寒地冬施混凝土质量通病及防治

【摘要】针对北方寒冷地区冬施混凝土初期冻害，如疏松、空鼓、表面起灰、裂缝、裸筋等种种质量通病，从水泥水化硬化进程，缓慢、干扰等方面分析其深层原因，并提出了相应对策。
【关键词】冻胀；失水；疏松；裂缝；防止对策
我国北方寒冷地区都有相当一段冬期混凝土施工，无论是工业与民用建筑，老厂技术改造都往往受施工网络计划或保产增效要求的约束，工期紧迫、干扰因素较多、疏于防范等原因。疏松、空鼓、裂缝、表面起灰、裸筋等缺陷时有发生，成为急待解决的关键问题。
1.冬施混凝土常见多发的质量通病及原因分析
1.1冰夹层”及结构疏松
现代混凝土的基本特征是多种混凝土外加剂和掺合细粉的应用，以及水平与垂直泵送快速浇筑。尽管使用高效减水剂或复合防冻剂措施，但混凝土拌和物的坍落度往往达到180±30㎜。水灰比、水胶比均分别达到0.60、0.55 以上。混凝土振捣浇筑后，多余的游离水在六种混凝土组成材料中密度为1 左右，是最小的。在浮升过程中往往在粗集料（碎石）的下面集聚，由于温度骤降，防冻剂掺量不足或未掺防冻剂的混凝土快速冻结而形成冰夹层。
水的相转变冻结成冰体生成约8%的体积膨胀，受到模板制约情况下将产生204 Mpa～240Mpa冻胀应力导致结构疏松。不掺防冻剂的空白混凝土，强度将降低工30%～35%。
俄罗斯科学院克里罗夫（Ａ?Kelilof）教授概括冬施混凝土的早期冻害如下：
（1）粗集料周边的游离水若遇骤然降温而冻结，从而形成“冰夹层”；
（2）由于低负温下水泥水化硬化迅速减慢，C?S?H 凝胶及水化物晶体甚少，水泥石与粗集料，混凝土与钢筋粘结强度下降；
（3）混凝土中的水，向干燥的周边大气中转移，加之负温下早期强度较低，易显“干疏”现象。
1.2水泥石与粗集料，混凝土与钢筋粘结力下降如前所述，冰夹层导致水泥石与粗集料（碎石）、混凝土与钢筋粘结强度降低。法格兰德统计资料认为，空白混凝土受冻强度下降约13%。
造成混凝土强度降低的另一原因是钢筋混凝土保护层较薄（大约是25㎜～30㎜）。由于覆盖不及时引起冻结时钢筋与混凝土的膨胀系数差异（分别为1.05×10–5/℃和0.7×10–5/℃）。极易引起钢筋与水泥石的“松脱”而降低粘结强度，以及混凝土向干燥的周围空间水分转移，而使混凝土干疏。相应对策即塑料薄膜和草垫保温、保水、保湿层设施成为必不可少的措施。
1.3混凝土裂缝
引起混凝土裂缝的原因极其复杂，多数原因是：
（1）地基不均匀沉降。如软弱地基由于夯实不够、地基基坑深度不够、未挖至冻土深度以下等原因造成地基土不均匀沉降，冬施混凝土的初期抗拉强度颇低，极易产生拉裂。
（2）干燥收缩引起裂缝是最常见的裂缝，水灰比、水胶比较大的混凝土尤甚。
（3）沉裂。混凝土拌合物在自重下即下沉，但坚固的钢筋骨架不产生下沉或相应变形，往往沿着钢筋走向，在保护层深度范畴产生沉裂。沉裂的特征是裂缝宽度上大下小。
1.4干疏、起灰
冬施混凝土未及时覆盖，甚至未掺复合防冻剂的空白混凝土，未能在12h 终凝之前及时覆盖，混凝土中的水迅速向大气中转移，而水泥在负温和低负温下水化极其缓慢，造成干疏起灰现象。
2.冬施混凝土缺陷的预防
2.1掌握气象资料，综合技措预防初期冻害。
冬施期间宜掌握未来3d 最低气温和降霜雪情况，以便科学确定防冻剂种类及用量。
2.2提高混凝土与钢筋的粘结强度。
为防止降低混凝土与钢筋的粘结强度，一是尽可能选用早期强度较高、抗冻融性能优良的P?O42.5普通硅酸盐水泥；二是适当延长混凝土拌合物搅拌时间，提高其均匀性并促进水泥水化；三是确保钢筋表面洁净度。如清除其表面霜雪、锈斑等；四是严格控制混凝土拌合物水灰（胶）比，不得提高水胶比；五是在必要时选择优质掺合料，如水淬矿渣微粉、硅灰或混凝土浇筑完毕后在混凝土表面撒一薄层沸石，以吸附游离水降低水胶比，提高混凝土抗冻性。
2.3改善地基基础设计。
通常按极限承载强度和沉降值设计地基，以此双控指标设计地基深度和混凝土基础宽度。以避免地基不均匀沉降。
2.4及时对混凝土采取保温、保水、保湿措施。
冬施混凝土达到终凝即覆盖一层塑料薄膜和一层草垫以保温、保水、保湿，提高混凝土强度和耐久性，直至达到允许受冻的临界强度。
“JGJ104—97”规定：极限最低温度–15℃，临界强度4.0 Mpa；极限最低温度–30℃，临界强度5.0 Mpa。日本北海道大学长谷川寿夫试验表明，即使初期受冻混凝土，可在气候转暖后连续浇水、覆盖保湿，可使混凝土强度损失降低至10%以下。
如所周知，混凝土有着耐久性、可塑性良好，具有较高极限强度。原料来源广泛、成本较低等优点外，致命弱点则是重、脆、裂。通过配筋和引入钢纤维等措施较好地解决脆和裂的问题。通过使用复合防冻剂和热拌、覆盖等综合蓄热法措施，解决负温环境的冬施施工问题。
3援工程实例剖析
某热轧带钢设备基础，长×高×宽L×B×H=14.5×4.2×1.0m，设计强度等级为C25 混凝土，于1999 年11 月中旬施工。由于未能及时覆盖塑料薄膜和保温层，深夜寒流突袭，最低气温降至-11℃，混凝土有明显初期冻害，表面呈黄色、疏松，上表面有散状冰晶。
发现此种情况，当即凿除表面120㎜左右受冻疏松层，应用压缩空气吹净表面浮灰，再均匀涂布YJ—302 型混凝土界面处理剂，重新支模浇筑掺5%复合防冻剂、设计等级C25、坍落度为120～150㎜塑性混凝土，覆盖塑料薄膜和一层草垫子，保水保温。
纵然后来最低气温降至-13℃，但测得混凝土表面温度却达到+３℃～+７℃。28d 龄期测得混凝土平均强度达16.4 Mpa，90d 后测得混凝土强度达26.3 Mpa，达105%设计强度，确保了混凝土质量和轧机设备安装施工。
4.结论
（1）通过在混凝土中引入含有防冻剂—早强剂—阻锈剂—减水剂的多元复合防冻剂，热拌和覆盖综合措施，以克服冬施混凝土初期冻害、结构疏松等缺陷问题。
（2）冬施混凝土必须借助早期覆盖、保温、保湿养护解决干裂、剥落、裸筋缺陷。在终凝前，尤应十分重视表面压抹及薄膜塑料覆盖保水，以防止表面起灰、干燥、疏松等缺陷。
（3）通过选用P?O42.5 普通硅酸盐水泥、水渣微粉掺合料和优质复合防冻剂及热拌、控制水胶比、延长搅拌时间等综合技术，以确保混凝土与钢筋粘结强度和结构混凝土耐久性。