水泥用量对冬施混凝土质量的影响探讨

1引言

根据《建筑工程冬期施工规程》JGJ/T104-2011规定：根据当地多年气象资料统计，当室外日平均气温连续5d稳定低于5℃即进入冬期施工，当室外日平均气温连续5d高于5℃即解除冬期施工。

冬期施工中关键点在于抗冻临界强度的控制，实际施工过程中具体方法一般有蓄热法、综合蓄热法、暖棚法和负温养护法。除了负温养护法外，其它几种方法都是为了在混凝土降温到零度之前达到所需要的抗冻临界强度。负温养护法是为了在混凝土降温到防冻剂规定温度之前达到所需要的抗冻临界强度。

根据《建筑工程冬期施工规程》JGJ/T104-2011规定，冬施期间混凝土最小水泥用量不宜小于280kg/m³，标准条文说明中表示：“考虑现代混凝土配制和生产技术的发展，在有能力确保混凝土早期强度增长速率不下降，混凝土能尽快达到受冻临界强度的条件下，混凝土的最小水泥用量也可小于280kg/m³，体现节能、节材的绿色施工宗旨，故本条最小水泥用量由“应”改为“宜”。^[1]实际冬施过程中搅拌站设计冬施混凝土配比时，该条文一直是比较争议的条款，出于成本的考虑，想突破但没有更有说服力的技术条文支撑。

2试验设计

本文通过设计几个不同水泥用量的C30配合比进行试配得到相应的强度增长规律，从而分析出不同水泥用量对实际施工过程中混凝土的早期强度增长速率的影响。相对于同成本不同水泥用量的配合比，同胶凝材料不同水泥用量的配合比更能拉开不同配合比之间强度增长速率的差距，得到的结果更能说明问题。

本次采用的试配原材料信息如下：

水泥：唐山泓泰水泥有限公司P·O42.5，比表面积：349m³/kg；标准稠度用水量：26.8%；3d强度：30.1MPa；28d强度：52.1MPa。

粉煤灰：天津大唐电厂F类Ⅱ级，细度：15.0%，烧失量：2.91%，需水量比：99%。

矿粉：唐山港陆钢铁有限公司S95级，密度2.91g/cm³，比表面积：446m3/kg，流动度比：99%，7d活性：81%，28d活性：116%。

砂子：河北涞水中砂，细度模数：2.7。

石子：首云矿业5～25mm连续级配。

防冻剂：河北东远川大建材有限公司-15℃型复合防冻剂，减水率：28%，含气量：3.1%，密度：1.148g/cm3，含固量：32.7%，氯离子含量：0.02%，总碱量：0.80%，R-7d抗压强度比：15%，R28d抗压强度比：105%，R-7+28d抗压强度比：98%，R-7+56d抗压强度比：110%。试配的配合比如表1（表中材料用量单位：kg/m3，材料掺量单位：%）。

试配过程中保持用水量和水胶比不变，微调防冻剂掺量使各盘之间保持出机状态和坍落度基本一致，混凝土状态参考现场出泵状态。留置24h、48h、72h、7d、28d共5组试块，试块成型后立即放入混凝土标准养护室养护，上面覆盖塑料薄膜防止流水冲刷，24h、48h、72h试块抗压龄期误差控制在15min之内，试压速率严格按标准规定的速率进行。试压强度得到如表2所示（表中坍落度单位：mm，强度单位：MPa）。

采用蓄热法或综合蓄热法养护时，混凝土成熟度计算公式为：M=Σ（T+15）t，标准养护室温度为20℃。得到混凝土强度与成熟度的数据，如表3所示（表中成熟度单位：℃·h，强度单位：MPa）：

    本文按照标准给定的关系式f=a×exp(-b/M)进行曲线的回归处理。由于28d强度数据的代入使得曲线回归方程式的相关系数小于0.98，而要预估的强度值远小于表中7d强度数据，所以回归曲线所用数据舍弃28d强度数据。

借助计算机进行回归分析得到如表4所示回归方程：

3施工环境和气象条件

下面本文通过强度与成熟度的关系式进行热工计算来预测结构混凝土的强度发展变化。

在北京地区，冬期施工采用的主要是综合蓄热法和负温养护法结合的方式来保证混凝土和工程质量，具体来说同时包括如下措施：对混凝土原材料加热、使用复合型防冻剂提高混凝土早期强度并降低混凝土中自由水的冰点、工程施工过程中采取保温措施进行蓄热养护。

每年的冬期施工基本上从11月15日开始到3月15日结束，通过查询北京地区历史天气得知2011年12月01日到2012年2月29日以及2012年12月01日到2013年2月28日每天的最低温度和最高温度，平均两个数据得到日平均气温。以时间顺序为横轴，日平均温度为纵轴绘制出如1、图2。

      通过两年的数据可以看出北京地区日平均气温基本大于-10℃，观察图1和图2发现可以把数据分成两个阶段，每年都有连续大约20天时间内日平均气温基本处于-5℃～-10℃，其余大部分时间基本处于0℃～-4℃。混凝土温度的升高和降低需要一个热量交换的过程，是渐变的，并且天气温度的变化也是一个渐变的过程，所以用某一时刻或某一天极端高点温度或极端低点温度进行热工计算并没有太大的意义。冬施大部分时间内本文用-3℃作为代表温度进行计算，更低气温的时间内（大约20天）本文用-7℃作为代表温度进行计算。

选取最具代表性的民用建筑为研究对象，民用建筑中最常见的结构形式不外乎板面结构、墙体结构、柱式结构，最常见的模板材料为木模板，实际模板厚度一般为18㎜，实际施工中一般只对板面结构进行保温，采取的保温方式为覆盖一层塑料薄膜防止失水外加一层15mm厚保温草帘。板面结构的实际厚度一般为120mm～150mm，墙体结构的实际厚度一般为150mm～250mm，框架柱结构的实际边长一般为350mm～500mm。

对这三种结构进行初步的热工计算，按最不利于保温的结构尺寸进行计算，取板面结构厚度为120mm，墙体结构厚度为150mm，框架柱结构边长为350mm。

板面结构的围护层为下表面覆盖18mm厚木模板，上表面第一层塑料薄膜厚度计1mm，第二层15mm厚保温草帘。表面系数M_s=2/0.12=16.7m^-1，上表面传热系数K_s=3.6/（0.04+0.001/0.1+0.015/0.08）=15.2kJ/(m²·h·K)，下表面传热系数_Kx=3.6/（0.04+0.018/0.17）=24.7kJ/(m²·h·K),平均传热系数K=（K_s+K_x）/2=20.0kJ/(m²·h·K)，板面散热系数L=K×M_s=16.6×20.0=332.0kJ/(m³·h·K)。

墙体结构的围护层为两侧覆盖18mm厚木模板。墙体的表面系数M_s=2/0.15=13.3m^-1，表面传热系数K=3.6/（0.04+0.018×0.17）=24.7kJ/(m²·h·K)，墙体散热系数L=K×M_s=24.7×13.3=328.5kJ/(m³·h·K)。

框架柱结构的围护层为四周覆盖18㎜厚木模板。柱子的表面系数M_s=4/0.35=11.4m^-1，表面传热系数K=3.6/（0.04+0.018×0.17）=24.7kJ/(m²·h·K)，墙体散热系数L=K×M_s=24.7×11.4=281.6kJ/(m³·h·K)。

由上述计算可知，在板面进行覆盖保温的情况下，其散热系数仍然是最大的。故本次选取板面结构进行研究能确保最不利于质量控制的情况得到重视。楼板结构最常用的混凝土标号为C30，而C30混凝土也是目前用量最大的标号，以C30为代表最能有代表性也足以说明问题。

4混凝土养护过程热工计算

根据《建筑工程冬期施工规程》JGJ/T104-2011规定，入模温度不应低于5℃，故我们进行热工计算时选取入模温度为5℃能确保安全。以配合比A为例计算混凝土蓄热过程中的温度变化，并最终推算出混凝土到达受冻临界强度或某一强度所需的时间，计算公式根据JGJ/T104-2011。根据该标准，抗冻临界强度为4Mpa。

混凝土养护t时间后该时刻的温度：

T₄=η·exp（-θ·Vce·t）-φ·exp（-Vce·t）+T_m,a

其中θ=ω·L/(V_ce·C_c·ρ_c)=1.8×332.0/（0.015×0.92×2400）=18.04

φ=V_ce·Q_ce·m_ce/（V_ce·C_c·ρ_c-ω·L）=0.015×350×190/（0.015×0.92×2400-1.8×332.0）=-1.77

η=T₃-Tm,a+φ=5-1.77-T_m,a=3.23-T_m,a 

T_m,a=-3℃时，η=6.23

T₄=6.23×exp（-18.04×0.015×t）+1.77×exp（-0.015×t）^-3

采用逐次逼近的计算方法得到，当t=53h时，混凝土从蓄热养护开始到t时间的平均温度T_m。

T_m=1/（V_ce·t）·（φ·exp（-V_ce·t）-η/θ·exp（-θ·V_ce·t）+η/θ-φ）+T_m,a=1/(0.015×53)×(-1.77×exp（-0.015×53）-6.23/18.04×exp（-18.04×0.015×53）+6.23/18.04+1.77)-3=-1.35℃

温度降到0℃时混凝土成熟度M=（-1.35+15）×53=723.6℃·h，由混凝土强度与成熟度关系得到：f=37.6×exp(-1484/M)=37.6×exp(-1484/723.6)=4.84MPa

混凝土实际强度需乘上综合蓄热法调整系数0.8，f′=0.8f=3.87MPa

用同样的计算过程推算出t=54h时，f′=4.01MPa，由此可知，混凝土入模54h后，混凝土达到抗冻临界强度。

Tm,a=-7℃时，按同样的计算方法得到混凝土达到抗冻临界强度的时间是78h。

配合比B、C、D可按同样的计算方法得出两种环境温度下达到抗冻临界强度所需的时间，并列入表5。由于成熟度法推算混凝土强度只适合预估混凝土强度标准值60%以内的强度值，本文按上述计算过程推算出不同环境下不同配合比混凝土达到强度标准值的50%的时间差异来说明水泥用量的不同带来的中期强度的发展变化。

达到相应强度所需要的养护时间的推算结果汇总于表5：

   由表中项目可知，入模温度为5℃时，在-3℃环境下，在120mm板厚一层薄膜和草帘保温的板面结构中，每减少30kg/m³水泥用量，达到抗冻临界强度的时间增加约6～8h，达到50%的设计强度的时间增加约19～32h。在-7℃环境下，在120㎜板厚一层薄膜和草帘保温的板面结构中，每减少30kg/m³水泥用量，达到抗冻临界强度的时间增加约8～13h，达到50%的设计强度的时间增加约30～49h。总体来说，三天龄期之内基本能达到抗冻临界强度，十天龄期之内基本能达到50%的设计强度。由推理过程所知，本文的假设条件均是对蓄热养护不利的，入模温度是允许的最低温度，结构形式是最易散热的板面结构，保温形式是最基本的保温方式，任何假设条件的改善都会缩短达到抗冻临界强度的时间差距。

5结语

在北京地区，某一时刻极端低温温度基本大于-15℃，个别年份极端低温低于-15℃时也不低于-20℃。从防冻剂的使用理论上讲，采用-15℃型号的防冻剂完全可以满足-20℃以上温度的施工要求并不需要进行其他加热或保温措施。在防冻剂质量有保证的前提下，合适的配合比中水泥用量的多少并不必然影响最终混凝土的冬期施工质量，但会影响混凝土强度发展的速率。工程施工并不是一次成活，施工过程需要模板周转，保温材料的周转，支撑脚手架的周转，更需要下部混凝土的强度支撑上部结构的施工。从施工材料的周转和工程进度上讲，我们需要混凝土尽快的提供早期强度。在不使用防冻剂的情况下，达到抗冻临界强度是能不能撤掉保温材料的必要条件，在使用合适的防冻剂的情况下，抗冻临界强度是重要的参考条件，但什么时候撤掉保温材料要结合工程和天气的实际情况。

实际配合比选用过程中如何确定水泥用量应根据具体工程施工的材料周转和工程进度要求来确定。事前进行必要热工计算预测混凝土强度发展，事中进行温度测量和同条件试块留置来多方确认混凝土实体强度，事后总结经验进行必要的配合比调整。●

【参考文献】[1]JGJ/T104-2011建筑工程冬期施工规程[S].（来源：《广东建材》2017.09）