电伴热预养护条件对混凝土受冻临界强度的影响

刘仲洋,付 帅,马国伟,王 山,李冰阳,杨 晗,崔秀军,张 周

(1.河北工业大学土木与交通学院，天津 300401；2.河北建筑工程学院土木工程学院，张家口 075051； 3.河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点实验室，张家口 075051)

0 引 言

受冻临界强度是指冬期浇筑的混凝土在受冻以前必须达到的最低强度，是表征冬期施工混凝土强度的基本安全限[1-4]。目前，所有国家和国际准则、标准、规范都禁止在混凝土达到临界强度之前受冻，但各国依据不同国情，对受冻临界强度数值的规定大相径庭，其范围为从25%或30%到50%或80%fcu,k(fcu,k为混凝土立方体抗压强度标准值)，冬期施工主要国家相关标准、规范规定的混凝土受冻临界强度值详见表1。我国冬期施工规程规定：采用蓄热法、暖棚法、加热法等施工的普通混凝土，采用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥配制时，其受冻临界强度不应小于设计混凝土强度等级值的30%[5]。然而受冻临界强度不是一个定值，而是一组随机函数，主要依据混凝土性质(普通混凝土和负温混凝土)、养护方式、硬化温度和使用要求来确定。随着混凝土技术的发展及施工设备的改进，受冻临界强度取值并非一成不变，临界强度值的正确选择具有重要的技术和经济意义。

表1 各国家规范规定的混凝土受冻临界强度[6]Table 1 Critical strength of concrete stipulated by various national codes[6]

电伴热养护是近年来应用到冬施混凝土工程中的一种新型、绿色、高效的养护方式，可实现自动控温、恒常温智慧养护。国内外学者对电伴热养护混凝土进行了一定研究，孟跃朋[7]结合北京雁栖湖国际会展中心工程，对电伴热冬季混凝土施工养护进行理论及有限元分析，并进行相关试验，从理论和试验中论证了该养护方式的有效性。倪锋[8]介绍了波罗海明珠项目,该项目采用内置电加热养护，以确保混凝土不受冻害且满足质量和进度要求。Lee等[9]通过试验研究电伴热结合泡沫板养护方式对-10 ℃下平板混凝土温度场和强度发展的影响，结果表明该养护方式可有效防止混凝土早期冻害，满足28 d强度要求。严小卫等[10]研究电伴热+一层棉毡养护方式对日温差为15 ℃、厚为800 mm的平板混凝土的养护效果，结果表明该养护方式可保证大温差下混凝土养护质量，3～7 d内可达到混凝土临界强度。

目前研究中主要侧重养护效果，电伴热预养护下混凝土的受冻临界强度一般仅参照电加热法取值，其合理性有待商榷，且养护机制存在较大差异。由于工程中一般采用电伴热预养护，加速水泥水化和混凝土硬化，在达到一定强度后停止供电采用保温覆盖继续养护至拆模，因此确定电伴热养护处理下合理的受冻临界强度和养护机制成为此类技术推广应用的一项重要任务。本文以电伴热预养护温度、预养护时间为参数，对不同硬化温度下掺加粉煤灰的普通混凝土受冻临界强度进行试验研究，目的是在控制成本的前提下给定电伴热养护技术的重要施工参数，为实际应用提供有利指导。

1 实 验

1.1 原材料及配合比

原材料：P·O 42.5普通硅酸盐水泥；张家口地区5～20 mm的连续级配碎石；中砂，细度模数为2.8；Ⅰ级粉煤灰，需水量94.5%；聚羧酸高效减水剂，粉末状；张家口地区自来水。其中水泥的性能指标详见表2，粉煤灰的性能指标详见表3。

表2 水泥性能指标Table 2 Performance index of cement

表3 粉煤灰性能指标Table 3 Performance index of fly ash

根据JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》[11]中第5节混凝土配合比计算，经过适配、调整，最终确定C30混凝土配合比详见表4，其中粉煤灰掺量为胶凝材料总质量的19%。

表4 C30混凝土配合比Table 4 Mix proportion of C30 concrete

考虑张家口地区十一月份气温-10 ℃左右，经热工计算采用功率为30 W/m的低温自限温式电伴热带，其基本参数详见表5。

表5 自限温式电伴热带参数Table 5 Parameters of self-limiting electric tracing band

1.2 试验方案

按照规范[12]制作81组立方体试块，尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，入模温度为10.3 ℃，坍落度为(180±10) mm。其中14组(42块)试块放入温度(20±2) ℃、相对湿度95%以上的标准养护室内养护，用压力试验机测试养护龄期(搅拌加水开始)为6 h、12 h、18 h、24 h、30 h、36 h、42 h和48 h和3 d、4 d、5 d、7 d、14 d和28 d的立方体抗压强度值，换算成标准立方体抗压强度后记为Rx(x代表养护龄期)；另外67组(201块)试块进行电伴热预养护下立方体抗压强度试验，其中前16组(按2种预养护温度、8个预养护时间(6～48 h)计算)测试电伴热预养护结束时的试块强度。后51组(按2种预养护温度、3种硬化温度、8个预养护时间，外加3种硬化温度下分别预养护0 h计算)测试混凝土养护结束(不同预养护时间，恒负温低温试验箱养护7 d，之后再标准养护28 d)时的试块强度，换算成标准立方体抗压强度后记为R-7+28。参考电加热法养护混凝土的温度，见表6，设计两种预养护温度(40 ℃、30 ℃)机制，经过0 h、6 h、12 h、18 h、24 h、30 h、36 h、42 h和48 h不同的预养护时间，转入不同恒负温(-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃)低温试验箱中养护7 d，之后再转标准养护室内继续养护28 d，具体试验设计见表7。

表6 电加热法养护混凝土的温度Table 6 Temperature of concrete cured by electric heating method

表7 电伴热养护试验设计Table 7 Test design of electric heat tracing curing

2 结果与讨论

2.1 标准养护混凝土强度

C30混凝土各龄期抗压强度详见图1。由图1可知，标准养护条件下混凝土强度随养护龄期的延长而逐渐增长。28 d龄期时混凝土强度换算成标准立方体抗压强度为33.0 MPa，且实测对应龄期的换算强度与设计强度等级值的关系：R3=62.1%fcu,k，R7=85.0%fcu,k，R28=110.1%fcu,k。

根据强度增长值与所用龄期的比值，计算出混凝土立方体抗压强度增长率，详见图2。

图1 养护龄期-抗压强度曲线Fig.1 Curve of curing age-compressive strength

图2 养护龄期-抗压强度增长率曲线Fig.2 Curve of curing age-growth rate of compressive strength

由图2可知,前3 d混凝土强度增长率最大，3～7 d强度增长率逐渐变小，7～14 d强度仍在增长，但远小于前3 d强度增长率，14～28 d强度增长率更小，此时强度增长率曲线几乎与x轴相切，强度基本不再增长。

分析原因,混凝土强度由水泥水化硬化产生的水化产物胶结其他集料产生。对于一种混凝土，其他条件(水灰比、配合比、养护温度、湿度、外加剂、掺合料等)确定不变的情况下，混凝土内水泥的水化产物随着养护龄期的增长而越来越多，水泥水化程度越来越高，导致混凝土的抗压强度不断提高，混凝土强度增长率较快的龄期就应该对应着水泥水化速率较快的阶段，反之增长率较慢的龄期对应水化速率较慢的阶段[13]。所以3 d之前水泥的水化速度最快，3～7 d水化速度有所降低，7 d之后水泥水化速度较慢。

2.2 电伴热温度40 ℃下混凝土强度

电伴热预养护温度40 ℃，预养护6 h、12 h、18 h、24 h、30 h、36 h、42 h和48 h后，对应的各个预养护龄期结束时的混凝土抗压强度见图3。经不同的预养护时间，硬化温度-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃时R-7+28混凝土抗压强度值见图4。

图3 养护龄期-电伴热养护强度曲线Fig.3 Curve of curing age-electric heat tracing curing strength

图4 不同硬化温度下电伴热预养护时间-抗压强度曲线Fig.4 Curves of electric heat tracing pre-curing time-compressive strength at different hardening temperatures

由图4可知，通过与标养条件下28 d强度的95%(早期受冻混凝土满足后期强度要求的最低强度保证率)进行比较，结合图3可知-5 ℃下混凝土达到受冻临界强度时预养护时间为18 h，此时受冻临界强度为6.6 MPa，混凝土强度随预养护时间延长增长最快的区间在10～18 h，预养护时间超过18 h后，继续延长预养时间对强度的影响开始减弱。-10 ℃下混凝土达到受冻临界强度时预养护时间为24 h，此时受冻临界强度为8.1 MPa，混凝土强度随预养护时间延长增长最快的区间在10～20 h，预养护时间超过24 h后，继续延长预养时间对强度的影响开始减弱。-15 ℃下混凝土达到受冻临界强度时预养护时间为36 h，此时受冻临界强度为12.2 MPa，混凝土强度随预养护时间延长增长最快的区间在5～15 h，预养护时间超过36 h后，继续延长预养护时间对强度的影响开始减弱。随着硬化温度的降低，不同预养护时间下对应的R-7+28抗压强度增长率逐渐变小。

2.3 电伴热温度30 ℃下混凝土强度

电伴热预养护温度30 ℃，预养护6 h、12 h、18 h、24 h、30 h、36 h、42 h和48 h后，对应的各个预养护龄期结束时的混凝土抗压强度见图5。经不同的预养护时间，硬化温度-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃时R-7+28混凝土抗压强度值见图6。由图6可知：-5 ℃下混凝土达到受冻临界强度时预养护时间为36 h，此时受冻临界强度为14.8 MPa；-10 ℃下混凝土达到受冻临界强度时预养护时间为42 h，此时受冻临界强度为15.8 MPa；-15 ℃下混凝土达到受冻临界强度时预养护时间为48 h，此时受冻临界强度为17.8 MPa。

图5 养护龄期-电伴热养护强度曲线Fig.5 Curve of curing age-electric heat tracing curing strength

图6 不同硬化温度下电伴热预养护时间-抗压强度曲线Fig.6 Curves of electric heat tracing pre-curing time-compressive strength at different hardening temperatures

为测试电伴热合适的预养护温度，使其满足混凝土强度快速增长的要求。根据不同预养护温度，绘制如图7所示的预养护龄期-抗压强度曲线图。根据不同预养护温度、硬化温度，绘制如图8所示的电伴热预养护48 h时R-7+28混凝土抗压强度直方图。

图7 标准养护与电伴热养护下养护龄期-抗压强度曲线Fig.7 Curve of curing age-compressive strength under standard curing and electric heat tracing curing

图8 电伴热预养护48 h时R-7+28混凝土抗压强度直方图Fig.8 Histogram of R-7+28 concrete compressive strength for electric heat tracing pre-curing 48 h

由图7和图8可知,电伴热预养护温度40 ℃时强度增长速率反而低于养护温度30 ℃时，且40 ℃时对应的R-7+28强度值较小。这是因为预养护温度越高对混凝土强度增长有不利影响，尤其是升温速度过快时，混凝土表面的水分必定会大量蒸发，导致混凝土表层水泥因缺水而水化不良；同时温度过高，内部水泥水化速度明显加快，可能导致水化产物分布不均匀及过多过快形成的水化产物阻碍了水泥与水的接触，影响水泥继续水化，使后期强度发展缓慢甚至降低，即出现强度的“交叉效应”[14-17]。此外，不论是30 ℃还是40 ℃，温度升高均加速了大掺量粉煤灰混凝土的水化速率，提高了粉煤灰的化学活性，致密了浆体结构，使混凝土在加热养护下的抗压强度均大于标准养护下的抗压强度[18-20]。

2.4 混凝土受冻临界强度与预养护时间的关系

根据JGJ/T 104—2011《建筑工程冬期施工规程》规定，采用加热法施工的普通混凝土，采用普通硅酸盐水泥配制时，其受冻临界强度≥30%fcu,k。所以C30混凝土受冻临界强度为9.0 MPa(30 MPa×30%)。试验研究发现,C30混凝土在40 ℃电伴热预养护条件下经过18 h、24 h的预养时间，受冻临界强度为6.6 MPa、8.1 MPa，即可满足室外-5 ℃、-10 ℃的硬化温度。说明电伴热养护技术可以短时间内获得强度快速增长，受冻前仅需达到6.6 MPa、8.1 MPa，即可保证后期强度发展。

不同条件下混凝土的受冻临界强度与预养护时间详见表8。由表8可知：电伴热预养护温度越高，受冻临界强度越小，早期达到受冻临界强度所需的预养护时间越短；硬化温度越低，混凝土受冻临界强度越高，相应的预养护时间会越长。

表8 混凝土受冻临界强度与预养护时间的关系Table 8 Relationship between critical strength and pre-curing time of concrete

不同条件下混凝土受冻临界强度与立方体抗压强度标准值的关系见图9。由图9可知，采用电伴热养护方式进行冬施普通混凝土养护时，预养护温度40 ℃、硬化温度≥-10 ℃时，临界强度值可按JGJ T104—2011《建筑工程冬期施工规程》规定的≥30%fcu,k取值；预养护温度30 ℃、硬化温度≥-15 ℃时，临界强度值需在规范基础上增大20%～30%。此外结合图8，当养护温度升高时混凝土后期强度反而降低，且不同硬化温度下，预养护温度30 ℃时临界强度值均大于30%fcu,k，所以电伴热预养护温度取30 ℃较为合适。

图9 受冻临界强度-立方体抗压强度标准值关系图Fig.9 Relationship between critical strength and standard value of cube compressive strength

3 结 论

本文通过试验研究，确定了不同电伴热预养护温度、硬化温度下混凝土的受冻临界强度值和合理的最短预养护时间，可对冬期施工中应用电伴热养护方法的混凝土工程进行指导，具体为：

(1)对于普通混凝土，电伴热预养护温度越高，早期受冻混凝土达到受冻临界强度所需的预养护时间越短，受冻临界强度值相对较低；但考虑到早期抗冻及后期强度发展要求，30 ℃时临界强度取值较大，R-7+28强度值较大，整体养护效果要优于40 ℃养护效果。因此合理的预养护温度取为30 ℃。

(2)电伴热预养护温度40 ℃，经历不同硬化温度后，发现硬化温度越低对应的受冻临界强度值越高，-5 ℃对应6.6 MPa，-10 ℃对应8.1 MPa，-15 ℃对应12.2 MPa，且临界强度的取值基本符合我国规范规定的≥30%fcu,k要求；电伴热预养护温度30 ℃，经历不同硬化温度后，规律相同，-5 ℃对应14.8 MPa，-10 ℃对应15.8 MPa，-15 ℃对应17.8 MPa，此时临界强度的取值需在我国规范规定的基础上增大20%～30%。

(3)试验得出混凝土合理的预养护时间，40 ℃时对应硬化温度由高到低为18 h、24 h、36 h,30 ℃时对应硬化温度由高到低为36 h、42 h、48 h。以上室内试验结果表明，当硬化温度不低于-15 ℃时，分别采用40 ℃、30 ℃预养护温度，功率30 W/m的电伴热带至多需要通电预养护2 d就能保证混凝土后期强度,但具体工程可根据现场环境温度及外保温材料在此基础上适当增减预养护时长。