粉煤灰混凝土力學性能及其結構實體強度時變模型研究

王大勇，肖瀟

（1. 廊坊市建設工程質量檢測中心，河北 廊坊 065000；2. 廊坊市陽光建設工程質量檢測有限公司，河北 廊坊 065000）

粉煤灰混凝土力學性能及其結構實體強度時變模型研究

王大勇1,2，肖瀟2

（1. 廊坊市建設工程質量檢測中心，河北 廊坊 065000；2. 廊坊市陽光建設工程質量檢測有限公司，河北 廊坊 065000）

本文通過采用泵送粉煤灰混凝土澆筑成型大型結構實體模擬模型與標準立方體試件，研究齡期 14～360d 粉煤灰混凝土的立方體抗壓強度與從墻體、樓板混凝土中鉆取的芯樣抗壓強度以及芯樣抗壓強度與立方體抗壓強度之比等力學性能指標及其區別與聯系。試驗結果表明：（1）粉煤灰混凝土立方體試件及實體結構芯樣抗壓強度均隨齡期呈自然對數增長規律；（2）立方體試件與標準芯樣試件抗壓強度存在尺寸效應現象,研建了基于 28d 立方體強度的以芯樣強度表征結構實體抗壓強度的推定公式；（3）同齡期、同混凝土強度等級的墻體與樓板混凝土中鉆取的芯樣抗壓強度存在差異,經統計給出其相關的數學換算模型。研究結果可供施工期工程結構混凝土強度質量檢測與控制參考。

混凝土；粉煤灰；立方體強度；芯樣強度；尺寸效應；強度換算

0 引言

粉煤灰混凝土是土木工程建設中應用量大、面廣的大宗材料，且商品化程度較大，是符合目前節能減排的綠色建筑材料之一[1-3]。國內學者對粉煤灰混凝土力學性能進行了大量的試驗研究，其中楊錢榮等[4]利用計算機技術建立粉煤灰混凝土的膠水比及粉煤灰摻量的雙變量強度公式，曾波等[5]研究了齡期不大于 60d 的粉煤灰混凝土的各齡期強度間的換算關系；富強[6]經過大量試驗研究，提出了粉煤灰混凝土 28d強度隨粉煤灰摻量、膠水比、養護溫度變化的三元數學模型；冷發光等[7]對 C70 左右的粉煤灰混凝土的強度尺寸效應進行研究并給出了統計結果。上述試驗對象均為混凝土立方體試件；眾所周知，對于粉煤灰混凝土配合比材料的抗壓強度評定采用標準立方體試件，對結構混凝土抗壓強度的評定采用與結構同條件養護立方體試件[8]，對既有建筑結構混凝土抗壓強度大多采取回彈法、鉆芯法等進行推定，其中尤以在結構構件混凝土中鉆取標準芯樣最具直觀性、準確性。因此建立試驗室立方體試件與實體芯樣試件間的力學性能關系，有利于科學指導與控制粉煤灰混凝土結構施工質量。

本文試驗通過采用泵送粉煤灰混凝土澆筑成型大型結構實體模擬模型與標準立方體試件，研究齡期 14～360d 粉煤灰混凝土的立方體抗壓強度與從結構實體模型墻體、樓板混凝土中鉆取的芯樣抗壓強度以及芯樣抗壓強度與立方體抗壓強度之比等力學性能指標，并分析其區別與聯系。研究結果可供施工期工程結構混凝土強度質量檢測與控制參考。

1 試驗設計

1.1 混凝土原材料及配合比

試驗采用本地區常用原材料：42.5 級普通硅酸鹽水泥，Ⅱ 級粉煤灰，細骨料為混合中砂，粗骨料為卵石破碎的機制粒徑 5～25mm 碎石，減水劑為聚羧酸系減水劑，拌合用水為當地自來水。

混凝土配合比設計采用粉煤灰超量取代水泥并加入適量高效泵送減水劑的方式配制 C20、C30、C40、C50 四個混凝土強度等級。

1.2 結構實體模型與標準立方體試件

委托生產質量穩定的大型商品混凝土公司提供試驗混凝土，并泵送澆筑成型大型結構實體模型與 150mm× 150mm×150mm 標準立方體試件，見圖 1。混凝土結構實體模型澆筑成型并拆除模板后，按現行 GB50204—2011《混凝土結構工程施工質量驗收規范》養護 14d，后自然養護，裸置備用；標準立方體試件移至室外大型結構實體模型陰涼處品字型碼放備用。

由表 1 可看出：（1）各齡期各強度等級混凝土抗壓強度比均不小于 1，能滿足標的混凝土強度要求；（2）齡期 28d立方體試件抗壓強度均超過設計強度標準值，低強度等級超出幅度更大，這表明各試驗混凝土配合比具有足夠的設計強度富余系數，有利于施工階段的結構安全；（3）齡期 28d 后立方體強度增幅較大，表明粉煤灰混凝土后期強度發展潛力較大。

圖 2 為粉煤灰混凝土標準立方體試件抗壓強度隨齡期的變化。1.3 測試方法

在齡期 14d、28d、60d、90d、180d、360d 時，從每個強度等級試件中隨機抽取不少于 2 組立方體試件，同時在大型結構實體模型的混凝土墻體與現澆樓板混凝土中鉆取不少于12個直徑 100mm 的標準芯樣。試驗齡期時，在試驗壓力機下對混凝土立方體試件及芯樣試件進行力學破型試驗。試驗用儀器設備均檢定有效。

2 試驗結果與分析

2.1 標準立方體試件抗壓強度

表 1 為各強度等級粉煤灰混凝土立方體試件抗壓強度與其相應設計標準強度的比值 fcu,t/fcu,k隨齡期 t 的變化。

由圖 2 可以看出，立方體試件抗壓強度隨齡期呈對數增長趨勢，但 360d 強度偏低，這可能是立方體試件體表比小，試件表面失水及外界環境的綜合作用所致，同時亦說明用標準立方體試件去評定長齡期的混凝土抗壓強度的代表性較差。

2.2 墻體標準芯樣試件抗壓強度

圖 3 為從結構實體模型混凝土墻體中鉆取的標準芯樣抗壓強度隨齡期的變化。由圖 3 可以看出，墻體芯樣試件與標準立方體試件抗壓強度時變模型基本相同，均符合齡期的自然對數增長規律；與圖 2 相比，相同齡期的墻體芯樣強度要高于標準立方體試件強度；齡期 360d 的芯樣強度明顯高于相應齡期的標準立方體試件強度，這表明由于結構實體混凝土體表比大，內部環境溫濕度良好，有利于混凝土中膠凝材料的水化與混凝土的硬化，很好地避免了用標準立方體試件評定長齡期混凝土抗壓強度失真情況的發生；同時研究結果亦表明采取從構件中鉆取的混凝土芯樣抗壓強度能更好的表征結構混凝土的真實強度，尤其是結構內部溫濕度環境復雜、水化熱較大的大體積混凝土。

圖 3 墻體芯樣混凝土抗壓強度隨齡期的變化

表 1 混凝土抗壓強度比值隨齡期的變化

據試驗數據，采用最小二乘法擬合技術，給出基于試驗混凝土 28d 立方體試件強度的墻體結構混凝土抗壓強度時變模型見表 2 所示。表 2 中 fcor.t表示齡期 t 時墻體混凝土芯樣試件抗壓強度，精確至 0.1MPa；fcu,28d表示齡期 28d 時標準立方體試件抗壓強度，精確至 0.1MPa；統計指標 r 表示相關系數，σ表示混凝土強度平均相對誤差，er表示混凝土強度相對標準差，以下同。表 2 中，各數學模型的相關系數均較高，可供施工階段墻體結構實體混凝土抗壓強度估計使用。

表 2 試驗混凝土墻體結構抗壓強度時變模型

2.3 現澆樓板標準芯樣試件抗壓強度

圖 4 為從結構實體模型混凝土現澆樓板中鉆取的標準芯樣抗壓強度隨齡期的變化。由圖 4 可以看出，芯樣強度的增長規律很好的符合齡期的自然對數關系；齡期 90d 后的芯樣強度趨于穩定，強度變幅不大。

圖 4 現澆樓板混凝土芯樣抗壓強度隨齡期的變化

據試驗數據，給出基于試驗混凝土 28d 立方體試件強度的現澆樓板結構混凝土抗壓強度時變模型見表 3 所示。表 3中，各數學模型的相關系數較高，可供施工階段現澆樓板結構實體混凝土抗壓強度估計使用。

表 3 試驗混凝土現澆樓板結構抗壓強度時變模型

2.4 墻體芯樣試件與立方體試件抗壓強度的比較

圖 5 為相同齡期的從結構實體模型混凝土墻體中鉆取的標準芯樣試件與同條件標準立方體試件抗壓強度的比值隨齡期的變化。

由圖 5 可以看出：（1）90% 數據點的強度比不小于 1.0，這表明相同齡期的立方體試件強度低于同齡期的墻體標準芯樣試件抗壓強度；（2）齡期 28d 的 C20、C30、C40、C50 強度等級的結構實體模型墻體混凝土芯樣試件與立方體試件抗壓強度比值依次為 1.16、1.25、1.04、0.83，其數理統計均值為1.07，標準差為 0.157，變異系數為 14.7%。這表明該齡期各試驗混凝土的芯樣與立方體試件的強度比變異性大，不能采用一個統一的數值去估計。

圖 5 墻體芯樣與立方體試件抗壓強度比隨齡期的變化

2.5 現澆樓板芯樣試件與標準立方體試件抗壓強度比較

圖 6 為相同齡期的從結構實體模型現澆樓板混凝土中鉆取的標準芯樣試件與同條件標準立方體試件抗壓強度的比值隨齡期的變化。由圖 6 可以看出：（1）齡期 28d 后的二者強度比均不小于 1.0，這表明相同齡期的立方體試件強度不高于相應齡期的芯樣試件抗壓強度。（2）齡期 28d 的 C20、C30、C40、C50 強度等級的結構實體模型現澆樓板混凝土芯樣試件與立方體試件抗壓強度比值依次為：1.04、1.02、1.00、0.88，較該齡期相應墻體混凝土中芯樣試件與立方體試件抗壓強度比略低。經數理統計后的強度比的均值為 0.98，標準差為 0.062，變異系數為 6.3%，變異性較小，基本可采用其均值進行混凝土強度的估計。2.6 現澆樓板芯樣與墻體芯樣試件抗壓強度的比較

圖 6 樓板芯樣與立方體試件抗壓強度比隨齡期變化

對試驗數據進行數理統計，得到的齡期 14～360d 的各強度等級的現澆樓板芯樣試件與墻體芯樣試件抗壓強度的比值示于表 4。圖 7 為相應齡期的從結構實體模型現澆樓板混凝土中鉆取的標準芯樣試件與從墻體混凝土中鉆取的芯樣試件抗壓強度的比值隨齡期的變化。由表 4、圖 7 可以看出，有相當比例的強度比散點低于 1.00，這表明在現澆樓板混凝土中鉆取的標準芯樣試件較墻體混凝土中鉆取的芯樣試件抗壓強度略低；相同齡期的芯樣強度比隨混凝土強度等級的變化而略有不同；各強度等級實體模型的芯樣強度比數值在試驗齡期14～360d 范圍內的變化不大，表明齡期對其影響較小。

表 4 現澆樓板芯樣與墻體芯樣的抗壓強度比

圖 7 樓板與墻體芯樣試件抗壓強度比隨齡期的變化

2.7 現澆樓板芯樣與墻體芯樣抗壓強度換算數學模型

不考慮齡期的影響，對各混凝土強度等級的板與墻芯樣強度比進行統計，結果見表 5。表 5 中各強度等級的芯樣強度比的變異系數均不大于 5%，而對所有板與墻芯樣強度比數值進行統計得到的統計均值為 0.93，標準差為 0.10181，變異系數為 10.99%，前者按強度等級統計得到的芯樣強度比均值明顯高于后者的統計精度，故在工程實際混凝土強度檢測中，可采用表 5 結果進行墻、板構件結構混凝土抗壓強度的估計。因此同齡期、同強度等級混凝土澆筑成型的現澆樓板與墻體的結構混凝土芯樣抗壓強度的換算數學模型可以統一為：

fcu,cor,slab＝kfcu,cor,shearwall（1）

式中：fcu,cor,slab——與墻體采用相同混凝土配合比，相同混凝土強度等級澆筑成型，且養護條件基本相同的現澆樓板混凝土中鉆取得標準芯樣試件抗壓強度，精確至 0.1MPa；

k——強度換算系數，應用中參考表 5 取值；

fcu,cor,shearwall——從墻體混凝土中鉆取得標準芯樣試件的抗壓強度，精確至 0.1MPa。

表 5 現澆樓板芯樣與墻體芯樣的強度比值 k 的統計

3 結論

（1）粉煤灰混凝土后期強度發展潛力很高，工程中應充分利用其后期強度；以立方體試件或芯樣試件表征的粉煤灰混凝土抗壓強度均表現出隨齡期呈自然對數規律變化。大型結構實體模型墻體與樓板的芯樣混凝土抗壓強度在一定程度上不同程度的高于同齡期的同條件養護立方體試件。

（2）混凝土立方體試件與芯樣試件抗壓強度間存在尺寸效應現象，本文研建的基于 28d 立方體強度的以芯樣試件抗壓強度表征結構實體混凝土抗壓強度的數學模型具有足夠的統計學精度，可指導施工期工程結構實體混凝土抗壓強度的施工。

（3）現澆樓板混凝土中鉆取的標準芯樣試件較墻體混凝土中鉆取的芯樣試件抗壓強度偏低；齡期對試驗混凝土的各強度等級澆筑成型的樓板與墻體的芯樣抗壓強度比影響不大。

（4）同混凝土配合比、同混凝土強度等級、齡期及養護條件基本相同的現澆樓板與墻體的芯樣抗壓強度比基本可用一個參數去表示，具體應用中可參考式 (1) 并按表 5 對參數進行取值后進行推定換算，可供結構混凝土強度質量檢測與控制參考。

[1] 吳中偉，廉慧珍．高性能混凝土[M]．北京；中國鐵道出版社，1999．

[2] 覃維祖．粉煤灰在混凝土中的應用[J]．商品混凝土，2006(02): 12-16．

[3] 趙晶，王蕾，蔡偉民，等．混凝土材料的綠色化發展[J]．低溫建筑技術，2005(01): 7-8．

[4] 楊錢榮，吳學禮，張凌翼．粉煤灰混凝土的雙變量強度公式[J]．建筑材料學報，2002(02):186-189．

[5] 曾波，杜慶檐．摻粉煤灰混凝土強度增長與齡期關系的試驗研究[J]．廣東水利電力職業技術院學報，2003(01): 24-25．

[6] 富強．粉煤灰混凝土強度增長規律初探[J]．混凝土，2005(7): 24-26．

[7] 冷發光，邢鋒，馮乃謙，等．粉煤灰高性能混凝土試件強度尺寸效應研究[J]．混凝土，2000(12):18-19．

[8] GB50204—2002．混凝土結構工程施工質量驗收規范[S]．

［通訊地址］河北省廊坊市富康道 113 號 廊坊市陽光建設工程質量檢測有限公司（065000）

The study of the fly ash concrete mechanical properties and it’s time-varying models for the solid structure strength

Wang Dayong1,2, Xiao Xiao2
( 1. Langfang Construction Engineering Quality Testing Center, Langfang 065000, Hebei, China; 2. Langfang YangGuang Construction Engineering Quality Supervision Co., Ltd., Langfang 065000, Hebei, China)

Through the large structure entities simulation models which pouring of pumping fly ash concrete and standard cube specimens,the article researched on the mechanical performance index and its difference with contact of the cube specimen and core samples drilled from the shear walls and the cast-in-place floors at the age of 14～360d, the strength ratio of the cube and the core samples of fly ash concrete were also discussed.The test results shows that: (1) the fly ash concrete cube specimens and entity structure core compressive strength with the age in both obeyed the natural logarithm growth law; (2) the cube specimens and core samples exists size effect on compressive strength properity,and established the presumption formula which based on the 28d cube strength to estimate the strength of core sample characterization of structure entity compressive strength; (3) the compressive strength of the core samples drilled from the shear walls and the cast-in-place slab of concrete has difference in the period of the same age and strength grade,and the mathematical conversion formula provided with enough accuracy.The results of the study can be reference for detection and control of the engineering structure concrete during the construction stage.

concrete; fly ash; cube strength; core strength; size effect; strength conversion

王大勇（1974—），男，高級工程師，從事工程質量檢測鑒定與研究工作，全國建設工程無損檢測技術學術委員會委員。