趙文斌，劉建勛，張戎令,2，孫照玉,康 健

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，蘭州 730070；2.道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730070)

?

強(qiáng)風(fēng)、干寒、大溫差地區(qū)混凝土蒸汽養(yǎng)護(hù)與強(qiáng)度變化的規(guī)律

趙文斌1，劉建勛1，張戎令1,2，孫照玉1,康 健1

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，蘭州 730070；2.道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730070)

為研究強(qiáng)風(fēng)、干寒、大溫差地區(qū)混凝土合理的養(yǎng)護(hù)方式，對試驗(yàn)原材料進(jìn)行了測試，同時(shí)分別進(jìn)行了一般保溫養(yǎng)護(hù)和蒸汽養(yǎng)護(hù)后混凝土強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律及不同蒸養(yǎng)天數(shù)下(3 d、4 d、5 d、6 d、7 d)混凝土強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律。通過實(shí)驗(yàn)的測定分析出一般保溫措施和蒸汽養(yǎng)護(hù)的區(qū)別且得到合理的養(yǎng)護(hù)措施，根據(jù)混凝土在蒸養(yǎng)天數(shù)不同齡期下(3 d、5 d、7 d、14 d、28 d、56 d)的強(qiáng)度變化曲線，來確定相關(guān)參數(shù)，進(jìn)而確定不同蒸養(yǎng)天數(shù)下混凝土強(qiáng)度計(jì)算模型，然后對計(jì)算模型通過不同數(shù)理指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)驗(yàn)證了計(jì)算公式的實(shí)用性。

強(qiáng)風(fēng)干寒； 混凝土強(qiáng)度； 蒸汽養(yǎng)護(hù)； 公式擬合

1 引 言

隨著西北地區(qū)的不斷發(fā)展，國家和地方政府在甘肅已投入大量資金進(jìn)行交通建設(shè)，而這些線路的大多區(qū)段直接穿越大風(fēng)、干寒、晝夜大溫差地區(qū)，這些地區(qū)在9月份到第二年5月份夜間溫度達(dá)到0 ℃以下，濕度小于30%。因而對于這些地區(qū)施工完成的預(yù)制混凝土公路箱梁在拆模前后選擇何種養(yǎng)護(hù)方式保證混凝土的各項(xiàng)性能是非常重要的。

混凝土性能主要由混凝土組分、混凝土配制和混凝土養(yǎng)護(hù)等因素決定[1]。在原材料、配合比和施工工藝一定的情況下，混凝土的養(yǎng)護(hù)，特別是早期的養(yǎng)護(hù)方式、養(yǎng)護(hù)溫度、養(yǎng)護(hù)濕度、養(yǎng)護(hù)時(shí)間等的控制，對混凝土水化硬化程度、強(qiáng)度發(fā)展、耐久性等均有著重要影響[2,3]。養(yǎng)護(hù)溫度對混凝土的早期性能的發(fā)展速度有很大的影響[4-6]。一般來說,養(yǎng)護(hù)溫度越高,強(qiáng)度發(fā)展越快。研究表明[5]當(dāng)溫度低于某一限值時(shí),水泥水化反應(yīng)將不再進(jìn)行,混凝土強(qiáng)度停止發(fā)展,這個(gè)溫度在-10 ℃左右。實(shí)際上,在溫度低于0 ℃的情況下,混凝土中的水分己經(jīng)開始結(jié)冰,這將導(dǎo)致混凝土的冰凍損傷。同時(shí)早期的混凝土所處的環(huán)境沒有保持充分的濕度,可能造成混凝土中水分大量蒸發(fā),其后果：一方面因干燥失水而影響水泥繼續(xù)水化；另一方面混凝土干燥收縮加大,使混凝土在低強(qiáng)度狀態(tài)下承受收縮引起的拉應(yīng)力,導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)早期裂縫[7]。因此在這種晝夜溫差大、低溫在零度以下地區(qū)，更多去選擇蒸汽養(yǎng)護(hù)保證混凝土在前期養(yǎng)護(hù)過程中對于溫度和濕度的要求，從而才能保證其強(qiáng)度及各項(xiàng)性能。

舒志堅(jiān)[8]學(xué)者對于早期不同養(yǎng)護(hù)方式下混凝土各項(xiàng)性能做出了詳細(xì)的研究，同時(shí)王鐵夢[9]對于不同等級的混凝土在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律給出了計(jì)算公式，周立霞[10]對于西北戈壁地區(qū)混凝土的耐久性做出了詳細(xì)的研究。而對于在這種強(qiáng)風(fēng)、干旱、大溫差地區(qū)混凝土在蒸汽養(yǎng)生的養(yǎng)護(hù)方式下，其早期強(qiáng)度的變化規(guī)律研究較少，同時(shí)蒸汽養(yǎng)護(hù)需要大量的資金投入，如何在這種環(huán)境下合理選擇蒸養(yǎng)天數(shù)，為施工節(jié)約成本及時(shí)間也是非常重要的。因此對于強(qiáng)風(fēng)、干寒、大溫差地區(qū)混凝土蒸汽養(yǎng)護(hù)與強(qiáng)度變化規(guī)律的研究有其必要性。

2 試 驗(yàn)

2.1 工程背景

白明高速，主線起點(diǎn)為內(nèi)蒙與甘肅交界的白疙瘩，至終點(diǎn)甘肅與新疆交界的明水附近。BM01合同段起訖樁號：K1808+000.0-K1822+000,全長13.92912 km，共設(shè)置大、中橋3座，涵洞14道，通道10處。設(shè)計(jì)采用高性能混凝土，設(shè)計(jì)年限100年,標(biāo)段內(nèi)風(fēng)速≥7 m/s，常年有強(qiáng)風(fēng)，晝夜溫差大，濕度常年低于35%。

2.2 混凝土配合

試驗(yàn)所使用的混凝土配合比見表1。

表1 混凝土配合比(C50)Tab.1 Concrete mix proportion

2.3 試驗(yàn)材料檢測結(jié)果

試驗(yàn)中各項(xiàng)材料性能檢測結(jié)果見表2～5。

表2 水泥檢性能指標(biāo)Tab.2 Cement performance index

表3 粗骨料的性能指標(biāo)Tab.3 Coarse aggregate performance index

表4 細(xì)骨料的性能指標(biāo)Tab.4 Fine aggregate performance index

表5 水的性能指標(biāo)Tab.5 Water performance index

2.4 試驗(yàn)方案

(1)根據(jù)現(xiàn)場的氣候條件和地理?xiàng)l件選擇蒸汽養(yǎng)護(hù)，測試混凝土在不同蒸養(yǎng)天數(shù)(3 d、4 d、5 d、6 d、7 d)下，在齡期3 d、5 d、7 d、14 d、28 d、56 d的抗壓強(qiáng)度。

(2)測試標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下混凝土在3 d、5 d、7 d、14 d、28 d、56 d抗壓強(qiáng)度，養(yǎng)護(hù)28 d。

(3)測試一組土工布養(yǎng)護(hù)下混凝土在3 d、5 d、7 d、14 d、28 d、56 d抗壓強(qiáng)度(土工布養(yǎng)護(hù)：將預(yù)制好的混凝土試塊放于大氣之中，用土工布覆蓋，定時(shí)灑水,土工布可以有一定程度的保溫和保濕效果)，用于驗(yàn)證一般養(yǎng)護(hù)條件下混凝土的抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律。

(4)混凝土所有的測試齡期都是從養(yǎng)護(hù)開始，達(dá)到蒸養(yǎng)天數(shù)后將混凝土試塊置于大氣之中，養(yǎng)護(hù)方式都選擇同條件蒸養(yǎng)，見圖1。

圖1 蒸汽養(yǎng)生棚Fig.1 Steam curing shed

2.5 試驗(yàn)方法

參與試驗(yàn)的各組混凝土試塊都是根據(jù)表1中的配合比一次性制作，試塊尺寸為150×150×150 mm立方體，根據(jù)(GB/T50081-2002)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測試各凝期混凝土試塊強(qiáng)度。

共三組試件：

第一組(AZ)是于2015年9月制作完成，共計(jì)90個(gè)試塊。主要用于測試5種不同蒸養(yǎng)天數(shù)(3 d、4 d、5 d、6 d、7 d)下早期6個(gè)養(yǎng)護(hù)齡期(3 d、5 d、7 d、14 d、28 d、56 d)混凝土立方體的抗壓強(qiáng)度。

第二組(CZ)是于2015年10月制作完成，共計(jì)90個(gè)試塊。主要用于測試5種不同蒸養(yǎng)天數(shù)下早期6個(gè)養(yǎng)護(hù)齡期(3 d、5 d、7 d、14 d、28 d、56 d)混凝土立方體的抗壓強(qiáng)度，最終用于驗(yàn)證不同蒸養(yǎng)天數(shù)下混凝土強(qiáng)度計(jì)算公式的實(shí)用性。

第三組(BZ)是于2015年9月制作，共計(jì)36個(gè)試塊。主要用于測試標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下和土工布養(yǎng)護(hù)混凝土在6個(gè)齡期(3 d、5 d、7 d、14 d、28 d、56 d)的立方體抗壓強(qiáng)度,用于與其它養(yǎng)護(hù)方式做對比研究。

以上試件制作的采用表2～5相同的原材料和表1相同的配合比，本篇文章都是以C50混凝土為研究對象。

3 結(jié)果與討論

3.1 混凝土不同齡期抗壓強(qiáng)度值

試驗(yàn)所使用C50混凝土強(qiáng)度測試結(jié)果見表6。

表6 混凝土強(qiáng)度測試值(C50)Tab.6 Water performance index(C50)

3.2 蒸汽養(yǎng)護(hù)的必要性分析

圖2 土工布養(yǎng)護(hù)與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)對比圖Fig.2 Geotextile curing and standard curing contrast

圖3 不同蒸養(yǎng)天數(shù)下混凝土早期強(qiáng)度增長規(guī)律Fig.3 The early strength of concrete under different pipe days growth rule.

從圖2可清楚地分析出在這種即可保溫保濕的土工布養(yǎng)護(hù)下混凝土28 d的強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，而且前期強(qiáng)度甚至低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下混凝土的20%。因此選擇蒸汽養(yǎng)護(hù)是必要的，可以滿足混凝土養(yǎng)護(hù)濕度及溫度的要求。

3.3 不同蒸養(yǎng)天數(shù)下混凝土強(qiáng)度數(shù)據(jù)分析

(1)從圖3可以分析出蒸養(yǎng)3 d、4 d混凝土28 d強(qiáng)度是達(dá)不到50 MPa，蒸養(yǎng)3 d及4 d是不合理的。

(2)從圖3可以看出隨著蒸養(yǎng)天數(shù)的增加，混凝土強(qiáng)度隨之增加。混凝土強(qiáng)度在三天齡期時(shí)都達(dá)到了混凝土28 d強(qiáng)度的60%，甚至超過了60%。7 d的強(qiáng)度在養(yǎng)護(hù)了7 d的齡期下，混凝土的強(qiáng)度達(dá)到了28 d強(qiáng)度，其它養(yǎng)護(hù)天數(shù)下都超過了28 d強(qiáng)度的90%。

(3)從圖3可以分析出在混凝土的早齡期(特別是在前7 d)，其水化反應(yīng)非?；钴S，性能也發(fā)生顯著的變化，此階段是混凝土立方體抗壓強(qiáng)度發(fā)展的重要階段，在工程中應(yīng)給予足夠的重視。在蒸汽養(yǎng)護(hù)7 d時(shí)，混凝土的強(qiáng)度可達(dá)到50 MPa，以標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d強(qiáng)度為基準(zhǔn)，蒸汽養(yǎng)護(hù)3 d、4 d、5 d、6 d、7 d在28 d齡期時(shí)分別下降了11.37%、10.67%、3.7%、1.2%、0.6%。

3.3.1 曲線擬合

對表6數(shù)據(jù)的分析得出，只需要擬合養(yǎng)護(hù)5 d、6 d、7 d的混凝土強(qiáng)度強(qiáng)度增長曲線。選擇數(shù)學(xué)模型

Y=A·ln(B·ln(x))

，

(x≤60 d)具體不同蒸汽養(yǎng)護(hù)天數(shù)下的強(qiáng)度計(jì)算公式見圖4～6。

圖4 蒸汽養(yǎng)護(hù)5 d強(qiáng)度變化規(guī)律 Fig.4 Strength change law steam curing 5 d

圖5 蒸汽養(yǎng)護(hù)6 d強(qiáng)度變化規(guī)律Fig.5 Strength change law steam curing 6 d

圖6 蒸汽養(yǎng)護(hù)7 d強(qiáng)度變化規(guī)律Fig.6 Strength change law steam curing 7 d

3.3.2 擬合公式誤差分析

擬合公式誤差分析結(jié)果見表7。

表7 各項(xiàng)指標(biāo)分析Tab.7 Analysis of the indicators

從以上參數(shù)的分析，a及b的誤差滿足要求，而且R2均大于0.95，說明曲線擬合結(jié)果非常接近實(shí)際的變化曲線。(公式：y=a·ln(b·ln(x)))

3.3.3 驗(yàn)證擬合公式的實(shí)用性

為驗(yàn)證公式的實(shí)用性，采用表6的試驗(yàn)值與表7中公式的計(jì)算值相比較,其中公式中28 d強(qiáng)度選用表6的數(shù)據(jù)。采用三個(gè)數(shù)理指標(biāo)[11]：n為試驗(yàn)個(gè)數(shù)；μ為平均數(shù)，

具體見圖7～9。

圖7 蒸養(yǎng)5 d試驗(yàn)值與計(jì)算值比值 Fig.7 Curves of experiment value and AZ,BZ for steam curing 5 d

圖8 蒸養(yǎng)6 d試驗(yàn)值與計(jì)算值比值 Fig.8 Curves of experiment value and AZ,BZ for steam curing 6 d

圖9 蒸養(yǎng)7 d試驗(yàn)值與計(jì)算值比值Fig.9 Curves of experiment value and AZ,BZ for steam curing 7 d

(1)對圖7分析，由n=12，μ=1.0039，σ=0.0295，δ=0.0294三個(gè)數(shù)理指標(biāo)可知計(jì)算值與試驗(yàn)值符合較好。取28 d的強(qiáng)度的為基準(zhǔn)，第一組和第二組實(shí)驗(yàn)值分別是計(jì)算值的98.23%和95.2%。

(2)對圖8分析，由n=12，μ=0.9983，σ=0.0248，δ=0.0249三個(gè)數(shù)理指標(biāo)可知計(jì)算值與試驗(yàn)值符合較好。取28 d的強(qiáng)度的為基準(zhǔn)，第一組和第二組實(shí)驗(yàn)值分別是計(jì)算值的99.07%和95.85%。

(3)對圖9分析，由n=12，μ=1.0007，σ=0.0355，δ=0.0356三個(gè)數(shù)理指標(biāo)可知計(jì)算值與試驗(yàn)值符合較好。取28 d的強(qiáng)度的為基準(zhǔn)，第一組和第二組實(shí)驗(yàn)值分別是計(jì)算值的98.88%和99.34%。

施工過程中，由于各種原因?qū)е率┕r(shí)間緊迫，而混凝土預(yù)制構(gòu)件達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的時(shí)間嚴(yán)重影響整個(gè)施工進(jìn)度，有時(shí)候需要混凝土預(yù)制構(gòu)件在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到要求的強(qiáng)度，例如預(yù)應(yīng)力張拉等。此時(shí)，可以利用我們擬合得到的混凝土強(qiáng)度計(jì)算公式根據(jù)要求的時(shí)間和強(qiáng)度反推需要養(yǎng)護(hù)的時(shí)間，這樣為整個(gè)施工過程節(jié)省了時(shí)間。同時(shí)，由于蒸汽養(yǎng)護(hù)的費(fèi)用較高，在不做時(shí)間要求的情況下，選擇合理的時(shí)間，可以為工程本身節(jié)省資金。

4 結(jié) 論

(1)在強(qiáng)風(fēng)、干寒、大溫差地區(qū)一般的養(yǎng)護(hù)方式難以保證混凝土的各項(xiàng)性能，而一般保溫措施只能達(dá)到28 d強(qiáng)度的89%，因此應(yīng)該選擇合理的養(yǎng)護(hù)方式，如蒸汽養(yǎng)護(hù)(28 d強(qiáng)度為55 MPa)等；

(2)給出了在強(qiáng)風(fēng)、干寒、大溫差地區(qū)澆筑后的混凝土選擇蒸汽養(yǎng)護(hù)的合理天數(shù)，以及在蒸養(yǎng)5 d、6 d、7 d混凝土的強(qiáng)度計(jì)算公式。蒸養(yǎng)4 d以上28 d的強(qiáng)度才可達(dá)到50 MPa以上,而蒸養(yǎng)3 d、4 d只能達(dá)到28 d強(qiáng)度的72%及80%。

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Steam Curing of Concrete and Law of Intensity Change in Strongly Windy,Dry Cold,Large Temperature Difference Areas

ZHAOWen-bin1,LIUJian-xun1,ZHANGRong-ling1,2,SUNZhao-yu1,KANGjian1

(1.School of Civil Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China;2.Road and Bridge Engineering Disaster Prevention and Control Technology National Local Joint Engineering Laboratory,Lanzhou 730070,China)

For the study of practical ways of curing concrete in strongly windy, dry cold, large temperature difference areas, the needy raw materials were tested, meantime, the laws of development for concrete strength were found by way of the general thermal curing and steam curing as well as different pipe days (3 d, 4 d, 5 d, 6 d, 7 d) .Such a conclusion could be drawn that the differences between the general heat preservation measures and the steam curing and some reasonable maintenance measures could be easily obtained after some experiments.Throughkeeping the intensity variable curves of concrete at different agesinsteam curing pipe days (3 d, 5 d, 7 d and 14 d and 28 d, 56 d)under observation, the relevant parameters should be determined. Thus the calculation model of concrete strength under different steam curing days could be confirmed ,then the calculation model was verified by different mathematical indicators, the practicality of the formula can be proved right meanwhile .

strong dry cold;concrete strength;steam curing;formula fitting

長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃滾動支持(IRT15R29);隴原青年創(chuàng)新人才扶持計(jì)劃；青年人才托舉工程計(jì)劃；甘肅省交通運(yùn)輸廳科研項(xiàng)目

趙文斌(1990-)，男，碩士研究生.主要從事預(yù)制混凝土箱梁裂縫預(yù)防及控制的研究.

劉建勛，教授級高工.

TU528

A

1001-1625(2016)08-2358-07