電伴熱預養護條件對混凝土受凍臨界強度的影響

劉仲洋,付 帥,馬國偉,王 山,李冰陽,楊 晗,崔秀軍,張 周

(1.河北工業大學土木與交通學院，天津 300401；2.河北建筑工程學院土木工程學院，張家口 075051； 3.河北省土木工程診斷、改造與抗災重點實驗室，張家口 075051)

0 引 言

受凍臨界強度是指冬期澆筑的混凝土在受凍以前必須達到的最低強度，是表征冬期施工混凝土強度的基本安全限[1-4]。目前，所有國家和國際準則、標準、規范都禁止在混凝土達到臨界強度之前受凍，但各國依據不同國情，對受凍臨界強度數值的規定大相徑庭，其范圍為從25%或30%到50%或80%fcu,k(fcu,k為混凝土立方體抗壓強度標準值)，冬期施工主要國家相關標準、規范規定的混凝土受凍臨界強度值詳見表1。我國冬期施工規程規定：采用蓄熱法、暖棚法、加熱法等施工的普通混凝土，采用硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥配制時，其受凍臨界強度不應小于設計混凝土強度等級值的30%[5]。然而受凍臨界強度不是一個定值，而是一組隨機函數，主要依據混凝土性質(普通混凝土和負溫混凝土)、養護方式、硬化溫度和使用要求來確定。隨著混凝土技術的發展及施工設備的改進，受凍臨界強度取值并非一成不變，臨界強度值的正確選擇具有重要的技術和經濟意義。

表1 各國家規范規定的混凝土受凍臨界強度[6]Table 1 Critical strength of concrete stipulated by various national codes[6]

電伴熱養護是近年來應用到冬施混凝土工程中的一種新型、綠色、高效的養護方式，可實現自動控溫、恒常溫智慧養護。國內外學者對電伴熱養護混凝土進行了一定研究，孟躍朋[7]結合北京雁棲湖國際會展中心工程，對電伴熱冬季混凝土施工養護進行理論及有限元分析，并進行相關試驗，從理論和試驗中論證了該養護方式的有效性。倪鋒[8]介紹了波羅海明珠項目,該項目采用內置電加熱養護，以確保混凝土不受凍害且滿足質量和進度要求。Lee等[9]通過試驗研究電伴熱結合泡沫板養護方式對-10 ℃下平板混凝土溫度場和強度發展的影響，結果表明該養護方式可有效防止混凝土早期凍害，滿足28 d強度要求。嚴小衛等[10]研究電伴熱+一層棉氈養護方式對日溫差為15 ℃、厚為800 mm的平板混凝土的養護效果，結果表明該養護方式可保證大溫差下混凝土養護質量，3～7 d內可達到混凝土臨界強度。

目前研究中主要側重養護效果，電伴熱預養護下混凝土的受凍臨界強度一般僅參照電加熱法取值，其合理性有待商榷，且養護機制存在較大差異。由于工程中一般采用電伴熱預養護，加速水泥水化和混凝土硬化，在達到一定強度后停止供電采用保溫覆蓋繼續養護至拆模，因此確定電伴熱養護處理下合理的受凍臨界強度和養護機制成為此類技術推廣應用的一項重要任務。本文以電伴熱預養護溫度、預養護時間為參數，對不同硬化溫度下摻加粉煤灰的普通混凝土受凍臨界強度進行試驗研究，目的是在控制成本的前提下給定電伴熱養護技術的重要施工參數，為實際應用提供有利指導。

1 實 驗

1.1 原材料及配合比

原材料：P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；張家口地區5～20 mm的連續級配碎石；中砂，細度模數為2.8；Ⅰ級粉煤灰，需水量94.5%；聚羧酸高效減水劑，粉末狀；張家口地區自來水。其中水泥的性能指標詳見表2，粉煤灰的性能指標詳見表3。

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

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

根據JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》[11]中第5節混凝土配合比計算，經過適配、調整，最終確定C30混凝土配合比詳見表4，其中粉煤灰摻量為膠凝材料總質量的19%。

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

考慮張家口地區十一月份氣溫-10 ℃左右，經熱工計算采用功率為30 W/m的低溫自限溫式電伴熱帶，其基本參數詳見表5。

表5 自限溫式電伴熱帶參數Table 5 Parameters of self-limiting electric tracing band

1.2 試驗方案

按照規范[12]制作81組立方體試塊，尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，入模溫度為10.3 ℃，坍落度為(180±10) mm。其中14組(42塊)試塊放入溫度(20±2) ℃、相對濕度95%以上的標準養護室內養護，用壓力試驗機測試養護齡期(攪拌加水開始)為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的立方體抗壓強度值，換算成標準立方體抗壓強度后記為Rx(x代表養護齡期)；另外67組(201塊)試塊進行電伴熱預養護下立方體抗壓強度試驗，其中前16組(按2種預養護溫度、8個預養護時間(6～48 h)計算)測試電伴熱預養護結束時的試塊強度。后51組(按2種預養護溫度、3種硬化溫度、8個預養護時間，外加3種硬化溫度下分別預養護0 h計算)測試混凝土養護結束(不同預養護時間，恒負溫低溫試驗箱養護7 d，之后再標準養護28 d)時的試塊強度，換算成標準立方體抗壓強度后記為R-7+28。參考電加熱法養護混凝土的溫度，見表6，設計兩種預養護溫度(40 ℃、30 ℃)機制，經過0 h、6 h、12 h、18 h、24 h、30 h、36 h、42 h和48 h不同的預養護時間，轉入不同恒負溫(-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃)低溫試驗箱中養護7 d，之后再轉標準養護室內繼續養護28 d，具體試驗設計見表7。

表6 電加熱法養護混凝土的溫度Table 6 Temperature of concrete cured by electric heating method

表7 電伴熱養護試驗設計Table 7 Test design of electric heat tracing curing

2 結果與討論

2.1 標準養護混凝土強度

C30混凝土各齡期抗壓強度詳見圖1。由圖1可知，標準養護條件下混凝土強度隨養護齡期的延長而逐漸增長。28 d齡期時混凝土強度換算成標準立方體抗壓強度為33.0 MPa，且實測對應齡期的換算強度與設計強度等級值的關系：R3=62.1%fcu,k，R7=85.0%fcu,k，R28=110.1%fcu,k。

根據強度增長值與所用齡期的比值，計算出混凝土立方體抗壓強度增長率，詳見圖2。

圖1 養護齡期-抗壓強度曲線Fig.1 Curve of curing age-compressive strength

圖2 養護齡期-抗壓強度增長率曲線Fig.2 Curve of curing age-growth rate of compressive strength

由圖2可知,前3 d混凝土強度增長率最大，3～7 d強度增長率逐漸變小，7～14 d強度仍在增長，但遠小于前3 d強度增長率，14～28 d強度增長率更小，此時強度增長率曲線幾乎與x軸相切，強度基本不再增長。

分析原因,混凝土強度由水泥水化硬化產生的水化產物膠結其他集料產生。對于一種混凝土，其他條件(水灰比、配合比、養護溫度、濕度、外加劑、摻合料等)確定不變的情況下，混凝土內水泥的水化產物隨著養護齡期的增長而越來越多，水泥水化程度越來越高，導致混凝土的抗壓強度不斷提高，混凝土強度增長率較快的齡期就應該對應著水泥水化速率較快的階段，反之增長率較慢的齡期對應水化速率較慢的階段[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之后水泥水化速度較慢。

2.2 電伴熱溫度40 ℃下混凝土強度

電伴熱預養護溫度40 ℃，預養護6 h、12 h、18 h、24 h、30 h、36 h、42 h和48 h后，對應的各個預養護齡期結束時的混凝土抗壓強度見圖3。經不同的預養護時間，硬化溫度-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃時R-7+28混凝土抗壓強度值見圖4。

圖3 養護齡期-電伴熱養護強度曲線Fig.3 Curve of curing age-electric heat tracing curing strength

圖4 不同硬化溫度下電伴熱預養護時間-抗壓強度曲線Fig.4 Curves of electric heat tracing pre-curing time-compressive strength at different hardening temperatures

由圖4可知，通過與標養條件下28 d強度的95%(早期受凍混凝土滿足后期強度要求的最低強度保證率)進行比較，結合圖3可知-5 ℃下混凝土達到受凍臨界強度時預養護時間為18 h，此時受凍臨界強度為6.6 MPa，混凝土強度隨預養護時間延長增長最快的區間在10～18 h，預養護時間超過18 h后，繼續延長預養時間對強度的影響開始減弱。-10 ℃下混凝土達到受凍臨界強度時預養護時間為24 h，此時受凍臨界強度為8.1 MPa，混凝土強度隨預養護時間延長增長最快的區間在10～20 h，預養護時間超過24 h后，繼續延長預養時間對強度的影響開始減弱。-15 ℃下混凝土達到受凍臨界強度時預養護時間為36 h，此時受凍臨界強度為12.2 MPa，混凝土強度隨預養護時間延長增長最快的區間在5～15 h，預養護時間超過36 h后，繼續延長預養護時間對強度的影響開始減弱。隨著硬化溫度的降低，不同預養護時間下對應的R-7+28抗壓強度增長率逐漸變小。

2.3 電伴熱溫度30 ℃下混凝土強度

電伴熱預養護溫度30 ℃，預養護6 h、12 h、18 h、24 h、30 h、36 h、42 h和48 h后，對應的各個預養護齡期結束時的混凝土抗壓強度見圖5。經不同的預養護時間，硬化溫度-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃時R-7+28混凝土抗壓強度值見圖6。由圖6可知：-5 ℃下混凝土達到受凍臨界強度時預養護時間為36 h，此時受凍臨界強度為14.8 MPa；-10 ℃下混凝土達到受凍臨界強度時預養護時間為42 h，此時受凍臨界強度為15.8 MPa；-15 ℃下混凝土達到受凍臨界強度時預養護時間為48 h，此時受凍臨界強度為17.8 MPa。

圖5 養護齡期-電伴熱養護強度曲線Fig.5 Curve of curing age-electric heat tracing curing strength

圖6 不同硬化溫度下電伴熱預養護時間-抗壓強度曲線Fig.6 Curves of electric heat tracing pre-curing time-compressive strength at different hardening temperatures

為測試電伴熱合適的預養護溫度，使其滿足混凝土強度快速增長的要求。根據不同預養護溫度，繪制如圖7所示的預養護齡期-抗壓強度曲線圖。根據不同預養護溫度、硬化溫度，繪制如圖8所示的電伴熱預養護48 h時R-7+28混凝土抗壓強度直方圖。

圖7 標準養護與電伴熱養護下養護齡期-抗壓強度曲線Fig.7 Curve of curing age-compressive strength under standard curing and electric heat tracing curing

圖8 電伴熱預養護48 h時R-7+28混凝土抗壓強度直方圖Fig.8 Histogram of R-7+28 concrete compressive strength for electric heat tracing pre-curing 48 h

由圖7和圖8可知,電伴熱預養護溫度40 ℃時強度增長速率反而低于養護溫度30 ℃時，且40 ℃時對應的R-7+28強度值較小。這是因為預養護溫度越高對混凝土強度增長有不利影響，尤其是升溫速度過快時，混凝土表面的水分必定會大量蒸發，導致混凝土表層水泥因缺水而水化不良；同時溫度過高，內部水泥水化速度明顯加快，可能導致水化產物分布不均勻及過多過快形成的水化產物阻礙了水泥與水的接觸，影響水泥繼續水化，使后期強度發展緩慢甚至降低，即出現強度的“交叉效應”[14-17]。此外，不論是30 ℃還是40 ℃，溫度升高均加速了大摻量粉煤灰混凝土的水化速率，提高了粉煤灰的化學活性，致密了漿體結構，使混凝土在加熱養護下的抗壓強度均大于標準養護下的抗壓強度[18-20]。

2.4 混凝土受凍臨界強度與預養護時間的關系

根據JGJ/T 104—2011《建筑工程冬期施工規程》規定，采用加熱法施工的普通混凝土，采用普通硅酸鹽水泥配制時，其受凍臨界強度≥30%fcu,k。所以C30混凝土受凍臨界強度為9.0 MPa(30 MPa×30%)。試驗研究發現,C30混凝土在40 ℃電伴熱預養護條件下經過18 h、24 h的預養時間，受凍臨界強度為6.6 MPa、8.1 MPa，即可滿足室外-5 ℃、-10 ℃的硬化溫度。說明電伴熱養護技術可以短時間內獲得強度快速增長，受凍前僅需達到6.6 MPa、8.1 MPa，即可保證后期強度發展。

不同條件下混凝土的受凍臨界強度與預養護時間詳見表8。由表8可知：電伴熱預養護溫度越高，受凍臨界強度越小，早期達到受凍臨界強度所需的預養護時間越短；硬化溫度越低，混凝土受凍臨界強度越高，相應的預養護時間會越長。

表8 混凝土受凍臨界強度與預養護時間的關系Table 8 Relationship between critical strength and pre-curing time of concrete

不同條件下混凝土受凍臨界強度與立方體抗壓強度標準值的關系見圖9。由圖9可知，采用電伴熱養護方式進行冬施普通混凝土養護時，預養護溫度40 ℃、硬化溫度≥-10 ℃時，臨界強度值可按JGJ T104—2011《建筑工程冬期施工規程》規定的≥30%fcu,k取值；預養護溫度30 ℃、硬化溫度≥-15 ℃時，臨界強度值需在規范基礎上增大20%～30%。此外結合圖8，當養護溫度升高時混凝土后期強度反而降低，且不同硬化溫度下，預養護溫度30 ℃時臨界強度值均大于30%fcu,k，所以電伴熱預養護溫度取30 ℃較為合適。

圖9 受凍臨界強度-立方體抗壓強度標準值關系圖Fig.9 Relationship between critical strength and standard value of cube compressive strength

3 結 論

本文通過試驗研究，確定了不同電伴熱預養護溫度、硬化溫度下混凝土的受凍臨界強度值和合理的最短預養護時間，可對冬期施工中應用電伴熱養護方法的混凝土工程進行指導，具體為：

(1)對于普通混凝土，電伴熱預養護溫度越高，早期受凍混凝土達到受凍臨界強度所需的預養護時間越短，受凍臨界強度值相對較低；但考慮到早期抗凍及后期強度發展要求，30 ℃時臨界強度取值較大，R-7+28強度值較大，整體養護效果要優于40 ℃養護效果。因此合理的預養護溫度取為30 ℃。

(2)電伴熱預養護溫度40 ℃，經歷不同硬化溫度后，發現硬化溫度越低對應的受凍臨界強度值越高，-5 ℃對應6.6 MPa，-10 ℃對應8.1 MPa，-15 ℃對應12.2 MPa，且臨界強度的取值基本符合我國規范規定的≥30%fcu,k要求；電伴熱預養護溫度30 ℃，經歷不同硬化溫度后，規律相同，-5 ℃對應14.8 MPa，-10 ℃對應15.8 MPa，-15 ℃對應17.8 MPa，此時臨界強度的取值需在我國規范規定的基礎上增大20%～30%。

(3)試驗得出混凝土合理的預養護時間，40 ℃時對應硬化溫度由高到低為18 h、24 h、36 h,30 ℃時對應硬化溫度由高到低為36 h、42 h、48 h。以上室內試驗結果表明，當硬化溫度不低于-15 ℃時，分別采用40 ℃、30 ℃預養護溫度，功率30 W/m的電伴熱帶至多需要通電預養護2 d就能保證混凝土后期強度,但具體工程可根據現場環境溫度及外保溫材料在此基礎上適當增減預養護時長。