nm，则其结冰的临界点将低于－60℃。随着水与水泥发生水化反应，游离的富余水会逐渐减少，从而，毛细孔的孔径也随之变小。所以，文献研究表明，在混凝土中，水泥浆体的含冰率大小，主要取决于水泥的水化程度，如果水泥的水化程度越高，则含冰率就越小。

经文献试验研究，新拌水泥浆体立即受冻，含冰率较高，而养护24h后受冻，含冰率显著降低。

表1为一定水灰比的混凝土经低温经历后，在不同龄期受冻所产生含冰率情况的试验检测数据。从试验数据及结合文献研究结论来看，如果受冻前混凝土水化强度高，则含冰率就相对降低。混凝土中水泥的水化程度是决定受冻混凝土含冰率大小的主要因素。

4结束语

在交通工程建设中，低温季节施工难以避免，而掌握混凝土硬化机理及混凝土在低温状态下各种性质是确保工程质量的前提条件。对于混凝土性质的研究无论国外还是国内都仍然在探索实践，各种理论不断涌现。而本文的研究紧密联系工程实践，为公路桥涵低温季节施工工艺研究、养护制度的取舍、工程措施的制定以及混凝土缺陷的原因分析和处理都有一定的指导意义。