對混凝土養(yǎng)護方法的思考與建議

　　0 前言
　　眾所周知，混凝土澆筑成型后必須及時進行澆水覆蓋保濕養(yǎng)護，以滿足混凝土表面維持一定濕潤狀態(tài)的需要，同時，為防止水分的急劇蒸發(fā)，表面還應(yīng)覆蓋以塑料薄膜、麻袋片或草袋等材料，但是，只做到這兩點還是遠遠不夠。

　　其實，混凝土的養(yǎng)護，目的之一是要保證混凝土在一定時間內(nèi)保持潮濕，以滿足水泥水化的用水需要；目的之二是保證在不同的溫度環(huán)境下，使混凝土保持合適的內(nèi)外溫差和其表面與環(huán)境的溫差，也就是說，混凝土斷面及表面與外部環(huán)境要保持有合適溫度梯度，還要保持合適的升溫速率、降溫速率及較低的最高溫度。因此，傳統(tǒng)、習(xí)慣的舊有觀念和養(yǎng)護方法，隨著水泥和混凝土技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，必須更新和改變，并應(yīng)賦于其新的內(nèi)容。

　　1 混凝土養(yǎng)護的“盡早及時”及持續(xù)時間的“足夠而適當(dāng)”
　　1.1混凝土開始養(yǎng)護的時間應(yīng)盡早及時
　　GB50204-2002《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》（以下簡稱《質(zhì)量規(guī)范》），第7.4.7條第一款規(guī)定，應(yīng)在澆筑完畢后的12h以內(nèi)對混凝土加以覆蓋并保濕養(yǎng)護。此《質(zhì)量規(guī)范》較修訂前的GB50204-92《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工及驗收規(guī)范》（以下簡稱《規(guī)范》）第4.5.1條第一款只有少量的文字變動，但條文基本意義沒有改變。其區(qū)別只是將原規(guī)范的“覆蓋和澆水”改為“覆蓋并保濕養(yǎng)護”，其意為“保濕養(yǎng)護”除澆水外，還可采取其它方法進行。

　　從前后兩個規(guī)范的條文內(nèi)容可見，其所規(guī)定的養(yǎng)護時間只是保濕養(yǎng)護的最遲開始時間，且并沒有涉及養(yǎng)護的持續(xù)時間及結(jié)束時間，只是根據(jù)水泥品種或使用功能籠統(tǒng)的規(guī)定養(yǎng)護的最少時間。對混凝土的保濕養(yǎng)護，只要能保證在澆筑完畢后的12h以內(nèi)開始，就可認(rèn)為滿足了規(guī)范的要求，12h的時間間隔既包含混凝土的塑性狀態(tài)，也包含其到達終凝變?yōu)楣腆w狀態(tài)，何時開始養(yǎng)護的可塑性很大。傳統(tǒng)習(xí)慣的做法是在澆筑完畢后12h左右開始澆水養(yǎng)護，這對于水泥強度等級較低、水泥用量不大、早期水泥水化程度偏低、自收縮可忽略不計或自收縮較小的塑性混凝土而言，可能是適宜的，但對于現(xiàn)代混凝土，就有可能不適宜了。

　　混凝土的早期開裂是混凝土技術(shù)發(fā)展和進步帶來的新問題。近年來，由于高強度混凝土及高性能混凝土的推廣應(yīng)用，使混凝土所用水泥的強度提高和水泥用量的明顯增加，特別是混凝土早期強度的提高、水膠比的減小，使得混凝土的溫度變形和自收縮變形顯著增加。試驗研究及實踐證明，混凝土的溫度變形和自收縮變形是現(xiàn)代混凝土早期開裂的最主要原因^[1~3]。

　　混凝土自收縮的大小取決于水泥石內(nèi)部干燥程度、水泥石的彈性模量及徐變系數(shù)的大小?；炷猎缙?，特別是初凝后的1d之內(nèi)，其彈性模量很低、徐變系數(shù)很大，因此內(nèi)部干燥程度是決定自收縮變形的主要因素。在混凝土初凝前后對其表面進行濕潤養(yǎng)護，可使養(yǎng)護水與混凝土中的毛細孔水分連為一體，以供給混凝土內(nèi)部膠凝材料的水化。然而，隨著混凝土中水泥的進一步水化，將促進毛細管孔的細化，當(dāng)毛細管孔壁阻力超過其內(nèi)部的表面張力時，水分則不能繼續(xù)向混凝土內(nèi)部遷移。由此可見，早期補水而緩解內(nèi)部干燥，可以很好的抑制混凝土的早期自收縮。開始養(yǎng)護時間越晚，毛細孔管孔的半徑便變得越小，補水時要求的外加壓力就越大，養(yǎng)護也就越困難。而補水供給一旦停止，混凝土的自干縮收縮變形就有可能促使混凝土開裂[4]。

　　混凝土的自收縮從其初凝前就已開始，早期發(fā)展迅速，1d之內(nèi)可完成大部分，以后則迅速衰減，最終的收縮可達到（0.025~0.050）×10^-3。同時還隨混凝土水膠比的減小而增大，并隨其溫度的提高而增加。此外，隨著混凝土強度的不斷增長，混凝土開裂時的極限應(yīng)變則逐漸而明顯的下降，由成型后2h的4.0×10^-3可下降至6～12h的最低值0.04×10^-3。有的研究人員認(rèn)為達到最低值的時間還可能提前，而這一時間段，即為混凝土開裂的風(fēng)險期。如果按《質(zhì)量規(guī)范》規(guī)定，以傳統(tǒng)習(xí)慣的澆筑后12h左右開始保濕養(yǎng)護，其時間顯然已大大滯后于混凝土開裂的危險期^[5]。因此，規(guī)范所規(guī)定的最遲開始養(yǎng)護時間顯然已不適于現(xiàn)代混凝土的要求，很有必要將混凝土開始澆水保濕的時間大大提前。至于提前到何時，因影響因素很多及缺乏足夠的試驗數(shù)據(jù)及理論根據(jù)，很難有具體結(jié)論。但原則上應(yīng)使混凝土達到足夠的初始強度，能承受養(yǎng)護保濕的操作而不損傷混凝土的早期結(jié)構(gòu)。具體一點講就是在混凝土澆筑完畢后，在初凝前后就應(yīng)澆水養(yǎng)護，但以不致人為沖壞混凝土表面為限，即做到“盡早及時”。這里要特別強調(diào)“盡早”二字，以保證混凝土盡早及時具備充足的補水供給條件，以免發(fā)生塑性收縮、自收縮和干燥收縮的共同疊加作用。

　　1.2混凝土養(yǎng)護持續(xù)時間的“足夠”及“適可而止”
　　《質(zhì)量規(guī)范》第7.4.7條第二款和《規(guī)范》第4.5.1條第二款都規(guī)定，對采用硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥或礦渣硅酸鹽水泥拌制的混凝土，澆水養(yǎng)護不得少于7d，對于摻用緩凝型外加劑或有抗?jié)B要求的混凝土，不得少于14d。這里需要指出的是，規(guī)范所規(guī)定的時間是澆水保濕養(yǎng)護的最少時間，而沒有指出澆水保濕養(yǎng)護的持續(xù)時間或終止養(yǎng)護時間。研究分析和實踐證明，澆水養(yǎng)護時間過長，并不能保證混凝土性能的持續(xù)提高，而且由于水泥水化程度的提高，反而可能使混凝土的不可逆收縮增大；水泥凝膠中如若水泥全部水化，其生成物在使水泥石強度增長的同時，還會使其產(chǎn)生極大的收縮，嚴(yán)重時甚至可引起開裂。正像混凝土中的骨料起穩(wěn)定體積的作用一樣，水泥石中需要有一定數(shù)量的未水化水泥顆粒，或摻入一些其它惰性材料來穩(wěn)定其體積。因此說澆水保濕養(yǎng)護的持續(xù)時間并不是越長越好。以盲目延長澆水養(yǎng)護時間作為“加強養(yǎng)護”的做法顯然是不可取的?，F(xiàn)代混凝土技術(shù)對養(yǎng)護時間的要求是在“足夠”的同時考慮“適可而止”，以求混凝土強度適時而足夠的增長和提高混凝土的抗裂性。

　　有試驗資料表明，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護7d和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護14d的混凝土，其以后各齡期的干縮值基本相同（如表1所示）。顯然，過長時間的保濕養(yǎng)護并不能進一步減小后期的干縮。這是因為在長時間的養(yǎng)護下，混凝土內(nèi)部生成的水化產(chǎn)物相對增多，反而在一定程度上增加了收縮。

表1 初期養(yǎng)護與養(yǎng)護后的干燥時間對混凝土干縮率的影響

　　如何決定養(yǎng)護時間的“足夠”及“適可而止”，這與混凝土的組成及配合比、環(huán)境溫度和濕度、養(yǎng)護方法和風(fēng)速等諸多因素有關(guān)。其中，混凝土的水膠比是一重要因素。水膠比小時，雖需及早加強外部補水供給，但澆水保濕養(yǎng)護的持續(xù)時間則可以相對縮短一些。反而是水膠比大時，需要的養(yǎng)護時間長一些。這可能與各自滲透性穩(wěn)定所需時間及滲透性大?。此终舭l(fā)難易程度及蒸發(fā)速度大小）有關(guān)。然而，對摻有礦物摻合料粉煤灰的混凝土，情況又不同，當(dāng)水膠比較小而相對濕度也較小時，因摻入化學(xué)反應(yīng)較慢的粉煤灰，其表面的吸附水很容易蒸發(fā)而造成混凝土開裂。粉煤灰的抗裂作用與其強度發(fā)展一樣，只有在低水膠比下加強澆水保濕養(yǎng)護中才能充分發(fā)揮出來。澆水保濕養(yǎng)護的時間不但要延長，而且補水供給必須充分且忌間斷；對于摻有緩凝型外加劑及對抗?jié)B性有要求的混凝土，正如《質(zhì)量規(guī)范》要求那樣，保濕養(yǎng)護時間應(yīng)予延長，且不應(yīng)少于14d。

　　工程實踐表明，降低混凝土的滲透性是提高混凝土耐久性的關(guān)鍵。近些年來，由于高效減水劑以及復(fù)合礦物摻合料的廣泛應(yīng)用，使得混凝土的抗?jié)B透性能得到大大的提高，從而對各種侵蝕作用的抵抗能力大大增強。為此，不但要求混凝土的初始抗?jié)B透性能要高，而且要求抗?jié)B性能要穩(wěn)定，包括不因開裂而失去較高的抗?jié)B透能力。由此可見，必須保證混凝土有足夠的澆水保濕時間。表2從滲透性要求的角度出發(fā)，列舉了摻粉煤灰混凝土為達到穩(wěn)定滲透性的保濕養(yǎng)護所需的時間^[3]。表中所示時間的隨意性雖然很大，又沒考慮養(yǎng)護溫度和濕度等因素的影響，但也可以從中獲得啟迪和幫助，以供參考。

表2 滲透性穩(wěn)定所需濕養(yǎng)護時間

　　目前，關(guān)于混凝土保濕養(yǎng)護應(yīng)做到“足夠”、“適可而止”方面的研究還甚少，有待今后能夠加強研究和總結(jié)，以便正確指導(dǎo)混凝土施工。

　　2 混凝土養(yǎng)護的溫度控制
　　2.1 混凝土養(yǎng)護階段的溫度與應(yīng)力的發(fā)展
　　混凝土澆筑成型后，其內(nèi)部的約束應(yīng)力和溫度隨時間發(fā)展變化曲線如圖1所示[1,2,3,5]。圖中的約束應(yīng)力是溫升溫降產(chǎn)生的膨脹拉應(yīng)力或收縮壓應(yīng)力與自收縮應(yīng)力疊加后的結(jié)果。

圖1 混凝土約束應(yīng)力和溫度隨時間變化的典型曲線

　　為方便分析混凝土內(nèi)部溫度、約束應(yīng)力與時間之間關(guān)系，可把混凝土從攪拌開始直至開裂分成五個不同的時間階段。

　?。?）第Ⅰ階段
　　第Ⅰ階段為混凝土從開始攪拌到澆筑成型的不長時間，一般為3～6h。此時水泥水化剛剛開始，混凝土處于半流動狀態(tài)和塑性狀態(tài)，基本可認(rèn)為混凝土處于初始澆筑溫度T0左右。

　　（2）第Ⅱ階段
　　第Ⅱ階段為混凝土開始升溫至混凝土凝結(jié)硬化、內(nèi)部約束壓應(yīng)力開始產(chǎn)生時的時間t01為止。此階段混凝土仍處于塑性階段，內(nèi)部處于零應(yīng)力狀態(tài)。由于混凝土的水化熱而使其產(chǎn)生膨脹，待至t01所對應(yīng)的溫度T01時，受到變形約束的混凝土開始產(chǎn)生壓應(yīng)力，t01稱為第一零應(yīng)力時間，T01稱為第一零應(yīng)力溫度。這一階段一般要經(jīng)過3～6h。

　?。?）第Ⅲ階段
　　第Ⅲ階段從第一零應(yīng)力時間t01開始，直至混凝土達到最高溫度T3的時間t3為止。此階段隨著水泥水化熱的急劇釋放，隨之溫度也急劇上升，混凝土的熱膨脹受到約束作用所產(chǎn)生的約束壓應(yīng)力，也從零開始并迅速增大到最大值。從曲線中可以看出，由于混凝土徐變及自收縮的影響，在混凝土達到最高溫度T3的時間t3之前，混凝土內(nèi)部的壓應(yīng)力早已開始下降。在圖1中則顯示為最高溫度T3出現(xiàn)時對應(yīng)的時間t3，并不與最大壓應(yīng)力產(chǎn)生的時間相對應(yīng)。

　　（4）第Ⅳ階段
　　第Ⅳ階段從最高溫度T3對應(yīng)的時間t3開始，直至混凝土內(nèi)的壓應(yīng)力降至第二零應(yīng)力溫度T02的時間t02為止，T02稱為第二零應(yīng)力溫度，t02稱為第二零應(yīng)力時間。此階段混凝土仍處于受壓狀態(tài)，此階段以后混凝土則從受壓狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)。但此階段結(jié)束前混凝土仍處于溫度很高的第二零應(yīng)力溫度T02以上。

　　（5）第Ⅴ階段
　　第Ⅴ階段從第二零應(yīng)力時間t02開始，直至混凝土致裂溫度Tc的時間tc為止。若tc時混凝土的約束拉應(yīng)力已增大至混凝土的實時抗拉強度，混凝土則要開裂。第二零應(yīng)力溫度T02通常高于混凝土的初始澆筑溫度T0，致裂溫度Tc有時也可能高于初始澆筑溫度T0。也就是說，不等到混凝土內(nèi)部溫度回降至初始澆筑溫度T0，而在此前便已達到了第二零應(yīng)力溫度T02，也可能不待降回至初始澆筑溫度T0，混凝土就早已開裂了。

　　由于實際工程中所遇情況可能千變?nèi)f化，上述混凝土內(nèi)部典型的溫度與應(yīng)力發(fā)展曲線，可能與實際工程之間存一定差異，但仍具有指導(dǎo)混凝土養(yǎng)護控制的實際意義。

　　2.2混凝土各養(yǎng)護階段的冷卻和保溫
　?。?）當(dāng)混凝土處于第Ⅰ階段和第Ⅱ階段時，應(yīng)對處于半流動狀態(tài)和塑性狀態(tài)的混凝土進行冷卻處理，以降低混凝土的初始澆筑溫度T0及最高溫度T3?；炷恋某跏紳仓囟仁腔炷磷罡邷囟鹊闹匾M成部分，對于處于半流動狀態(tài)和塑性狀態(tài)的第Ⅰ階段及第Ⅱ階段的混凝土進行冷卻處理，則會在降低最高溫度的同時，也相應(yīng)降低了混凝土的致裂溫度，從而提高了混凝土抵抗冷縮開裂的能力。

　?。?）第Ⅲ階段的混凝土，此時正處于升溫階段，混凝土內(nèi)部為受壓狀態(tài)，在此階段對混凝土也可繼續(xù)施以上一階段相同的冷卻降溫處理，一般還不至于改變整個混凝土斷面上的應(yīng)力受壓狀態(tài)。但是，如果向混凝土表面澆以和環(huán)境溫度的溫差太大的冷水，則可能會使混凝土表面溫度急速冷卻而造成混凝土斷面上的溫度梯度驟升，從而引起混凝土“熱震”。所以應(yīng)在混凝土溫度處于第一零應(yīng)力溫度T01之前，也就是處于第一零應(yīng)力時間t01之前盡早降溫冷卻混凝土。雖然在此第Ⅲ階段對混凝土冷卻降溫，也可以相應(yīng)降低最高溫度和致裂溫度，但在此升溫階段必須注意防止混凝土內(nèi)外溫差過大和溫度梯度的驟升而引起的表面裂縫產(chǎn)生。

　　這一階段的澆水養(yǎng)護和冷卻降溫處理一定要小心謹(jǐn)慎，不可盲動，切忌間斷澆水，并在混凝土處于最高溫度時不可澆以與環(huán)境溫差過大的養(yǎng)護水，更不可急劇猛澆，應(yīng)以小水漫淋為宜。

　?。?）第Ⅳ階段和第Ⅴ階段的混凝土，正處于降溫階段，此時應(yīng)采取靈活可靠的措施，以“外保溫內(nèi)緩降”的養(yǎng)護原則進行溫度控制^[6]。

　　在混凝土降溫階段對其實施保溫處理，其目的之一是減少混凝土內(nèi)部的熱量散失，以降低斷面上的溫度梯度和內(nèi)外溫差；其目的之二是通過延緩混凝土的散熱時間，使之能夠有效而充分的發(fā)揮強度的增長潛力，并使混凝土的松弛和徐變作用得以充分發(fā)揮，其內(nèi)部的拉應(yīng)力也得以相應(yīng)減小。與此同時，隨混凝土齡期的增長，其抗拉強度明顯提高，也可防止和減少混凝土開裂。

　　混凝土表層的溫度梯度是制約混凝土表面裂縫產(chǎn)生的重要原因之一[7]；大氣環(huán)境溫度的升降，影響著混凝土內(nèi)部斷面上溫度梯度的大小，而其溫度變化的陡緩，也必然影響混凝土表面與大氣環(huán)境溫度之間溫度變化的陡緩。工程實踐證明，溫度變化是混凝土結(jié)構(gòu)的一個非常重要而復(fù)雜的荷載，溫度梯度的陡緩可以看作是對混凝土“加荷速度”的快慢，從而可對混凝土力學(xué)性能產(chǎn)生重大影響。氣溫驟降可以導(dǎo)致混凝土拉應(yīng)力和彈性模量的急劇增加，從而使混凝土的極限拉伸值減小[1]。反之，氣溫緩降可以看作是對混凝土的慢速加荷，可以導(dǎo)致混凝土拉應(yīng)力和彈性模量比快速加荷時有所減小，從而使混凝土的極限拉伸增加。不論是以內(nèi)約束為主的結(jié)構(gòu)，還是以外約束為主的混凝土結(jié)構(gòu)，通過外保溫內(nèi)緩降都可避免或減少混凝土的開裂。

　　綜上所述，不論環(huán)境溫度的高低，也就是說，不論春夏秋冬，是冷是熱，混凝土養(yǎng)護的保溫處理，不但提高了混凝土表面的溫度，還使混凝土內(nèi)部溫度得以緩降，并減小了斷面上的溫度實現(xiàn)的。通常認(rèn)為混凝土內(nèi)外溫差一般應(yīng)不大于25℃，表面與環(huán)境大氣溫差不應(yīng)大于20℃。我國規(guī)范過去也是這樣規(guī)定的，但一些實際工程中的經(jīng)驗總結(jié)及一些技術(shù)資料的介紹卻提出了與此有些出入的數(shù)據(jù)：有的認(rèn)為二者都不應(yīng)大于20℃，有的則認(rèn)為二者都不應(yīng)大于25℃；也有的認(rèn)為前者不應(yīng)大于30℃^[8]，而后者不應(yīng)大于15℃；有的還著重指出，表面淋水及拆模引起的瞬時溫差不宜超過15℃^[8]。工程實踐也證明，有的工程混凝土內(nèi)外溫差大于25℃，但混凝土并未開裂，而有的工程內(nèi)外溫差小于20℃，但混凝土卻開裂了。再有，每天降溫多少的控制指標(biāo)也不盡相同，有的認(rèn)為每天降溫不應(yīng)大于3℃^[8]，也有的認(rèn)為不應(yīng)大于2℃，甚至還有人認(rèn)為不應(yīng)大于1.5℃。

　　上述技術(shù)數(shù)據(jù)之間差異的出現(xiàn)，其實非常正常，盡管有的數(shù)據(jù)是現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的，也不應(yīng)就此對規(guī)范提出異議。眾所周知，由于混凝土組成材料的隨機性和多樣性，以及混凝土的非均質(zhì)性和多相性，再加上施工質(zhì)量不可避免出現(xiàn)的各種差異，所示技術(shù)數(shù)據(jù)出現(xiàn)某些不同不足為怪，這就需要現(xiàn)場工程技術(shù)人員要根據(jù)工程所處環(huán)境的溫度和濕度條件、內(nèi)約束及外約束情況、工程結(jié)構(gòu)特征及結(jié)構(gòu)類型、混凝土組成材料和配合比的選擇、保溫保濕養(yǎng)護措施及施工方法等諸多因素綜合考慮而進行溫度調(diào)控。尊重規(guī)范而又不茍同條文，靈活運用理論知識和實踐經(jīng)驗來指導(dǎo)施工，在不斷探索自然規(guī)律中尋找其變化規(guī)律。

　　3 蓄熱法施工的混凝土養(yǎng)護
　　混凝土冬季施工常常采用蓄熱法，即利用對原材料的加熱及水泥水化產(chǎn)生的熱量，在混凝土澆筑后，通過適當(dāng)保溫來延緩混凝土冷卻，使混凝土冷卻到0℃以前達到預(yù)期要求的強度。蓄熱法因具有施工方便、可操作性強等許多優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。我國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑工程冬季施工規(guī)程》（JGJ104-97）第7.3.1條也明文指出，當(dāng)室外最低溫度不低于-15℃時，地面以下的工程，或表面系數(shù)M不大于5m-1的結(jié)構(gòu)，應(yīng)優(yōu)先采用蓄熱法。然而在實際工程中，技術(shù)人員往往不去進行熱工計算，即使經(jīng)過了熱工計算，也往往在實際施工中盡可能的采用提高原材料溫度的方法，以防止混凝土遭受凍害。這樣一來，便變成采用“加熱混凝土”來“自身御寒”的施工方法，從而使入模的初始澆筑溫度T0大大提高。與此相應(yīng)，混凝土的最高溫度T3、致裂溫度Tc和內(nèi)外溫差也隨之提高，其結(jié)果是給混凝土質(zhì)量的潛在損害和開裂造成有利條件[1~2]。為此，蓄熱法施工應(yīng)采用低溫加熱的“低溫混凝土”，而廢棄“高熱混凝土”，并通過保溫效果良好的覆蓋為主要措施來延緩混凝土的冷卻，以使混凝土冷卻至0℃以前達到預(yù)期要求的強度。

　　所謂“低溫混凝土”是指混凝土的初始澆筑溫度較低，這就意味著較低的最高溫度和致裂溫度。同時由于這種混凝土用水量可以減少，也就減小了混凝土的干縮。此外，低溫混凝土對于水泥的長期水化、強度和性能發(fā)展也有利。因此，低溫混凝土既有利于減少溫度裂縫的產(chǎn)生，也有利于改善混凝土的潛在質(zhì)量。由此可見，冬季用蓄熱法施工的混凝土，其澆筑初始溫度不宜過高，不宜采用過高加熱組成材料的方法拌制，除非特別需要，不宜采用“高熱混凝土”澆筑。如果確須采用“高熱混凝土”施工，也應(yīng)配以相應(yīng)的防裂措施。

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