赵明强, 詹炳根, 张卫星, 杨永敢, 张赵强, 杨咏三

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009;2.土木工程结构与材料安徽省重点实验室,安徽 合肥 230009;3.中国能源建设集团安徽电力建设第二工程有限公司,安徽 合肥 230601)

混凝土的极早龄期强度一般指混凝土从浇筑成型开始至3 d之间的强度,极早期混凝土内水泥水化反应最为剧烈,混凝土强度发展极为迅速。很多混凝土结构工程施工具有承接性,必须等待混凝土强度达到规定的强度才能进行下一步施工。过早拆模可能造成混凝土强度未达到规定强度,进而发生重大安全事故;过晚拆模会延长工程施工工期,降低模板使用率,增加施工成本。文献[1]指出需要对混凝土早期强度的发展进行监控和准确的预测,从而确定拆模时间。

成熟度的概念由Saul于1951年提出[2],其观点认为在混凝土材料组成一定的情况下,混凝土的强度增长是温度和时间2种因素综合影响的结果,且强度是以水的冰点开始计算的温度与时间乘积的函数;文献[2]提出的成熟度规则为:材料组成相同时,当混凝土的成熟度相等时对应的强度是相等的,与混凝土的温度历史无关。关于混凝土成熟度,国内外的相关研究成果较丰富[3-6]。文献[7]研究结果表明,用成熟度能够高效准确地预测混凝土早期强度发展动态;文献[8]指出,对于成熟度预测,国内外研究者只研究了3 d以上龄期的混凝土,缺乏对于龄期小于3 d的相关研究。而成熟度规则对于极早龄期的混凝土是否适用,是亟待研究的问题。本文的工作就是研究成熟度规则对于极早龄期混凝土的适用性,建立极早龄期混凝土强度与成熟度之间的关系,对极早龄期强度进行预测。

1 试验方案与方法

1.1 原材料与混凝土配合比

水泥选用祁阳海螺水泥有限公司提供的P.O 42.5水泥,其有关的性能指标见表1所列。

表1 P.O 42.5硅酸盐水泥的性能指标

砂为永州市东安县所产中砂,中砂细度模数为2.9,堆积密度为1 580 kg/m,表观密度为2 620 kg/m3。石子为永州市东安县所产碎石,颗粒级配为5.0～31.5 mm,表观密度为2.72 g/cm3。外加剂为山西凯森科技有限公司生产的缓凝型高效减水剂,掺合料为湖南邵阳所产粉煤灰,水为东安县当地自来水。

试验所用C30、C35、C40混凝土材料配合比见表2所列。

表2 试验所用混凝土材料配合比 单位:kg/m3

1.2 试验方案

对C30、C35和C40 3种混凝土均设计标准养护与自然养护2种不同的温度历程。成熟度法能否准确预测极早龄期混凝土强度,取决于成熟度规则在极早龄期是否成立。混凝土成熟度规则在极早龄期是否适用,主要判断混凝土在不同的温度历程下成熟度相等时,其对应的强度是否大致相等。在不同的温度历程下,在混凝土内部布置温度传感器采集内部温度,并在规定龄期设计抗压强度试验,得到混凝土在此龄期的抗压强度。合适的成熟度计算公式选取以满足成熟度规则为主,对设计的不同温度历程,利用成熟度公式计算成熟度,在不同温度历程下取相等成熟度,根据混凝土强度是否相等决定成熟度计算公式是否合适;并根据经时温度测量试验与抗压强度试验结果,分析判断成熟度规则在混凝土极早龄期的适用性,判断方法为:在不同温度历程下取相等成熟度,其对应的强度若大致相等,则判断为适用。

根据经时温度测量试验与抗压强度试验所得的数据,通过Origin软件建立强度预测模型,并对每种混凝土都在不同的温度历程下设计预测模型验证试验,判断强度预测模型的准确性,最终判断成熟度法对混凝土极早龄期强度是否具有较好的预测效果。

1.3 试验内容和方法

1.3.1 试验内容

(1) 混凝土内部温度测量。对于工程中常用的C40混凝土,选取自然温度不同时段养护环境和标准养护环境,成型150 mm×150 mm×300 mm试件。每种环境成型试件2只,在每只试件中分别设置4只温度传感器,连续实时记录温度随时间变化的关系。实时测定的温度取所有温度传感器的平均值。

(2) 各龄期抗压强度测量。制作混凝土抗压强度试件,在试验规定龄期测定混凝土抗压强度:C30与C40混凝土依次在12～64 h、8～60 h每隔4 h测量1次强度,C35混凝土在10～26 h每隔2 h测量1次强度。按照文献[9]进行抗压强度试验,每个龄期1组,每组3个试件。

强度试件和测温试件放在相同环境下养护。

1.3.2 试验方法

(1) 混凝土内部经时温度测量。成型150 mm×150 mm×300 mm试模4只,按标准试验方法浇注振捣成型混凝土,在每个试模中埋置4个温度传感器电偶线探头,每个点布置在4个顶点角平分线上距顶点28.28 cm、高度位于长方体高度的中点处。4个试模分为2组,一组放在标准条件下养护,另一组放置在自然条件下养护,养护环境分别与抗压试件处于相同条件。放置好后,立即打开温度测试仪主机,测温仪开始自动测量混凝土内部温度,并记录测试时间。

(2) 各龄期抗压强度的测量。按照标准方法成型150 mm×150 mm×300 mm标准混凝土立方体试件14×2组(C35混凝土为9×2组)。浇筑振捣密实后14(9)组进行标准养护,14(9)组进行自然条件养护。记录养护初始时间,待混凝土达到规定龄期，从标准养护室或自然条件养护处提前15 min取出试件,拆模,按照文献[9]要求测试混凝土立方体抗压强度。

2 试验结果与分析

2.1 成熟度计算公式的选择

文献[10]给出的成熟度计算公式为:

M=∑(Ti+10)ti

(1)

其中:M为成熟度;Ti为ti时间内混凝土的平均温度;ti为混凝土养护时间;i为测量时段序号;10为基准温度-10 ℃的负值。

文献[11]发现当处于负温与高温时,按照(1)式计算出的成熟度与混凝土所对应的强度不相等,通过引入温度影响系数,使(1)式适用的温度范围更大,新成熟度公式为:

M=∑Ki(Ti+10)ti

(2)

其中:Ki为温度影响系数,即Ti下相当于20 ℃的影响效应(倍数);Ti取值为-10～105 ℃。文献[11]给出了各温度段的温度影响系数。

文献[12]从水泥水化角度重新建立了以等效龄期为基础的公式,由于公式中有表观活化能等参数,实际工程中使用该公式需要测量此类参数，极为不便,故不适用于实际工程。

合适的成熟度计算公式应满足成熟度规则。

经时温度测量试验得到的2种养护条件下混凝土内部温度历史数据(部分)见表3所列,抗压强度试验得到的2种养护条件下各龄期抗压强度见表4所列。

表3 3种混凝土2种养护条件下部分时段内部平均温度 单位:℃

表4 不同龄期3种混凝土2种养护条件下的抗压强度

根据表3经时温度数据,分别用(1)式、(2)式计算成熟度,取相同的成熟度值;再根据表4中抗压强度试验在规定龄期的强度值,通过数据拟合建立最佳的强度-龄期关系式,得到混凝土在相同成熟度下对应的混凝土实际强度值。根据计算出的混凝土在不同温度历程下近似相等的成熟度所对应的实际强度,判断成熟度对应的强度值是否大致相等,计算结果如图1、图2所示。

图1 根据(1)式的计算结果 图2 根据(2)式的计算结果

从图1可以看出,采用(1)式计算成熟度时,混凝土在不同温度历程下对应的强度差值较大,最大差值达到3.0 MPa,强度不是呈大致相等,不满足成熟度规则。从图2可以看出,采用(2)式计算成熟度时,2种温度历程下相等成熟度对应的强度几乎呈大致相等,最大差值仅为0.6 MPa,说明在对(1)式进行温度修正后,成熟度计算精度提高,满足成熟度规则。故利用成熟度法预测混凝土极早龄期强度需要对成熟度公式进行温度修正,本文选择(2)式计算成熟度。

2.2 混凝土极早龄期成熟度规则适用性验证

文献[2]提出的成熟度规则是成熟度法预测混凝土强度的理论基础,成熟度规则为:在材料配合比相同的情况下,当混凝土的成熟度相等时,混凝土所对应的强度基本相等,与混凝土经历的温度历程无关。由于目前国内外对极早期混凝土强度预测的相关研究很少,需要判断能否使用成熟度法预测极早龄期混凝土强度。本文针对C30、C35和C40 3种混凝土进行成熟度规则极早期混凝土适用性的验证试验,分别设计不同的温度历程,通过无线测温仪记录混凝土内部温度数据,利用(2)式计算各个时段的成熟度,取不同温度历程下混凝土近似相等的成熟度值,拟合强度-龄期曲线,根据强度-龄期关系式得出在不同温度历程下成熟度相等时混凝土所对应的强度值,比较强度值,判断强度值是否近似相等。对3种混凝土不同温度历程下的试验所得温度数据和强度数据进行数据处理,所得结果见表5所列。

表5 3种混凝土极早龄期成熟度规则适用性验证结果

续表

使用(2)式计算成熟度后,3种混凝土在2种不同的温度历程下取近似相等的成熟度值时,对应的强度最大相对误差分别为:C30,7.8%;C35,9.8%;C40,7.0%。上述结果说明,3种混凝土在不同温度历程下取相等的成熟度值时,其对应的强度值是大致相等的,因此,在对成熟度公式进行温度修正后,混凝土成熟度规则在极早龄期是适用的,成熟度法是可以准确预测混凝土极早龄期强度的。

2.3 混凝土极早龄期强度的预测

2.3.1 极早龄期成熟度与强度关系分析

3种混凝土在不同养护条件下的成熟度值与相应龄期的抗压强度值如图3所示,将各龄期的成熟度与强度点连接起来,构成每种混凝土在不同温度历程下成熟度-强度大致发展曲线,通过曲线分析混凝土在极早龄期成熟度与强度关系。

图3 3种混凝土各龄期成熟度-强度曲线

从图3可以看出,3种混凝土在不同温度历程下的强度与成熟度的发展趋势是大致相同的,强度随成熟度增大而不断增大,强度增长速率呈越来越小、最后趋向于平稳增长的发展趋势,这与文献[13]的结果一致。每种混凝土在标准养护条件下和自然养护条件下的强度-成熟度曲线大致为重合状态,这说明对于材料组成相同的混凝土,其极早龄期的成熟度-强度关系不随温度历程的改变而改变。

2.3.2 极早龄期强度预测模型的建立

由上述分析可知,对于材料组成相同的混凝土,其成熟度-强度关系式不受混凝土所经历的温度历程影响。对3种混凝土在2种不同温度历程下的成熟度与强度数据,利用Origin软件进行数据拟合。根据图3混凝土成熟度-强度曲线,在拟合过程中选择相应的较符合强度-成熟度发展趋势、函数形式较简单且常见的函数模型进行拟合,最终选取相关系数最高且函数模型形式简单的函数关系式作为混凝土极早龄期的强度预测模型。C30、C35和C40混凝土强度-成熟度最佳拟合函数关系式及拟合结果如图4～图6所示。

由图4～图6可知,3种混凝土最佳强度-成熟度拟合关系式都为指数型函数,且关系式的相关系数都达到0.99左右,拟合效果非常好。从拟合结果可以看出,混凝土在极早龄期的成熟度与强度呈指数型函数发展,与文献[14]结果一致。将拟合所得的3个指数型函数作为3种混凝土极早龄期强度的预测模型,对强度预测模型进行预测准确性验证。

图4 C30混凝土强度-成熟度最佳拟合关系式与曲线

图5 C35混凝土强度-成熟度最佳拟合关系式与曲线 图6 C40混凝土强度-成熟度最佳拟合关系式与曲线

每种混凝土在标准养护条件和自然养护条件下分别养护6组试件,取1组在混凝土内部埋置温度传感器,记录混凝土内部温度。达到规定龄期时,对混凝土试件进行抗压试验,记录混凝土的实测强度,通过记录的温度历史数据,计算该龄期的混凝土成熟度值。每种混凝土得到在2种养护条件下的10组成熟度值与实测强度值。

将每种混凝土计算出的各龄期成熟度值代入对应混凝土强度预测模型,计算混凝土龄期的预测强度,将预测强度与实测强度进行比较,确定强度预测模型的预测精度,预测精度验证结果见表6所列。

表6 不同成熟度下混凝土强度预测模型准确性验证结果

从表6可以看出,3种混凝土强度预测模型的最大预测相对误差分别为:C30,6.6%;C35,5.5%;C40,5.5%。3种混凝土强度预测模型的相对预测误差不超过7.0%,在工程误差允许范围内,说明所建立的强度-成熟度关系式具有优越的预测效果,C30、C35与C40混凝土的极早龄期强度预测模型可以准确预测工程所用混凝土强度的发展。

对于其他强度等级的混凝土,本文所得出的结论仍适用。外加剂对混凝土极早龄期的强度会产生影响,并会影响极早龄期强度-成熟度关系,本文未对其进行研究,需要以外加剂种类、掺量及复配作为研究变量进行深入研究。

3 结 论

(1) 对于龄期小于3 d的极早龄期混凝土,成熟度值相等时,其对应的强度是大致相等的,与混凝土的温度历程无关。成熟度规则适用于极早龄期混凝土。

(2) 在采用成熟度法对极早龄期混凝土进行强度预测时,需要对成熟度公式进行温度修正。

(3) 对于组成和强度等级不同的混凝土,其极早龄期的成熟度与强度关系式形式相近,都可以用指数型函数表示。用该关系式预测混凝土极早龄期强度,相对预测误差可控制在7.0%以内。