不同強度等級及養護條件下的混凝土結構強度演化試驗研究

徐 俊 朱 然 占羿箭 朱敏濤 李鑫奎

1. 上海建工集團股份有限公司 上海 200080；2. 上海高大結構高性能混凝土工程技術研究中心 上海 200080；3. 上海建工材料工程有限公司 上海 200240

近年來，隨著我國城市化水平的不斷提升，土木工程建設呈現蓬勃發展的姿態，高層和超高層建筑不斷涌現[1]，隨之而來的大體積混凝土、高強/超高強混凝土和超高泵送混凝土也給施工帶來了新的技術挑戰。

對于采用大體積混凝土澆筑的基礎底板而言，其溫度與結構強度演化及結構裂縫控制緊密相關，混凝土結構強度必須滿足設計要求，否則結構安全風險難以得到有效控制；與此同時，為滿足工程施工進度要求，高層和超高層建筑上部結構施工一般速度較快，通常維持在3～7 d/層，然而只有本層混凝土結構強度達到設計要求后，才能拆除模板、爬升模架，進行下一層結構施工，否則很可能造成工程事故。

目前，工程中對混凝土結構強度的評估普遍采用同條件養護、回彈法或超聲回彈法、鉆芯取樣等方法。然而，這些方法要么無法科學反映混凝土實體結構強度發展狀態，要么需要破壞結構，并且一般只能在混凝土結構澆筑28 d后進行，屬于事后評估，缺乏時效性和代表性，存在明顯的不足，難以滿足現代混凝土結構施工需要[2-3]。相比之下，運用成熟度方法預測混凝土結構強度演化狀態，是一種切實可行的實時、原位無損檢測技術[4-6]。目前，該技術已在美國密歇根州Grand River道路、紐約自由塔等典型工程項目中得到了廣泛應用。

本文以成熟度理論為研究基礎，針對不同強度等級（C30、C40及C60）的混凝土，探索其在不同養護條件（標準養護、自然養護及60 ℃高溫養護）下的結構強度演化規律，以期為現代混凝土工程建造提供相關的技術支持與保障。

1 試驗研究

1.1 混凝土配合比設計

本文試驗配合比均采用工程項目實際施工配合比，主要涉及C30、C40及C60三種強度等級，其水膠比分別為0.41、0.39、0.27，具體如表1所示。

表1 C30、C40及C60混凝土配合比設計單位：kg/m3

1.2 混凝土性能指標測試

混凝土抗壓強度及靜彈性模量指標按照國家標準GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行測定。

1.3 混凝土溫度監測

1）溫度采集：采用分體式設計單元，溫度傳感器埋入混凝土，數據存儲標簽安裝在混凝土本體空間之外，可重復利用，且可實現多個溫度傳感器連接，避免因故障導致數據丟失，如圖1所示。

2）數據傳輸：采用基于RFID技術的無線數據傳輸單元，實現溫度數據的長距離、低功耗、高穿透率、可組網傳輸，并且該單元具有封裝體積小、防水防振、電池易更換等優點，如圖2所示。

圖1 溫度采集單元

圖2 數據傳輸單元

3）接收顯示終端：采用移動端及PC端，方便隨時查看溫度數據，調整監測時間間隔。

2 結果及分析

本文將埋設溫度傳感器的不同強度等級混凝土試塊置于不同養護條件下進行養護，實時監測其內部溫度數據，同時根據Nurse-Saul成熟度方程計算其成熟度，并測試不同齡期（1 d、3 d、7 d、14 d及28 d）混凝土的抗壓強度及靜彈性模量指標，研究混凝土材料的強度演化規律。Nurse-Saul成熟度方程如式（1）所示：

式中：M——成熟度（℃·h或℃·d）；

T——時間間隔?t內混凝土平均溫度（℃）；

T0——基準溫度（℃），基準溫度是指混凝土強度 不再隨齡期增長而增加的溫度，即混凝土 內部水化反應停止的溫度，通常?。?0 ℃； JGJ/T 104—2011《建筑工程冬季施工規程》 中規定當采用蓄熱法或綜合蓄熱法施工時， 其基準溫度取為－15 ℃；

?t——時間間隔（h或d）。

2.1 不同養護條件下混凝土結構強度演化規律

為切合工程實際情況，本試驗以C40混凝土為對象，對標準養護、自然養護（參考工程實際環境）以及60 ℃高溫養護（參考大體積混凝土環境）這3種養護模式展開研究。

2.1.1 標準養護

標準養護是指將制備的混凝土試塊置于溫度20 ℃±2 ℃、相對濕度95%以上的混凝土標養室內進行的養護。該條件下混凝土內部溫度與養護溫度變化曲線如圖3所示。

混凝土性能指標測試結果如表2所示。

表2 混凝土性能測試指標（標準養護）

采用式（1）計算得到成熟度M，使用Matlab軟件分析得到抗壓強度fc隨成熟度M的變化曲線如圖4所示。

圖3 混凝土內部溫度與標準養護 環境溫度變化曲線

其中，a＝11.13，b＝－60.7，相關系數R2＝0.996。

2.1.2 自然養護

自然養護是指將制備的混凝土試塊置于室外自然環境下進行的養護，用于模擬工程實際施工條件下混凝土結構強度演化情況。該條件下混凝土內部溫度與自然環境溫度變化曲線如圖5所示。

混凝土性能指標測試結果如表3所示。

表3 混凝土性能測試指標（自然養護）

采用式（1）計算得到成熟度M，隨后使用Matlab軟件分析得到抗壓強度fc隨成熟度M的變化曲線，如圖6所示。

綜上所述，將多種影像聯合診斷用于瘢痕妊娠合并子宮動靜脈瘺中能獲得較高的診斷效能，能為臨床診療提供影像學依據和參考，值得推廣應用。

圖5 混凝土內部溫度與自然 環境溫度變化曲線

圖6 混凝土抗壓強度隨成熟度 變化曲線（自然養護）

擬合得到fc與M之間的映射關系也比較接近對數函數模型關系，如式（3）所示：

其中，a＝8.212，b＝－39.65，相關系數R2＝0.986 3。

2.1.3 60 ℃高溫養護

60 ℃高溫養護是指采用數顯溫控電熱加熱設備將養護水加熱至60 ℃并維持恒溫，而后將制備的混凝土試塊置于該水浴環境進行的養護，用于模擬高溫環境下（如大體積混凝土環境）混凝土結構強度演化情況。該條件下混凝土內部溫度與自然環境溫度變化曲線如圖7所示?；炷列阅苤笜藴y試結果如表4所示。

采用Saul公式計算得到成熟度M，使用Matlab軟件分析得到抗壓強度fc隨成熟度M的變化曲線，如圖8所示。

擬合得到fc與M之間的映射關系也比較接近對數函數模型關系，如式（4）所示：

其中，a＝12.59，b＝－75.16，相關系數R2＝0.893 4。

表4 混凝土性能測試指標（60 ℃高溫養護）

圖7 混凝土內部溫度與高溫養護 環境溫度變化曲線

圖8 混凝土抗壓強度隨成熟度 變化曲線（60 ℃高溫養護）

2.1.4 不同養護條件下混凝土結構強度演化之間的函數關系

以3種不同養護條件下混凝土結構強度演化數據為基礎，通過Matlab擬合函數方程，建立相互之間的映射關系，實現實驗室標準養護條件下混凝土結構強度演化數據的工程化轉換應用。式（5）、式（6）分別表示60 ℃高溫養護及自然養護條件下混凝土結構強度fc1、fc2與標準養護條件下混凝土結構強度fc0之間的三角函數映射關系。

其中，a01＝－3.629×107，a1＝3.629×107，b1＝－7.486× 104，w1＝－4.444×10-5，相關系數R2＝0.998 7。

其中，a02＝－2.847×109，a2＝2.847×109，b2＝－5.017×105，w2＝－2.395×10-6，相關系數R2＝0.998 8。

圖4、圖6與圖8表明，不同養護條件下混凝土結構強度演化曲線均基本符合對數函數模型關系，而且不同養護條件下混凝土結構強度演化之間存在一定的映射關系，該關系可由三角函數關系表征。

2.2 不同強度等級混凝土結構強度演化規律

針對C30、C40及C60這3種工程廣泛應用的不同強度等級混凝土，研究其在標準養護條件下，混凝土結構強度演化規律，并分析其差異化特點，為工程實踐提供理論指導，試驗結果如表5、表6所示。

同樣地，采用式（1）計算得到成熟度M，隨后使用Matlab軟件分析得到C30、C60兩種不用強度等級混凝土抗壓強度fc隨成熟度M的變化曲線，如圖9、圖10所示。

同樣地，C30強度等級混凝土fc與M之間的映射關系比較接近指數函數模型關系，而C60強度等級混凝土與C40強度等級相似，其fc與M之間的映射關系比較接近對數函數模型關系，擬合公式如式（7）及式（8）所示：

表5 混凝土性能測試指標（C30）

表6 混凝土性能測試指標（C60）

圖9 混凝土抗壓強度隨成熟度 變化曲線（C30）

圖10 混凝土抗壓強度隨成熟度 變化曲線（C60）

其中，a＝1.207，b＝0.350 8，c＝－2.285，相關系數R2＝0.991 8。

其中，a＝10.89，b＝－41.67，相關系數R2＝0.797 8。

分析圖4、圖9以及圖10可知，不同強度等級混凝土結構強度演化規律基本一致，均隨成熟度的增加而上升，不同之處在于C30混凝土呈指數函數上升，而C40及C60混凝土則呈對數函數上升。

3 結語

1）建立了3種不同養護條件下混凝土結構強度演化曲線擬合方程，均基本符合對數函數模型關系，為自然環境及60 ℃高溫環境下混凝土結構工程施工提供強有力的技術支撐。

2）建立了3種不同養護條件下，混凝土結構強度演化之間的相互映射關系，均基本符合三角函數關系，實現實驗室標準養護條件下，混凝土結構強度演化數據的工程化轉換應用，有效解決了實際工程項目試驗條件相對薄弱的缺陷。

3）建立了3種不同強度等級混凝土結構強度演化曲線擬合方程，相同之處在于不同強度等級混凝土結構強度演化規律基本一致，均隨成熟度的增加而上升，不同之處在于C30混凝土呈指數函數上升，而C40及C60混凝土則呈對數函數上升，為C30、C40及C60混凝土結構工程施工提供強有力的技術支撐。

4）混凝土原材料及配合比設計等因素差異，會對研究的規律方程產生一定的影響，下一步將重點針對上述問題展開研究，以期確定其合理的偏差范圍[7-11]。