趙明強(qiáng), 詹炳根, 張衛(wèi)星, 楊永敢, 張趙強(qiáng), 楊詠三

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009;2.土木工程結(jié)構(gòu)與材料安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230009;3.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)安徽電力建設(shè)第二工程有限公司,安徽 合肥 230601)

混凝土的極早齡期強(qiáng)度一般指混凝土從澆筑成型開(kāi)始至3 d之間的強(qiáng)度,極早期混凝土內(nèi)水泥水化反應(yīng)最為劇烈,混凝土強(qiáng)度發(fā)展極為迅速。很多混凝土結(jié)構(gòu)工程施工具有承接性,必須等待混凝土強(qiáng)度達(dá)到規(guī)定的強(qiáng)度才能進(jìn)行下一步施工。過(guò)早拆?？赡茉斐苫炷翉?qiáng)度未達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度,進(jìn)而發(fā)生重大安全事故;過(guò)晚拆模會(huì)延長(zhǎng)工程施工工期,降低模板使用率,增加施工成本。文獻(xiàn)[1]指出需要對(duì)混凝土早期強(qiáng)度的發(fā)展進(jìn)行監(jiān)控和準(zhǔn)確的預(yù)測(cè),從而確定拆模時(shí)間。

成熟度的概念由Saul于1951年提出[2],其觀點(diǎn)認(rèn)為在混凝土材料組成一定的情況下,混凝土的強(qiáng)度增長(zhǎng)是溫度和時(shí)間2種因素綜合影響的結(jié)果,且強(qiáng)度是以水的冰點(diǎn)開(kāi)始計(jì)算的溫度與時(shí)間乘積的函數(shù);文獻(xiàn)[2]提出的成熟度規(guī)則為:材料組成相同時(shí),當(dāng)混凝土的成熟度相等時(shí)對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度是相等的,與混凝土的溫度歷史無(wú)關(guān)。關(guān)于混凝土成熟度,國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究成果較豐富[3-6]。文獻(xiàn)[7]研究結(jié)果表明,用成熟度能夠高效準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展動(dòng)態(tài);文獻(xiàn)[8]指出,對(duì)于成熟度預(yù)測(cè),國(guó)內(nèi)外研究者只研究了3 d以上齡期的混凝土,缺乏對(duì)于齡期小于3 d的相關(guān)研究。而成熟度規(guī)則對(duì)于極早齡期的混凝土是否適用,是亟待研究的問(wèn)題。本文的工作就是研究成熟度規(guī)則對(duì)于極早齡期混凝土的適用性,建立極早齡期混凝土強(qiáng)度與成熟度之間的關(guān)系,對(duì)極早齡期強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1 試驗(yàn)方案與方法

1.1 原材料與混凝土配合比

水泥選用祁陽(yáng)海螺水泥有限公司提供的P.O 42.5水泥,其有關(guān)的性能指標(biāo)見(jiàn)表1所列。

表1 P.O 42.5硅酸鹽水泥的性能指標(biāo)

砂為永州市東安縣所產(chǎn)中砂,中砂細(xì)度模數(shù)為2.9,堆積密度為1 580 kg/m,表觀密度為2 620 kg/m3。石子為永州市東安縣所產(chǎn)碎石,顆粒級(jí)配為5.0～31.5 mm,表觀密度為2.72 g/cm3。外加劑為山西凱森科技有限公司生產(chǎn)的緩凝型高效減水劑,摻合料為湖南邵陽(yáng)所產(chǎn)粉煤灰,水為東安縣當(dāng)?shù)刈詠?lái)水。

試驗(yàn)所用C30、C35、C40混凝土材料配合比見(jiàn)表2所列。

表2 試驗(yàn)所用混凝土材料配合比 單位:kg/m3

1.2 試驗(yàn)方案

對(duì)C30、C35和C40 3種混凝土均設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)與自然養(yǎng)護(hù)2種不同的溫度歷程。成熟度法能否準(zhǔn)確預(yù)測(cè)極早齡期混凝土強(qiáng)度,取決于成熟度規(guī)則在極早齡期是否成立。混凝土成熟度規(guī)則在極早齡期是否適用,主要判斷混凝土在不同的溫度歷程下成熟度相等時(shí),其對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度是否大致相等。在不同的溫度歷程下,在混凝土內(nèi)部布置溫度傳感器采集內(nèi)部溫度,并在規(guī)定齡期設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),得到混凝土在此齡期的抗壓強(qiáng)度。合適的成熟度計(jì)算公式選取以滿(mǎn)足成熟度規(guī)則為主,對(duì)設(shè)計(jì)的不同溫度歷程,利用成熟度公式計(jì)算成熟度,在不同溫度歷程下取相等成熟度,根據(jù)混凝土強(qiáng)度是否相等決定成熟度計(jì)算公式是否合適;并根據(jù)經(jīng)時(shí)溫度測(cè)量試驗(yàn)與抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果,分析判斷成熟度規(guī)則在混凝土極早齡期的適用性,判斷方法為:在不同溫度歷程下取相等成熟度,其對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度若大致相等,則判斷為適用。

根據(jù)經(jīng)時(shí)溫度測(cè)量試驗(yàn)與抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù),通過(guò)Origin軟件建立強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型,并對(duì)每種混凝土都在不同的溫度歷程下設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)模型驗(yàn)證試驗(yàn),判斷強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性,最終判斷成熟度法對(duì)混凝土極早齡期強(qiáng)度是否具有較好的預(yù)測(cè)效果。

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容和方法

1.3.1 試驗(yàn)內(nèi)容

(1) 混凝土內(nèi)部溫度測(cè)量。對(duì)于工程中常用的C40混凝土,選取自然溫度不同時(shí)段養(yǎng)護(hù)環(huán)境和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境,成型150 mm×150 mm×300 mm試件。每種環(huán)境成型試件2只,在每只試件中分別設(shè)置4只溫度傳感器,連續(xù)實(shí)時(shí)記錄溫度隨時(shí)間變化的關(guān)系。實(shí)時(shí)測(cè)定的溫度取所有溫度傳感器的平均值。

(2) 各齡期抗壓強(qiáng)度測(cè)量。制作混凝土抗壓強(qiáng)度試件,在試驗(yàn)規(guī)定齡期測(cè)定混凝土抗壓強(qiáng)度:C30與C40混凝土依次在12～64 h、8～60 h每隔4 h測(cè)量1次強(qiáng)度,C35混凝土在10～26 h每隔2 h測(cè)量1次強(qiáng)度。按照文獻(xiàn)[9]進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),每個(gè)齡期1組,每組3個(gè)試件。

強(qiáng)度試件和測(cè)溫試件放在相同環(huán)境下養(yǎng)護(hù)。

1.3.2 試驗(yàn)方法

(1) 混凝土內(nèi)部經(jīng)時(shí)溫度測(cè)量。成型150 mm×150 mm×300 mm試模4只,按標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法澆注振搗成型混凝土,在每個(gè)試模中埋置4個(gè)溫度傳感器電偶線(xiàn)探頭,每個(gè)點(diǎn)布置在4個(gè)頂點(diǎn)角平分線(xiàn)上距頂點(diǎn)28.28 cm、高度位于長(zhǎng)方體高度的中點(diǎn)處。4個(gè)試模分為2組,一組放在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù),另一組放置在自然條件下養(yǎng)護(hù),養(yǎng)護(hù)環(huán)境分別與抗壓試件處于相同條件。放置好后,立即打開(kāi)溫度測(cè)試儀主機(jī),測(cè)溫儀開(kāi)始自動(dòng)測(cè)量混凝土內(nèi)部溫度,并記錄測(cè)試時(shí)間。

(2) 各齡期抗壓強(qiáng)度的測(cè)量。按照標(biāo)準(zhǔn)方法成型150 mm×150 mm×300 mm標(biāo)準(zhǔn)混凝土立方體試件14×2組(C35混凝土為9×2組)。澆筑振搗密實(shí)后14(9)組進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù),14(9)組進(jìn)行自然條件養(yǎng)護(hù)。記錄養(yǎng)護(hù)初始時(shí)間,待混凝土達(dá)到規(guī)定齡期，從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室或自然條件養(yǎng)護(hù)處提前15 min取出試件,拆模,按照文獻(xiàn)[9]要求測(cè)試混凝土立方體抗壓強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 成熟度計(jì)算公式的選擇

文獻(xiàn)[10]給出的成熟度計(jì)算公式為:

M=∑(Ti+10)ti

(1)

其中:M為成熟度;Ti為ti時(shí)間內(nèi)混凝土的平均溫度;ti為混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間;i為測(cè)量時(shí)段序號(hào);10為基準(zhǔn)溫度-10 ℃的負(fù)值。

文獻(xiàn)[11]發(fā)現(xiàn)當(dāng)處于負(fù)溫與高溫時(shí),按照(1)式計(jì)算出的成熟度與混凝土所對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度不相等,通過(guò)引入溫度影響系數(shù),使(1)式適用的溫度范圍更大,新成熟度公式為:

M=∑Ki(Ti+10)ti

(2)

其中:Ki為溫度影響系數(shù),即Ti下相當(dāng)于20 ℃的影響效應(yīng)(倍數(shù));Ti取值為-10～105 ℃。文獻(xiàn)[11]給出了各溫度段的溫度影響系數(shù)。

文獻(xiàn)[12]從水泥水化角度重新建立了以等效齡期為基礎(chǔ)的公式,由于公式中有表觀活化能等參數(shù),實(shí)際工程中使用該公式需要測(cè)量此類(lèi)參數(shù)，極為不便,故不適用于實(shí)際工程。

合適的成熟度計(jì)算公式應(yīng)滿(mǎn)足成熟度規(guī)則。

經(jīng)時(shí)溫度測(cè)量試驗(yàn)得到的2種養(yǎng)護(hù)條件下混凝土內(nèi)部溫度歷史數(shù)據(jù)(部分)見(jiàn)表3所列,抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)得到的2種養(yǎng)護(hù)條件下各齡期抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表4所列。

表3 3種混凝土2種養(yǎng)護(hù)條件下部分時(shí)段內(nèi)部平均溫度 單位:℃

表4 不同齡期3種混凝土2種養(yǎng)護(hù)條件下的抗壓強(qiáng)度

根據(jù)表3經(jīng)時(shí)溫度數(shù)據(jù),分別用(1)式、(2)式計(jì)算成熟度,取相同的成熟度值;再根據(jù)表4中抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)在規(guī)定齡期的強(qiáng)度值,通過(guò)數(shù)據(jù)擬合建立最佳的強(qiáng)度-齡期關(guān)系式,得到混凝土在相同成熟度下對(duì)應(yīng)的混凝土實(shí)際強(qiáng)度值。根據(jù)計(jì)算出的混凝土在不同溫度歷程下近似相等的成熟度所對(duì)應(yīng)的實(shí)際強(qiáng)度,判斷成熟度對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度值是否大致相等,計(jì)算結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 根據(jù)(1)式的計(jì)算結(jié)果 圖2 根據(jù)(2)式的計(jì)算結(jié)果

從圖1可以看出,采用(1)式計(jì)算成熟度時(shí),混凝土在不同溫度歷程下對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度差值較大,最大差值達(dá)到3.0 MPa,強(qiáng)度不是呈大致相等,不滿(mǎn)足成熟度規(guī)則。從圖2可以看出,采用(2)式計(jì)算成熟度時(shí),2種溫度歷程下相等成熟度對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度幾乎呈大致相等,最大差值僅為0.6 MPa,說(shuō)明在對(duì)(1)式進(jìn)行溫度修正后,成熟度計(jì)算精度提高,滿(mǎn)足成熟度規(guī)則。故利用成熟度法預(yù)測(cè)混凝土極早齡期強(qiáng)度需要對(duì)成熟度公式進(jìn)行溫度修正,本文選擇(2)式計(jì)算成熟度。

2.2 混凝土極早齡期成熟度規(guī)則適用性驗(yàn)證

文獻(xiàn)[2]提出的成熟度規(guī)則是成熟度法預(yù)測(cè)混凝土強(qiáng)度的理論基礎(chǔ),成熟度規(guī)則為:在材料配合比相同的情況下,當(dāng)混凝土的成熟度相等時(shí),混凝土所對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度基本相等,與混凝土經(jīng)歷的溫度歷程無(wú)關(guān)。由于目前國(guó)內(nèi)外對(duì)極早期混凝土強(qiáng)度預(yù)測(cè)的相關(guān)研究很少,需要判斷能否使用成熟度法預(yù)測(cè)極早齡期混凝土強(qiáng)度。本文針對(duì)C30、C35和C40 3種混凝土進(jìn)行成熟度規(guī)則極早期混凝土適用性的驗(yàn)證試驗(yàn),分別設(shè)計(jì)不同的溫度歷程,通過(guò)無(wú)線(xiàn)測(cè)溫儀記錄混凝土內(nèi)部溫度數(shù)據(jù),利用(2)式計(jì)算各個(gè)時(shí)段的成熟度,取不同溫度歷程下混凝土近似相等的成熟度值,擬合強(qiáng)度-齡期曲線(xiàn),根據(jù)強(qiáng)度-齡期關(guān)系式得出在不同溫度歷程下成熟度相等時(shí)混凝土所對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度值,比較強(qiáng)度值,判斷強(qiáng)度值是否近似相等。對(duì)3種混凝土不同溫度歷程下的試驗(yàn)所得溫度數(shù)據(jù)和強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,所得結(jié)果見(jiàn)表5所列。

表5 3種混凝土極早齡期成熟度規(guī)則適用性驗(yàn)證結(jié)果

續(xù)表

使用(2)式計(jì)算成熟度后,3種混凝土在2種不同的溫度歷程下取近似相等的成熟度值時(shí),對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度最大相對(duì)誤差分別為:C30,7.8%;C35,9.8%;C40,7.0%。上述結(jié)果說(shuō)明,3種混凝土在不同溫度歷程下取相等的成熟度值時(shí),其對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度值是大致相等的,因此,在對(duì)成熟度公式進(jìn)行溫度修正后,混凝土成熟度規(guī)則在極早齡期是適用的,成熟度法是可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)混凝土極早齡期強(qiáng)度的。

2.3 混凝土極早齡期強(qiáng)度的預(yù)測(cè)

2.3.1 極早齡期成熟度與強(qiáng)度關(guān)系分析

3種混凝土在不同養(yǎng)護(hù)條件下的成熟度值與相應(yīng)齡期的抗壓強(qiáng)度值如圖3所示,將各齡期的成熟度與強(qiáng)度點(diǎn)連接起來(lái),構(gòu)成每種混凝土在不同溫度歷程下成熟度-強(qiáng)度大致發(fā)展曲線(xiàn),通過(guò)曲線(xiàn)分析混凝土在極早齡期成熟度與強(qiáng)度關(guān)系。

圖3 3種混凝土各齡期成熟度-強(qiáng)度曲線(xiàn)

從圖3可以看出,3種混凝土在不同溫度歷程下的強(qiáng)度與成熟度的發(fā)展趨勢(shì)是大致相同的,強(qiáng)度隨成熟度增大而不斷增大,強(qiáng)度增長(zhǎng)速率呈越來(lái)越小、最后趨向于平穩(wěn)增長(zhǎng)的發(fā)展趨勢(shì),這與文獻(xiàn)[13]的結(jié)果一致。每種混凝土在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下和自然養(yǎng)護(hù)條件下的強(qiáng)度-成熟度曲線(xiàn)大致為重合狀態(tài),這說(shuō)明對(duì)于材料組成相同的混凝土,其極早齡期的成熟度-強(qiáng)度關(guān)系不隨溫度歷程的改變而改變。

2.3.2 極早齡期強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型的建立

由上述分析可知,對(duì)于材料組成相同的混凝土,其成熟度-強(qiáng)度關(guān)系式不受混凝土所經(jīng)歷的溫度歷程影響。對(duì)3種混凝土在2種不同溫度歷程下的成熟度與強(qiáng)度數(shù)據(jù),利用Origin軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合。根據(jù)圖3混凝土成熟度-強(qiáng)度曲線(xiàn),在擬合過(guò)程中選擇相應(yīng)的較符合強(qiáng)度-成熟度發(fā)展趨勢(shì)、函數(shù)形式較簡(jiǎn)單且常見(jiàn)的函數(shù)模型進(jìn)行擬合,最終選取相關(guān)系數(shù)最高且函數(shù)模型形式簡(jiǎn)單的函數(shù)關(guān)系式作為混凝土極早齡期的強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型。C30、C35和C40混凝土強(qiáng)度-成熟度最佳擬合函數(shù)關(guān)系式及擬合結(jié)果如圖4～圖6所示。

由圖4～圖6可知,3種混凝土最佳強(qiáng)度-成熟度擬合關(guān)系式都為指數(shù)型函數(shù),且關(guān)系式的相關(guān)系數(shù)都達(dá)到0.99左右,擬合效果非常好。從擬合結(jié)果可以看出,混凝土在極早齡期的成熟度與強(qiáng)度呈指數(shù)型函數(shù)發(fā)展,與文獻(xiàn)[14]結(jié)果一致。將擬合所得的3個(gè)指數(shù)型函數(shù)作為3種混凝土極早齡期強(qiáng)度的預(yù)測(cè)模型,對(duì)強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性驗(yàn)證。

圖4 C30混凝土強(qiáng)度-成熟度最佳擬合關(guān)系式與曲線(xiàn)

圖5 C35混凝土強(qiáng)度-成熟度最佳擬合關(guān)系式與曲線(xiàn) 圖6 C40混凝土強(qiáng)度-成熟度最佳擬合關(guān)系式與曲線(xiàn)

每種混凝土在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件和自然養(yǎng)護(hù)條件下分別養(yǎng)護(hù)6組試件,取1組在混凝土內(nèi)部埋置溫度傳感器,記錄混凝土內(nèi)部溫度。達(dá)到規(guī)定齡期時(shí),對(duì)混凝土試件進(jìn)行抗壓試驗(yàn),記錄混凝土的實(shí)測(cè)強(qiáng)度,通過(guò)記錄的溫度歷史數(shù)據(jù),計(jì)算該齡期的混凝土成熟度值。每種混凝土得到在2種養(yǎng)護(hù)條件下的10組成熟度值與實(shí)測(cè)強(qiáng)度值。

將每種混凝土計(jì)算出的各齡期成熟度值代入對(duì)應(yīng)混凝土強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型,計(jì)算混凝土齡期的預(yù)測(cè)強(qiáng)度,將預(yù)測(cè)強(qiáng)度與實(shí)測(cè)強(qiáng)度進(jìn)行比較,確定強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)精度,預(yù)測(cè)精度驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)表6所列。

表6 不同成熟度下混凝土強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證結(jié)果

從表6可以看出,3種混凝土強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型的最大預(yù)測(cè)相對(duì)誤差分別為:C30,6.6%;C35,5.5%;C40,5.5%。3種混凝土強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型的相對(duì)預(yù)測(cè)誤差不超過(guò)7.0%,在工程誤差允許范圍內(nèi),說(shuō)明所建立的強(qiáng)度-成熟度關(guān)系式具有優(yōu)越的預(yù)測(cè)效果,C30、C35與C40混凝土的極早齡期強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)工程所用混凝土強(qiáng)度的發(fā)展。

對(duì)于其他強(qiáng)度等級(jí)的混凝土,本文所得出的結(jié)論仍適用。外加劑對(duì)混凝土極早齡期的強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生影響,并會(huì)影響極早齡期強(qiáng)度-成熟度關(guān)系,本文未對(duì)其進(jìn)行研究,需要以外加劑種類(lèi)、摻量及復(fù)配作為研究變量進(jìn)行深入研究。

3 結(jié) 論

(1) 對(duì)于齡期小于3 d的極早齡期混凝土,成熟度值相等時(shí),其對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度是大致相等的,與混凝土的溫度歷程無(wú)關(guān)。成熟度規(guī)則適用于極早齡期混凝土。

(2) 在采用成熟度法對(duì)極早齡期混凝土進(jìn)行強(qiáng)度預(yù)測(cè)時(shí),需要對(duì)成熟度公式進(jìn)行溫度修正。

(3) 對(duì)于組成和強(qiáng)度等級(jí)不同的混凝土,其極早齡期的成熟度與強(qiáng)度關(guān)系式形式相近,都可以用指數(shù)型函數(shù)表示。用該關(guān)系式預(yù)測(cè)混凝土極早齡期強(qiáng)度,相對(duì)預(yù)測(cè)誤差可控制在7.0%以?xún)?nèi)。