于亮亮 吕 丹

(吉林省电力勘测设计院，吉林 长春 130022)

采用微波加热养护法的混凝土强度早期预测

于亮亮 吕 丹

(吉林省电力勘测设计院，吉林 长春 130022)

采用微波加热的方法对混凝土试件进行养护，促进混凝土的凝结硬化在短时间内即可形成一定的强度，并建立了以此方式测定的混凝土早期强度与标准养护条件下混凝土后期强度的关系，实现了在混凝土浇筑后6 h内测定混凝土强度，为混凝土强度的快速测量提供了一种有效手段。

微波加热养护，混凝土强度，早期预测，水灰比

0 引言

随着我国工业民用建筑及基础设施的大规模建设，混凝土质量的控制与评定日益受到人们的重视[1]。在土木工程应用中，混凝土的强度评定一般是根据GB J107-87混凝土强度检验评定标准，对标准试件的28 d强度进行测定。这就使得在混凝土工程施工中，要在混凝土浇灌28 d后，才能得知它的强度是否达到设计要求。这可能导致一些强度不足，质量差的混凝土工程在施工完成后才被发现，就不得不花费很大的代价来补强加固，甚至导致工程报废。针对这一问题，国内外的工程技术人员开展了很多的工作，其中，利用混凝土的早期性能预测混凝土后期性能是一个重要的方面[2]。

早期预测混凝土强度的方法一般是首先通过特殊方法促进混凝土凝结硬化，使混凝土快速形成一定的早期强度，然后建立混凝土早期强度与其后期强度的关系，即测强曲线。其中，促凝方法是多种多样的，中国建设部颁布的《早期推定混凝土强度试验方法标准》收录了被工程技术人员广泛接受的沸水法、热水法、温水法、压蒸法和早龄期法[3]。

Leung和Pheeraphan发现采用微波加热的方法养护新拌混凝土能够显著地促进混凝土早期强度发展。尤其是在低温与掺入早强剂的情况下，微波加热养护展现出极大的潜力[4]。他们的研究借助微波技术为加速混凝土凝结硬化提供了一条新的前景广阔的可行之路。该技术出现后受到了国内外学者的高度重视。Wu等研究了微波养护促进混凝土强度发展的机理，并讨论了微波加热养护对混凝土微结构的影响[5]。胡杰、顾炳伟等研究了微波法和压蒸法相结合进行混凝土强度快速评价的方法[6]。孙殿民着重研究了微波促凝法在高性能混凝土强度预测中的应用[7]。

本文开展了大量的实验，对微波促凝技术的多个方面进行了系统的研究。通过试验探索出了科学合理的微波加热养护制度；建立了微波加热养护后测定的早期强度与后期标准强度的对应关系，并给出了混凝土强度预测曲线和预测精度；系统研究水灰比、水泥种类、掺合料种类和掺量的变化对微波加热预测混凝土早期、后期强度的影响规律。

1 原理

微波是频率在300 MHz～300 GHz的电磁波。混凝土材料中的水分子为极性分子，在微波高频电场的作用下反复快速取向转动而摩擦生热。微波加热能够使混凝土试件迅速升温，且表里温差小。而水泥凝结硬化的速度随着温度的增加而增加，因此，混凝土试件的强度能够在更短的时间内达到一个期望的水平。但是，必须注意若微波加热使用不当也会给混凝土强度测定带来不利影响，因为当温度过高时，混凝土内部的水分迅速蒸出而留下大量孔隙，造成严重的内部缺陷，在此情况下测定的混凝土强度不能反映在标准养护条件下混凝土的强度。

2 微波加热养护制度

由微波加热养护预测混凝土强度的原理可知，合理的微波加热养护制度是能否通过混凝土早期强度准确预测其后期强度的关键。我们期望确立一种微波加热养护制度，能够使混凝土在6 h～7 h之间达到一定的强度，且要求该抗压强度值能够很好地反映混凝土的7 d，28 d抗压强度。为实现上述目的，本节通过试验系统地研究了微波的能量、持续加热时间、时间间隔与总时间以及试件的个数、尺寸、质量和封闭形式对混凝土早期和后期强度的影响，进而确立最佳的微波加热养护制度。

2.1 试验概述

试验流程包括5个步骤：1)混凝土的配制；2)浇筑试件；3)微波间隔加热；4)混凝土后续养护；5)抗压强度测试。

试验所用微波炉的主要参数如下：微波频率：2 450 MHz；输出功率：140 W～700 W；内部尺寸：32 cm×31 cm×18 cm(长×宽×高)。

混凝土水泥、细骨料、粗骨料的质量比为1.0∶1.9∶3.0，水灰比有0.34(添加1%减水剂)，0.4，0.5与0.6四个等级。每种配合比的混凝土制作试件的类型、数量、养护方法等信息如表1所示。其中需要进行微波加热养护的试件不采用标准立方体试件是为了能够同时对一组3个试件进行微波加热养护，保证在相同养护条件下获得的试件的数量，提高试验数据的可靠性。圆柱体试件的抗压强度经修正后才能代表标准抗压强度，修正系数由标准条件下养护28 d的圆柱体试件与立方体试件的抗压强度的关系获得。在无特殊声明的情况下，本文中提及的圆柱体试件的抗压强度均指经修正后的抗压强度。

表1 试件信息汇总

为表述方便，将输出功率为xW、持续时间为tmin的一次微波加热养护记为M(x，t)，将在标准养护条件下养护tmin记为N(t)。例如，M(400,45)+N(300)代表首先采用400 W输出功率进行微波加热养护45 min，然后在标准条件下养护300 min。记微波加热养护混凝土为MCC(Microwave Cured Concret)，标准养护混凝土为NCC(Normal Cured Concrete)。

2.2 微波加热养护制度的确立

选择一种合理微波加热养护制度的标准有：1)早期强度高；2)早期强度反映后期强度的能力；3)后期强度与标准条件下养护的混凝土的后期强度接近。而微波加热养护制度需要考虑的因素包括混凝土搅拌后等待的时间、微波加热养护的次数、微波加热养护持续的时间、微波加热养护的时间间隔、微波炉功率与微波加热养护后等待的时间等。Leung和Pheeraphan探索出混凝土在搅拌后放置30 min，采用低于400 W的功率进行微波加热养护45 min，4.5 h后测定的早期抗压强度比较高，并且与在标准条件下养护28 d的混凝土的强度有很好的相关性[4]。他们提出的微波加热养护制度为本研究提供了很好的工作基础，但是由于试件尺寸、设备型号以及材料特性等因素的不同，绝不能不加任何修正地完全采纳。例如，本研究采用N(30)与M(150,45),M(200,45),M(250,45)及M(300,45)四种微波加热养护制度组合对混凝土试件进行养护，然后测量5 h，6 h及7 h的抗压强度。结果表明无论微波加热养护之后在标准条件下继续养护多长时间，混凝土早期抗压强度总低于3 MPa，尚不足标准条件下养护7 d混凝土抗压强度的20%，难以满足预测后期强度的要求。通过观察压碎后的混凝土试件发现试件内部水化程度差或存在大量孔隙，这些现象启示我们应采取缩短每次微波加热养护的时间、增加微波加热养护的次数、延长微波加热养护的总时间等措施来实现既促使混凝土充分水化又避免水分迅速蒸发造成混凝土内部缺陷的目的。

结合上述初步成果，我们设计了四种总时间为6 h的微波加热养护制度，分别为：

①N(30)+M(300,15)+M(150,15)+N(120)+M(300,30)+N(120)+M(300,15)+M(150,15)；

②N(30)+M(300,15)+M(150,30)+N(240)+M(300,15)+M(150,15)+N(15)；

③N(30)+M(150,45)+N(120)+M(150,45)+N(240)；

④N(30)+M(150,30)+N(120)+M(150,30)+N(60)+M(150,30)+N(60)。

水灰比为0.4的混凝土按以上四种制度养护后的早期抗压强度如图1所示。通过图1可发现经过对微波加热养护制度的调整，混凝土试件的早期抗压强度均有所提高，其中在养护制度③和④下试件抗压强度的增幅更大，满足了预测后期强度的要求。进一步比较养护制度③与养护制度④下不同水灰比的混凝土的抗压强度，图2表明在养护制度④下不同水灰比混凝土的早期抗压强度差别很小，不利于后期强度的预测。最后，检验按养护制度②进行养护的混凝土的6 h和7 d抗压强度与标准条件下养护7 d混凝土抗压强度的关系，由图3可以看到各种水灰比混凝土的6 h早期抗压强度值都能够达到7 d标准养护制度强度的30%左右，并且用微波加热养护后的混凝土试件7 d的抗压强度是标准养护的混凝土强度的93%～102%。综上，微波加热养护制度③满足所有对合理养护制度的要求，并且操作简单，是一种较为理想的养护制度，最终被确立为本研究中的最佳微波加热养护制度。

3 后期强度预测及掺合料的影响

在已确立的最佳微波加热养护制度的基础上，建立起按该制度进行养护的混凝土的早期强度同标准养护7 d及28 d混凝土强度的关系，并进一步研究了掺合料对两者之间关系的影响，为利用加速养护方法及早测量混凝土强度在实际工程中的应用铺平道路。

3.1 普通混凝土加速养护早期强度与标准养护后期强度的关系

由微波加热养护制度的选择标准可知合理的养护制度必须符合一系列严格的要求，这些要求都是为准确的预测后期强度而提出的。因此，一旦找到了理想的微波加热养护制度，建立加速养护早期强度与标准养护后期强度的关系就变成了一项水到渠成的工作。

图4揭示出普通混凝土经微波加热养护6 h的抗压强度与标准条件下养护7 d的抗压强度具有很好的相关性。以幂函数拟合它们之间的关系得到：

S7 d-NCC=10.74×(S6 h-MCC)0.73

(1)

其中，S6 h-MCC为混凝土加速养护6 h的抗压强度；S7 d-NCC为混凝土标准养护7 d的抗压强度。通过式(1)就可以根据微波加热养护6 h的抗压强度得到标准养护7 d混凝土的抗压强度。图5比较了实测标准养护7 d混凝土抗压强度与预测强度，通过比较可知式(1)能够准确地预测标准养护7 d混凝土抗压强度，预测误差在±9%之内。

图6揭示出普通混凝土经微波加热养护6 h的抗压强度与标准条件下养护28 d的抗压强度也有很好的相关性。以幂函数拟合它们之间的关系得到：

S28 d-NCC=13.01×(S6 h-MCC)0.76

(2)

其中，S6 h-MCC为混凝土加速养护6 h强度；S28 d-NCC为混凝土标准养护28 d强度。同样地，测出微波加热养护6 h的抗压强度，通过式(2)就可以推测标准养护混凝土的28 d抗压强度。从图7中可以看到式(2)预测后期强度的误差小于13%。

3.2 掺合料种类对加速养护预测强度的影响

本小节研究在混凝土中添加硅灰、矿渣和粉煤灰对混凝土早期强度的影响，主要目的是检验在添加掺合料的情况下，微波加热养护预测混凝土强度的做法是否仍然可行。试验中分别采用硅灰，矿渣，粉煤灰均取代10%的水泥用量，在水胶比为0.5的条件下，比较按最佳微波加热养护制度进行养护的混凝土的抗压强度与标准养护7 d，28 d的混凝土抗压强度。如图8所示，微波加热养护后的抗压强度值都能够达到标准养护7 d强度的17.31%～24.19%，掺有硅灰和矿渣的混凝土强度较高，而掺有粉煤灰的混凝土强度较低，这与已知的掺硅灰与矿渣的混凝土早期性能优于粉煤灰混凝土的实验结果是相一致的，即微波加速养护制度对掺矿物掺合料的混凝土强度发展规律并未造成异常影响[8]。用微波加热养护后再进行标准养护的混凝土试件7 d强度是标准养护的混凝土7 d强度的92.22%～100.99%，基本接近标准养护下的混凝土抗压强度。但掺硅灰的混凝土7 d微波养护强度略低于掺矿渣和硅灰的混凝土，这可能与硅灰巨大的比表面积造成自由水迅速减少有关，另外硅灰的火山灰活性大，水化产物形成太快，产物颗粒堆积不够合理，这样微波的加速养护将导致硅灰混凝土内部结构的轻微损伤。综上，通过微波加热养护混凝土的早期强度预测混凝土强度仍然可行。

4 结语

本文为混凝土强度的快速测定提供了一种有效方法，即通过微波加热养护混凝土，测量混凝土6 h的早期抗压强度并以此预测后期抗压强度。研究得到了如下结论：

1)微波加热能够促进混凝土早期强度快速发展；

2)微波加热采用的功率、延续时间、次数等多种因素对混凝土早期强度有显著影响，本研究通过试验探索出一套最佳微波加热养护制度。该制度为混凝土搅拌后在标准养护条件下放置30 min，采用150 W的输出功率进行第一次微波加热45 min，间隔120 min后再采用150 W的输出功率进行第二次加热45 min，然后在标准养护条件下放置240 min；

3)按最佳微波加热养护制度养护的混凝土的6 h抗压强度与在标准条件下养护7 d，28 d的混凝土的抗压强度有很好的相关性，可以用幂函数建立它们之间的关系，从而通过加速养护混凝土的早期强度预测混凝土的后期强度；

4)在添加掺合料的情况下，通过微波加热养护混凝土的早期强度预测其后期强度的方法仍然适用。

[1] P. K. Mehta, R. W. Burrows. Building Durable Structures in the 21st Century[J]. Concrete International，2001,23(3):57-63.

[2] 肖江帆，史才军，王德辉，等．新拌混凝土水灰比测定方法[J]．硅酸盐学报，2012(11)：1576-1585.

[3] JGJ/T 15-2008,早期推定混凝土强度试验方法标准[S].

[4] T. Pheeraphan. Accelerated curing of concrete with microwave energy[D].Massachusetts Institute of Technology,USA.1997.

[5] Wu Xuequan,Dong Jianbgo,Tang Mingshu.Microwave curing technique in concrete manufacture[J].Cement and Concrete Research，1987,17(2):205-210.

[6] 胡 杰，顾炳伟，田安国．基于微波与压蒸结合的混凝土强度的快速评价[J]．混凝土，2008(12)：38-39,68.

[7] 孙殿民．混凝土微波促凝试验研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2011．

[8] 龙广成，王新友，肖瑞敏．混凝土矿物掺合料的强度效应研究[J].硅酸盐学报,2002(2):139-143.

Early prediction of concrete strength using microwave heating curing

YU Liang-liang LV Dan

(JilinElectricPowerSurvey&DesignInstitute，Changchun130022,China)

In this paper, concrete specimens were cured in microwave heating environment. This accelerated the setting and hardening of cement so that a required strength could be formed in a short period. Once the strength in early age by the above method was related to the strength in late age of concrete cured in standard environment. The research accomplished testing concrete strength in 6 hours after concrete casting, and provided an effective method of concrete strength testing in early age.

microwave heating curing, concrete strength, early prediction, water cement ratio

1009-6825(2014)34-0118-04

2014-09-24

于亮亮(1981- )，男，助理工程师; 吕 丹(1981- )，女，工程师

TU528

A