采用微波加熱養(yǎng)護法的混凝土強度早期預測

于亮亮 呂 丹

(吉林省電力勘測設計院，吉林 長春 130022)

采用微波加熱養(yǎng)護法的混凝土強度早期預測

于亮亮 呂 丹

(吉林省電力勘測設計院，吉林 長春 130022)

采用微波加熱的方法對混凝土試件進行養(yǎng)護，促進混凝土的凝結硬化在短時間內即可形成一定的強度，并建立了以此方式測定的混凝土早期強度與標準養(yǎng)護條件下混凝土后期強度的關系，實現了在混凝土澆筑后6 h內測定混凝土強度，為混凝土強度的快速測量提供了一種有效手段。

微波加熱養(yǎng)護，混凝土強度，早期預測，水灰比

0 引言

隨著我國工業(yè)民用建筑及基礎設施的大規(guī)模建設，混凝土質量的控制與評定日益受到人們的重視[1]。在土木工程應用中，混凝土的強度評定一般是根據GB J107-87混凝土強度檢驗評定標準，對標準試件的28 d強度進行測定。這就使得在混凝土工程施工中，要在混凝土澆灌28 d后，才能得知它的強度是否達到設計要求。這可能導致一些強度不足，質量差的混凝土工程在施工完成后才被發(fā)現，就不得不花費很大的代價來補強加固，甚至導致工程報廢。針對這一問題，國內外的工程技術人員開展了很多的工作，其中，利用混凝土的早期性能預測混凝土后期性能是一個重要的方面[2]。

早期預測混凝土強度的方法一般是首先通過特殊方法促進混凝土凝結硬化，使混凝土快速形成一定的早期強度，然后建立混凝土早期強度與其后期強度的關系，即測強曲線。其中，促凝方法是多種多樣的，中國建設部頒布的《早期推定混凝土強度試驗方法標準》收錄了被工程技術人員廣泛接受的沸水法、熱水法、溫水法、壓蒸法和早齡期法[3]。

Leung和Pheeraphan發(fā)現采用微波加熱的方法養(yǎng)護新拌混凝土能夠顯著地促進混凝土早期強度發(fā)展。尤其是在低溫與摻入早強劑的情況下，微波加熱養(yǎng)護展現出極大的潛力[4]。他們的研究借助微波技術為加速混凝土凝結硬化提供了一條新的前景廣闊的可行之路。該技術出現后受到了國內外學者的高度重視。Wu等研究了微波養(yǎng)護促進混凝土強度發(fā)展的機理，并討論了微波加熱養(yǎng)護對混凝土微結構的影響[5]。胡杰、顧炳偉等研究了微波法和壓蒸法相結合進行混凝土強度快速評價的方法[6]。孫殿民著重研究了微波促凝法在高性能混凝土強度預測中的應用[7]。

本文開展了大量的實驗，對微波促凝技術的多個方面進行了系統(tǒng)的研究。通過試驗探索出了科學合理的微波加熱養(yǎng)護制度；建立了微波加熱養(yǎng)護后測定的早期強度與后期標準強度的對應關系，并給出了混凝土強度預測曲線和預測精度；系統(tǒng)研究水灰比、水泥種類、摻合料種類和摻量的變化對微波加熱預測混凝土早期、后期強度的影響規(guī)律。

1 原理

微波是頻率在300 MHz～300 GHz的電磁波?；炷敛牧现械乃肿訛闃O性分子，在微波高頻電場的作用下反復快速取向轉動而摩擦生熱。微波加熱能夠使混凝土試件迅速升溫，且表里溫差小。而水泥凝結硬化的速度隨著溫度的增加而增加，因此，混凝土試件的強度能夠在更短的時間內達到一個期望的水平。但是，必須注意若微波加熱使用不當也會給混凝土強度測定帶來不利影響，因為當溫度過高時，混凝土內部的水分迅速蒸出而留下大量孔隙，造成嚴重的內部缺陷，在此情況下測定的混凝土強度不能反映在標準養(yǎng)護條件下混凝土的強度。

2 微波加熱養(yǎng)護制度

由微波加熱養(yǎng)護預測混凝土強度的原理可知，合理的微波加熱養(yǎng)護制度是能否通過混凝土早期強度準確預測其后期強度的關鍵。我們期望確立一種微波加熱養(yǎng)護制度，能夠使混凝土在6 h～7 h之間達到一定的強度，且要求該抗壓強度值能夠很好地反映混凝土的7 d，28 d抗壓強度。為實現上述目的，本節(jié)通過試驗系統(tǒng)地研究了微波的能量、持續(xù)加熱時間、時間間隔與總時間以及試件的個數、尺寸、質量和封閉形式對混凝土早期和后期強度的影響，進而確立最佳的微波加熱養(yǎng)護制度。

2.1 試驗概述

試驗流程包括5個步驟：1)混凝土的配制；2)澆筑試件；3)微波間隔加熱；4)混凝土后續(xù)養(yǎng)護；5)抗壓強度測試。

試驗所用微波爐的主要參數如下：微波頻率：2 450 MHz；輸出功率：140 W～700 W；內部尺寸：32 cm×31 cm×18 cm(長×寬×高)。

混凝土水泥、細骨料、粗骨料的質量比為1.0∶1.9∶3.0，水灰比有0.34(添加1%減水劑)，0.4，0.5與0.6四個等級。每種配合比的混凝土制作試件的類型、數量、養(yǎng)護方法等信息如表1所示。其中需要進行微波加熱養(yǎng)護的試件不采用標準立方體試件是為了能夠同時對一組3個試件進行微波加熱養(yǎng)護，保證在相同養(yǎng)護條件下獲得的試件的數量，提高試驗數據的可靠性。圓柱體試件的抗壓強度經修正后才能代表標準抗壓強度，修正系數由標準條件下養(yǎng)護28 d的圓柱體試件與立方體試件的抗壓強度的關系獲得。在無特殊聲明的情況下，本文中提及的圓柱體試件的抗壓強度均指經修正后的抗壓強度。

表1 試件信息匯總

為表述方便，將輸出功率為xW、持續(xù)時間為tmin的一次微波加熱養(yǎng)護記為M(x，t)，將在標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護tmin記為N(t)。例如，M(400,45)+N(300)代表首先采用400 W輸出功率進行微波加熱養(yǎng)護45 min，然后在標準條件下養(yǎng)護300 min。記微波加熱養(yǎng)護混凝土為MCC(Microwave Cured Concret)，標準養(yǎng)護混凝土為NCC(Normal Cured Concrete)。

2.2 微波加熱養(yǎng)護制度的確立

選擇一種合理微波加熱養(yǎng)護制度的標準有：1)早期強度高；2)早期強度反映后期強度的能力；3)后期強度與標準條件下養(yǎng)護的混凝土的后期強度接近。而微波加熱養(yǎng)護制度需要考慮的因素包括混凝土攪拌后等待的時間、微波加熱養(yǎng)護的次數、微波加熱養(yǎng)護持續(xù)的時間、微波加熱養(yǎng)護的時間間隔、微波爐功率與微波加熱養(yǎng)護后等待的時間等。Leung和Pheeraphan探索出混凝土在攪拌后放置30 min，采用低于400 W的功率進行微波加熱養(yǎng)護45 min，4.5 h后測定的早期抗壓強度比較高，并且與在標準條件下養(yǎng)護28 d的混凝土的強度有很好的相關性[4]。他們提出的微波加熱養(yǎng)護制度為本研究提供了很好的工作基礎，但是由于試件尺寸、設備型號以及材料特性等因素的不同，絕不能不加任何修正地完全采納。例如，本研究采用N(30)與M(150,45),M(200,45),M(250,45)及M(300,45)四種微波加熱養(yǎng)護制度組合對混凝土試件進行養(yǎng)護，然后測量5 h，6 h及7 h的抗壓強度。結果表明無論微波加熱養(yǎng)護之后在標準條件下繼續(xù)養(yǎng)護多長時間，混凝土早期抗壓強度總低于3 MPa，尚不足標準條件下養(yǎng)護7 d混凝土抗壓強度的20%，難以滿足預測后期強度的要求。通過觀察壓碎后的混凝土試件發(fā)現試件內部水化程度差或存在大量孔隙，這些現象啟示我們應采取縮短每次微波加熱養(yǎng)護的時間、增加微波加熱養(yǎng)護的次數、延長微波加熱養(yǎng)護的總時間等措施來實現既促使混凝土充分水化又避免水分迅速蒸發(fā)造成混凝土內部缺陷的目的。

結合上述初步成果，我們設計了四種總時間為6 h的微波加熱養(yǎng)護制度，分別為：

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)。

水灰比為0.4的混凝土按以上四種制度養(yǎng)護后的早期抗壓強度如圖1所示。通過圖1可發(fā)現經過對微波加熱養(yǎng)護制度的調整，混凝土試件的早期抗壓強度均有所提高，其中在養(yǎng)護制度③和④下試件抗壓強度的增幅更大，滿足了預測后期強度的要求。進一步比較養(yǎng)護制度③與養(yǎng)護制度④下不同水灰比的混凝土的抗壓強度，圖2表明在養(yǎng)護制度④下不同水灰比混凝土的早期抗壓強度差別很小，不利于后期強度的預測。最后，檢驗按養(yǎng)護制度②進行養(yǎng)護的混凝土的6 h和7 d抗壓強度與標準條件下養(yǎng)護7 d混凝土抗壓強度的關系，由圖3可以看到各種水灰比混凝土的6 h早期抗壓強度值都能夠達到7 d標準養(yǎng)護制度強度的30%左右，并且用微波加熱養(yǎng)護后的混凝土試件7 d的抗壓強度是標準養(yǎng)護的混凝土強度的93%～102%。綜上，微波加熱養(yǎng)護制度③滿足所有對合理養(yǎng)護制度的要求，并且操作簡單，是一種較為理想的養(yǎng)護制度，最終被確立為本研究中的最佳微波加熱養(yǎng)護制度。

3 后期強度預測及摻合料的影響

在已確立的最佳微波加熱養(yǎng)護制度的基礎上，建立起按該制度進行養(yǎng)護的混凝土的早期強度同標準養(yǎng)護7 d及28 d混凝土強度的關系，并進一步研究了摻合料對兩者之間關系的影響，為利用加速養(yǎng)護方法及早測量混凝土強度在實際工程中的應用鋪平道路。

3.1 普通混凝土加速養(yǎng)護早期強度與標準養(yǎng)護后期強度的關系

由微波加熱養(yǎng)護制度的選擇標準可知合理的養(yǎng)護制度必須符合一系列嚴格的要求，這些要求都是為準確的預測后期強度而提出的。因此，一旦找到了理想的微波加熱養(yǎng)護制度，建立加速養(yǎng)護早期強度與標準養(yǎng)護后期強度的關系就變成了一項水到渠成的工作。

圖4揭示出普通混凝土經微波加熱養(yǎng)護6 h的抗壓強度與標準條件下養(yǎng)護7 d的抗壓強度具有很好的相關性。以冪函數擬合它們之間的關系得到：

S7 d-NCC=10.74×(S6 h-MCC)0.73

(1)

其中，S6 h-MCC為混凝土加速養(yǎng)護6 h的抗壓強度；S7 d-NCC為混凝土標準養(yǎng)護7 d的抗壓強度。通過式(1)就可以根據微波加熱養(yǎng)護6 h的抗壓強度得到標準養(yǎng)護7 d混凝土的抗壓強度。圖5比較了實測標準養(yǎng)護7 d混凝土抗壓強度與預測強度，通過比較可知式(1)能夠準確地預測標準養(yǎng)護7 d混凝土抗壓強度，預測誤差在±9%之內。

圖6揭示出普通混凝土經微波加熱養(yǎng)護6 h的抗壓強度與標準條件下養(yǎng)護28 d的抗壓強度也有很好的相關性。以冪函數擬合它們之間的關系得到：

S28 d-NCC=13.01×(S6 h-MCC)0.76

(2)

其中，S6 h-MCC為混凝土加速養(yǎng)護6 h強度；S28 d-NCC為混凝土標準養(yǎng)護28 d強度。同樣地，測出微波加熱養(yǎng)護6 h的抗壓強度，通過式(2)就可以推測標準養(yǎng)護混凝土的28 d抗壓強度。從圖7中可以看到式(2)預測后期強度的誤差小于13%。

3.2 摻合料種類對加速養(yǎng)護預測強度的影響

本小節(jié)研究在混凝土中添加硅灰、礦渣和粉煤灰對混凝土早期強度的影響，主要目的是檢驗在添加摻合料的情況下，微波加熱養(yǎng)護預測混凝土強度的做法是否仍然可行。試驗中分別采用硅灰，礦渣，粉煤灰均取代10%的水泥用量，在水膠比為0.5的條件下，比較按最佳微波加熱養(yǎng)護制度進行養(yǎng)護的混凝土的抗壓強度與標準養(yǎng)護7 d，28 d的混凝土抗壓強度。如圖8所示，微波加熱養(yǎng)護后的抗壓強度值都能夠達到標準養(yǎng)護7 d強度的17.31%～24.19%，摻有硅灰和礦渣的混凝土強度較高，而摻有粉煤灰的混凝土強度較低，這與已知的摻硅灰與礦渣的混凝土早期性能優(yōu)于粉煤灰混凝土的實驗結果是相一致的，即微波加速養(yǎng)護制度對摻礦物摻合料的混凝土強度發(fā)展規(guī)律并未造成異常影響[8]。用微波加熱養(yǎng)護后再進行標準養(yǎng)護的混凝土試件7 d強度是標準養(yǎng)護的混凝土7 d強度的92.22%～100.99%，基本接近標準養(yǎng)護下的混凝土抗壓強度。但摻硅灰的混凝土7 d微波養(yǎng)護強度略低于摻礦渣和硅灰的混凝土，這可能與硅灰巨大的比表面積造成自由水迅速減少有關，另外硅灰的火山灰活性大，水化產物形成太快，產物顆粒堆積不夠合理，這樣微波的加速養(yǎng)護將導致硅灰混凝土內部結構的輕微損傷。綜上，通過微波加熱養(yǎng)護混凝土的早期強度預測混凝土強度仍然可行。

4 結語

本文為混凝土強度的快速測定提供了一種有效方法，即通過微波加熱養(yǎng)護混凝土，測量混凝土6 h的早期抗壓強度并以此預測后期抗壓強度。研究得到了如下結論：

1)微波加熱能夠促進混凝土早期強度快速發(fā)展；

2)微波加熱采用的功率、延續(xù)時間、次數等多種因素對混凝土早期強度有顯著影響，本研究通過試驗探索出一套最佳微波加熱養(yǎng)護制度。該制度為混凝土攪拌后在標準養(yǎng)護條件下放置30 min，采用150 W的輸出功率進行第一次微波加熱45 min，間隔120 min后再采用150 W的輸出功率進行第二次加熱45 min，然后在標準養(yǎng)護條件下放置240 min；

3)按最佳微波加熱養(yǎng)護制度養(yǎng)護的混凝土的6 h抗壓強度與在標準條件下養(yǎng)護7 d，28 d的混凝土的抗壓強度有很好的相關性，可以用冪函數建立它們之間的關系，從而通過加速養(yǎng)護混凝土的早期強度預測混凝土的后期強度；

4)在添加摻合料的情況下，通過微波加熱養(yǎng)護混凝土的早期強度預測其后期強度的方法仍然適用。

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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，助理工程師; 呂 丹(1981- )，女，工程師

TU528

A