摘要：
防冻混凝土是冬期混凝土施工中常见的混凝土。在冬期，混凝土要免于冻害，必须达到一定的强度。找到达到这个强度所需的时间，对于指导混凝土配合比设计和混凝土施工有着重要的意义。我们试验的目的是建立强度时间关系曲线，探讨室温下防冻混凝土达到临界强度的时间。
关键词：
冬期混凝土施工 室温 临界强度 临界强度时间
The time of critical strength for concrete at ambient temperature
Zhangtianliang
（Shandong tiezheng project test center）
Abstract:
Anti-freezing concrete is very common in winter construction. The concrete must have enough strength before frozen. It is very important for concrete designer and for concrete construction to know the time of the concrete grows this critical strength. We do the test, in order to find out the relative between strength and time of anti-freezing concrete at ambient temperature.
Key words:
Concrete construction in winter ambient temperature critical strength time of critical strength
一、 前言
依据气象资料：室外日平均气温连续5天低于5℃进行混凝土和钢筋混凝土施工，称为冬期施工。随着交通、建筑工程的不断发展，工期的要求，冬季条件下进行混凝土施工已很普遍。
冬季施工的混凝土在受冻之前，混凝土应该具有足够的强度才能免于受害。一般地对于硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥配制的混凝土，受冻前的抗压强度应达到设计强度的30%；矿渣硅酸盐水泥配制的混凝土应为设计强度的40%；而对于强度等级为10MPa或以下的混凝土，则要求不低于5.0MPa（未掺防冻剂的普通混凝土）。掺防冻剂的混凝土，当室外最低气温不低于-15℃时不低于4.0MPa；当室外最低气温不低于-30℃时不低于5.0MPa。
临界强度是新拌混凝土在受冻后再恢复正温养护，混凝土强度可继续增长并达到设计强度的95%以上时，所需的初始强度。换而言之，混凝土要想不发生冻害，必须使混凝土内部结构发展所具有的强度大等于于冰晶膨胀而产生的破坏应力，这个强度就是临界强度。影响这个临界强度的因素很多：水泥的品种、等级；混凝土的强度等级；防冻剂的种类和掺量等等。在室温（20±5℃）条件下，达到这个强度（一般5MPa）究竟需要多长时间？为此，我们进行如下的试验。
二、试验所用的材料：
1、水泥：山铝水泥厂生产P.O32.5R、P.O42.5R、 P.O52.5R、水泥。其品质指标见下表：
|
厂家 |
等级 |
细度% |
标准稠度% |
安定性 |
凝结时间（min） |
强度(MPa) | ||||
|
抗折 |
抗压 | |||||||||
|
初凝 |
终凝 |
3d |
28d |
3d |
28d | |||||
|
山铝水泥厂 |
P.O32.5R |
2.8 |
28.2 |
合格 |
185 |
220 |
4.2 |
7.9 |
17.4 |
38.0 |
|
P.O42.5R |
3..2 |
27.2 |
合格 |
170 |
205 |
5.1 |
7.7 |
24.8 |
46.4 | |
|
P.O52.5R |
1.2 |
26.4 |
合格 |
145 |
190 |
5.2 |
8.2 |
28.6 |
56.0 | |
2）、碎石
淄博边河石厂的5—25mm的碎石，其品质指标如下：
|
产地 |
规格 |
含泥量
% |
泥块含量
% |
针片状含量
% |
压碎值
% |
碱活性 |
堆积密度
kg/m3 |
表观密度
kg/m3 |
空隙率 |
|
淄博边河石厂 |
5—25 |
0.1 |
0 |
4.0 |
13.2 |
无 |
1470 |
2700 |
46 |
碎石的级配筛分
3）、砂子：潍坊维河河砂，其品质指标如下：
|
产地 |
细度模数 |
含泥量% |
泥块含量% |
堆积密度kg/m3 |
表观密度kg/m3 |
空隙率 |
|
维河 |
3 |
0.3 |
0.1 |
1550 |
2610 |
41 |
砂子的级配筛分：
4）、防冻剂的品质指标：
|
厂家 |
状态 |
细度（粉状） |
固含量%（液体） |
类型% |
PH |
掺量% |
抗压强度比% |
|
山东华伟银凯 |
粉状 |
8.6 |
/ |
/ |
7.8 |
3-5 |
95 |
5）拌合水的品质指标
|
产地 |
PH值 |
不溶物，mg/L |
可溶物，mg/L |
Cl-，mg/L |
SO42-，mg/L |
当量Na2O, mg/L |
|
济南 |
7.01 |
116 |
104 |
140.92 |
324.34 |
11.42 |
三、混凝土的配合比及试配
|
等级类别
项目 |
C20 |
C25 |
C30 |
C50 | |||||||||
|
基准砼 |
受检砼 |
基准砼 |
受检砼 |
基准砼 |
受检砼 |
基准砼 |
受检砼 | ||||||
|
水泥等级 |
P.O32.5R |
P.O32.5R |
P.O42.5R |
P.O52.5R | |||||||||
|
砂率sp% |
38 |
37 |
36 |
35 | |||||||||
|
设计坍落度mm |
70—90 | ||||||||||||
|
水灰比w/c |
0.55 |
0.47 |
0.53 |
0.40 | |||||||||
|
水泥 |
382 |
447 |
396 |
525 | |||||||||
|
砂子 |
687 |
645 |
653 |
600 | |||||||||
|
碎石 |
1121 |
1098 |
1161 |
1115 | |||||||||
|
水 |
210 |
210 |
210 |
210 | |||||||||
|
防冻剂 |
/ |
4% |
/ |
4% |
/ |
4% |
/ |
4% | |||||
|
含气量% |
0.7 |
0.9 |
1.0 |
1.2 |
0.65 |
1.2 |
1.5 |
2.9 | |||||
|
容重kg/m3 |
2370 |
2390 |
2410 |
2405 |
2420 |
2425 |
2420 |
2410 | |||||
|
坍落度mm |
90 |
130 |
85 |
80 |
100 |
150 |
65 |
110 | |||||
四、试验结果分析试验
4.1早期混凝土强度试验结果：根据试验情况，我们得出室温状态下混凝土强度发展情况如下表：
室温状态下混凝土强度发展情况
|
水泥
品级 |
W/C |
混凝土
类别 |
项次 |
硬化时间{h } | ||||||||||||||
|
8 |
10 |
12 |
14 |
16 |
18 |
20 |
22 |
24 |
28 |
32 |
36 |
40 |
44 |
48 | ||||
|
P.O
32.5R |
0.55 |
基准混凝土 |
强度Mpa |
/ |
0.86 |
2.59 |
4.03 |
5.18 |
6.05 |
6.91 |
7.49 |
8.06 |
9.22 |
10.0 |
10.4 |
10.7 |
11.0 |
11.5 |
|
强度百分比% |
/ |
3 |
9 |
14 |
18 |
21 |
24 |
26 |
28 |
32 |
34.9 |
36.0 |
37.0 |
38.1 |
40 | |||
|
防冻剂混凝土 |
强度Mpa |
/ |
1.2 |
3.53 |
5.29 |
7.06 |
8.23 |
9.41 |
10.6 |
11.2 |
12.3 |
12.9 |
13.1 |
13.2 |
13.4 |
13.8 | ||
|
强度百分比% |
/ |
4 |
12 |
18 |
24 |
28 |
32 |
36 |
38 |
42 |
43.9 |
44.5 |
45.0 |
45.5 |
47 | |||
|
0.47 |
基准混凝土 |
强度Mpa |
/ |
1.4 |
3.03 |
5.39 |
5.73 |
6.07 |
7.41 |
11.8 |
12.8 |
14.2 |
14.8 |
15.2 |
15.2 |
15.5 |
15.7 | |
|
强度百分比% |
/ |
4.2 |
9 |
16 |
23 |
18 |
32 |
35 |
38 |
42 |
44 |
44.9 |
45.2 |
46 |
46.5 | |||
|
防冻剂混凝土 |
强度Mpa |
/ |
4.54 |
5.82 |
7.7 |
9.8 |
11.4 |
12.5 |
13.5 |
14.1 |
15.6 |
16.4 |
16.8 |
17.3 |
17.7 |
18.1 | ||
|
强度百分比% |
/ |
4.8 |
15 |
24 |
30.5 |
35.5 |
39 |
42 |
44.5 |
48.5 |
51 |
52.5 |
54 |
55 |
56.5 | |||
|
P.O
42.5R |
0.53 |
基准混凝土 |
强度Mpa |
/ |
2.2 |
2.65 |
4.8 |
6.5 |
7.94 |
8.6 |
10.3 |
10.9 |
12.4 |
13.4 |
14.1 |
14.6 |
15.2 |
15.9 |
|
强度百分比% |
/ |
6.6 |
8 |
14.5 |
19.5 |
24 |
38 |
31 |
33 |
37.5 |
40.5 |
42.5 |
44 |
46 |
48 | |||
|
防冻剂混凝土 |
强度Mpa |
/ |
2.8 |
4.4 |
7.3 |
9.5 |
10.9 |
12.2 |
13.4 |
14.3 |
15.8 |
16.8 |
17.3 |
17.6 |
17.9 |
18.3 | ||
|
强度百分比% |
/ |
8.6 |
13.5 |
22.5 |
29 |
33.5 |
37.5 |
41 |
44 |
48.5 |
51.5 |
53 |
54 |
55 |
56 | |||
|
P.O
52.5R |
0.40 |
基准混凝土 |
强度Mpa |
4 |
10.5 |
14.5 |
17.5 |
20 |
22 |
23.8 |
25 |
26.5 |
28.5 |
29.8 |
30.5 |
31.5 |
32.5 |
33 |
|
强度百分比% |
8 |
21 |
29 |
35 |
40 |
44 |
47.5 |
50 |
53 |
57 |
59.5 |
61 |
63 |
65 |
66 | |||
|
防冻剂混凝土 |
强度Mpa |
8.8 |
14.4 |
17.8 |
20.5 |
22.1 |
23.7 |
24.9 |
25.9 |
26.5 |
27.7 |
28.3 |
28.7 |
29.5 |
30.1 |
30.5 | ||
|
强度% |
22 |
36 |
44.5 |
51 |
55 |
59 |
62 |
64.5 |
66 |
69 |
70.5 |
71.5 |
73.5 |
75 |
76 | |||
(一)混凝土的凝结时间：
对于试验中的W/C=0.55空白混凝土：将混凝土拌和物过5mm圆孔筛，筛出砂浆，人工翻拌后装入试模内整平砂浆表面，并低于试模上沿约10mm，盖上湿布或玻璃片，静止吸水后测定混凝土的砂浆的凝结时间。试验结果如下：
|
测针面积mm2 |
贯入阻力N |
压强MPa |
实测阻力N |
实测压强MPa |
时间min |
|
100 |
20～350 |
0.2～3.5 |
274 |
2.74 |
270 |
|
335 |
3.35 |
395 | |||
|
50 |
175～1000 |
3.5～20.0 |
398 |
7.96 |
440 |
|
468 |
9.36 |
475 | |||
|
20 |
400～560 |
20.0～28.0 |
485 |
24.3 |
490 |
|
536 |
26.8 |
510 | |||
|
570 |
28.5 |
560 |
|
时间h |
10 |
12 |
14 |
16 |
18 |
20 |
22 |
24 |
28 |
32 |
36 |
40 |
44 |
48 |
|
强度
（MPa |
0.86 |
2.59 |
4.03 |
5.18 |
6.05 |
6.91 |
7.49 |
8.06 |
9.22 |
10.0 |
10.4 |
10.7 |
11.0 |
11.5 |
由上图知强度在28MPa时对应得时间约为540min，也就是说对于试验中的W/C=0.55得空白混凝土，他得终凝时间约是540 min即9h。混凝土得强度从9h后才开始表现出来。设强度与龄期的关系为：Y=a+blnX ，利用最小二乘法进行强度和时间的线形回归，得到系数a= 1/n(ΣYi)- a/n(ΣXi) =-13.49 b= LXY / LXX = 6.64 相关系数r= 0.988 即 ：R=6.64lnT-13.49
达到临界强度5MPa所需时间：5=6.64 lnT-13.49（基准），T=16.2
P.O32.5R水泥W/C=0.55,基准混凝土强度发展曲线
对于试验一中W/C=0.55掺防冻剂混凝土的强度结果，利用最小二乘法进行强度和时间回归：设强度与时间的关系是Y=a+blnX, a= LXY / LXX= -15.11 b= 1/n(ΣYi)- a/n(ΣXi)= 7.87 相关系数r= 0.962 即 ：R=7.87lnT-15.11（掺防冻剂）; 5=7.87lnT-15.11（掺防冻剂）T=13h
（3）对于试验中的W/C=0.47空白混凝土的强度结果，
利用最小二乘法进行强度和时间的线形回归：设强度与时间的关系是Y=a+blnX,
|
时间h |
10 |
12 |
14 |
16 |
18 |
20 |
22 |
24 |
28 |
32 |
36 |
40 |
44 |
48 |
|
强度
（MPa |
1.4 |
3.03 |
5.39 |
5.73 |
6.07 |
7.41 |
11.8 |
12.8 |
14.2 |
14.8 |
15.2 |
15.2 |
15.5 |
15.7 |
利用最小二乘法进行强度和时间的线形回归，得到系数a= 1/n(ΣYi)- a/n(ΣXi) =-21.475 b= LXY / LXX = 10.1 相关系数r= 0.962 即 ：R=10.1lnT-21.475达到临界强度5MPa所需时间：5=10.1 lnT-21.475 T=13.7h
|
时间h |
10 |
12 |
14 |
16 |
18 |
20 |
22 |
24 |
28 |
32 |
36 |
40 |
44 |
48 |
|
强度
（MPa |
4.54 |
5.82 |
7.7 |
9.8 |
11.4 |
12.5 |
13.5 |
14.1 |
15.6 |
16.4 |
16.8 |
17.3 |
17.7 |
18.1 |
（4）对于试验中W/C=0.47掺防冻剂混凝土的强度结果，利用最小二乘法进行强度和时间的线形回归：设强度与时间的关系是Y=a+blnX,
a = 1/n(ΣYi)- a/n(ΣXi) = -18.28 b = LXY / LXX =9.816
即：R =9.816lnT-18.28
相关系数r= LXY /（ LXX×LYY）1/2=0.96121。达到5临界强度5MPa所需时间：5=9.816lnT-18.28，T=11
（5）对于试验中的P.O42.5R水泥W/C=0.53空白混凝土的强度结果，利用最小二乘法进行强度和时间的线形回归：设强度与时间的关系是Y= a+blnX,
|
时间h |
10 |
12 |
14 |
16 |
18 |
20 |
22 |
24 |
28 |
32 |
36 |
40 |
44 |
48 |
|
强度
（MPa |
2.2 |
2.65 |
4.8 |
6.5 |
7.94 |
8.6 |
10.3 |
10.9 |
12.4 |
13.4 |
14.1 |
14.6 |
15.2 |
15.9 |
a = 1/n(ΣYi)- a/n(ΣXi) = -19.15 b = LXY / LXX =9.252
即：R =9.252lnT-19.15
相关系数r= LXY /（ LXX×LYY）1/2=0.9991。达到5临界强度5MPa所需时间：5=9.252lnT-19.15 T=14
P.O42.5R水泥W/C=0.53基准混凝土强度发展曲线
（6）对于试验中W/C=0.53掺防冻剂混凝土的强度结果，利用最小二乘法进行强度和时间的线形回归：设强度与时间的关系是Y= a+blnX,
|
时间h |
10 |
12 |
14 |
16 |
18 |
20 |
22 |
24 |
28 |
32 |
36 |
40 |
44 |
48 |
|
强度
（MPa |
2.8 |
4.4 |
7.3 |
9.5 |
10.9 |
12.2 |
13.4 |
14.3 |
15.8 |
16.8 |
17.3 |
17.6 |
17.9 |
18.3 |
a =1/n(ΣYi)- a/n(ΣXi) = -21.11 b = LXY / LXX =10。1818
即：R =10。1818lnT-21.11
达到5临界强度5MPa所需时间：5=10。1818lnT-19.33，T=13h
相关系数r= LXY /（ LXX×LYY）1/2= 0。9741
P.O42.5R水泥W/C=0.53,掺防冻剂混凝土强度发展曲线
（7）、对于试验中W/C=0.40不掺防冻剂混凝土的强度结果，利用最小二乘法进行强度和时间的线形回归：设强度与时间的关系是Y= a+blnX,
|
时间h |
8 |
10 |
12 |
14 |
16 |
18 |
20 |
22 |
24 |
28 |
32 |
36 |
40 |
44 |
48 |
|
强度
（MPa |
4 |
10.5 |
14.5 |
17.5 |
20 |
22 |
23.8 |
25 |
26.5 |
28.5 |
29.8 |
30.5 |
31.5 |
32.5 |
33 |
b = LXY / LXX= 15.3
a =1/n(ΣYi)- a/n(ΣXi)=-23.8即：R =15.3 lnT-23.8
达到5临界强度5MPa所需时间：5=15.3lnT-23.8，T=6.5h
相关系数r= LXY /（ LXX×LYY）1/2= 0.9793175
P.O52.5R水泥W/C=0.40基准混凝土强度发展曲线
（8）对于试验中W/C=0.40掺防冻剂混凝土的强度结果，利用最小二乘法进行强度和时间的线形回归：设强度与时间的关系是Y= a+blnX,
|
时间h |
8 |
10 |
12 |
14 |
16 |
18 |
20 |
22 |
24 |
28 |
32 |
36 |
40 |
44 |
48 |
|
强度
（MPa |
8.8 |
14.4 |
17.8 |
20.5 |
22.1 |
23.7 |
24.9 |
25.9 |
26.5 |
27.7 |
28.3 |
28.7 |
29.5 |
30.1 |
30.5 |
b = LXY / LXX=10.9 ；a =1/n(ΣYi)- a/n(ΣXi)=-9.617即：R =10.9 lnT-9.617
达到5临界强度5MPa所需时间：5=10.9lnT-9.617，T=4h；相关系数r= LXY /（ LXX×LYY）1/2= 0.958329
P.O52.5R水泥W/C=0.40掺防冻剂混凝土强度发展曲线
五、结论
综上所述，混凝土达到5MPa实测、趋势线及理论所需时间汇总于下表：
|
水泥
等级 |
W/C |
强度百分比% |
实测线达到5MPa所需时间h |
趋势线达到5MPa所需时间h |
数学模型 |
理论达到5MPa所需时间h | |
|
P.O32.5R |
0.55 |
基准混凝土 |
17.4 |
15 |
13.1 |
R=6.64lnT-13.49 |
16 |
|
掺防冻剂混凝土 |
13.6 |
10.5 |
R=7.87lnT-15.11 |
13 | |||
|
0.47 |
基准混凝土 |
15.1 |
13.6 |
9.2 |
R=10.1lnT-21.475 |
13．7 | |
|
掺防冻剂混凝土 |
12 |
8.5 |
R =9.816lnT-18.28
|
11 | |||
|
P.O42.5R |
0.53 |
基准混凝土 |
13.1 |
13.5 |
10 |
R =9.252lnT-19.15 |
14 |
|
掺防冻剂混凝土 |
12 |
8.1 |
R =10。1818lnT-21.11 |
13 | |||
|
P.O52.5R |
0.40 |
基准混凝土 |
8.3 |
8 |
4.8 |
R =15.3 lnT-23.8
|
6．5 |
|
掺防冻剂混凝土 |
7 |
3.9 |
R =10.9 lnT-9.617
|
4 | |||
由数学模型以及试验结果可知，
1、混凝土达到5MPa所需的时间，由最小二乘法线形回归所得的关系式，虽然相关性都很好，但由于受试验组数的限制，所得计算结果与实际试验测的时间有些出入。但试验结果对于掌握混凝土在室温条件下达到临界强度（5MP）的时间的探讨起到了很好的指导作用。试验结果告诉我们，无论基准混凝土还是掺防冻剂的混凝土，也无论是低标号混凝土还是高标号的 混凝土，只要保证16h的室温养护，强度都能达到5MPa的临界强度。
2、混凝土的强度增长快慢受多种因素的制约，水泥的品种、等级；防冻剂的种类掺量以及有效成分的含量大小；混凝土掺合料的有无以及掺量的多少；混凝土的强度等级等等都是影响混凝土强度增长的因素。不同的防冻剂、不同防冻剂的掺量、不同的水泥配出的混凝土，其达到临界强度的时间也不相同。因此临界强度时间应该是一范围，不应该是一个确定的定值。
3、本次试验仅仅是一个开端，对于掺防冻剂混凝土的研究，还需要加深。
参考文献：
1、《建筑工程冬期施工规程》JGJ104-97
2、《铁路混凝土与砌体工程施工规范》TB10210-2001
3、《混凝土外加剂应用技术规范》（GB50119）
