不同養(yǎng)護(hù)條件下C40混凝土強度演化試驗研究

吳 翔

海南省滬建建設(shè)有限公司 海南 海口 571157

不同于鋼材，時變性和波動性是混凝土材料性能發(fā)展的兩大特征。與“先檢測，后使用”的鋼材質(zhì)量控制原則不同，混凝土材料一直沿用“先澆筑，后檢測”的質(zhì)量控制方法。混凝土材料澆筑后，現(xiàn)有研究對結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測主要集中在荷載作用效應(yīng)方面（應(yīng)力、應(yīng)變及變形）[1-3]，而對結(jié)構(gòu)可靠性具有重要影響的混凝土材料力學(xué)性能實時發(fā)展?fàn)顟B(tài)缺乏高效的監(jiān)測與評估方法，混凝土施工過程質(zhì)量控制一直都是一個挑戰(zhàn)。實現(xiàn)混凝土實體力學(xué)性能的實時評估，一方面，對于施工決策（拆模、預(yù)應(yīng)力操作、養(yǎng)護(hù)措施的撤出以及加快施工進(jìn)程等）、質(zhì)量實時監(jiān)控與預(yù)防工程事故具有積極的作用和顯著的社會、經(jīng)濟效益；另一方面，掌握混凝土實體力學(xué)性能發(fā)展動態(tài)對于其他相關(guān)性能的研究可起到關(guān)鍵性作用，例如，在大體積混凝土中，硬化過程的水化放熱引發(fā)了多種熱力學(xué)效應(yīng)，對這些現(xiàn)象的了解與掌握對于重大工程（如超高層建筑基礎(chǔ)）顯得尤為重要。因此，如何精準(zhǔn)估測混凝土的強度演化規(guī)律是當(dāng)前困擾工程界的一大難題。

前人的研究指出，混凝土的強度演化受多因素影響，但當(dāng)其配比及施工工藝明確后，養(yǎng)護(hù)溫度與齡期則是影響其強度演化的決定性因素。大體積混凝土澆筑過程中，溫度會對混凝土的強度造成影響甚至造成溫度裂縫的出現(xiàn)，抗壓強度正比于度時積（溫度和時間的積）。因此，成熟度理論被提出來，以考慮溫度與齡期兩者對強度的影響。由于此法相對簡單易用，且有效地節(jié)省在施工過程中所需要的人力與物力，對結(jié)構(gòu)物強度的預(yù)測精度能夠滿足工程需求，因而在工程上使用廣泛。

目前，大部分的強度-成熟度試驗[4-7]均采用室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，而室外不同季節(jié)養(yǎng)護(hù)條件下的混凝土強度-成熟度研究十分有限[8]。因此，本文以C40混凝土為對象，開展不同養(yǎng)護(hù)條件下的試驗研究分析，揭示養(yǎng)護(hù)條件對C40混凝土強度增長的影響規(guī)律。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗所用水泥為安徽銅陵海螺水泥有限公司生產(chǎn)的海螺牌P.Ⅱ 52.5水泥，該水泥的基本物理力學(xué)性能如表1所示。砂為天然河砂，屬于中砂，細(xì)度模數(shù)為2.69，砂的級配情況如表2所示；粉煤灰選用華能Ⅱ級粉煤灰，其物理力學(xué)性能如表3所示；石子為產(chǎn)自揚州的5～25 mm連續(xù)級配的碎石；水為自來水。

表1 水泥的基本物理力學(xué)性能

表2 砂級配分布

表3 粉煤灰物理、化學(xué)性能

1.2 混凝土配合比設(shè)計

調(diào)節(jié)減水劑使得新拌混凝土坍落度控制在180 mm±30 mm，混凝土的配合比為：水泥∶水∶砂∶石∶礦粉∶粉煤灰∶減水劑＝460∶155∶639∶1 003∶64∶53∶5.77。

1.3 試驗方法

混凝土抗壓強度試塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，攪拌完成后將新拌混凝土放置于不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境中，標(biāo)養(yǎng)條件下的混凝土試塊先移至恒溫恒濕室內(nèi)24 h，隨后脫模放入標(biāo)養(yǎng)室；自然養(yǎng)護(hù)的試塊則放置于室外養(yǎng)護(hù)24 h后脫模即可。其中，自然養(yǎng)護(hù)考慮季節(jié)因素，本文分別于2019年1月、2019年3月、2019年10月以及2020年7—8月進(jìn)行試驗，用于分析上海市冬季、春季、秋季及夏季的養(yǎng)護(hù)條件對C40混凝土強度的影響情況，其溫度曲線如圖1所示。

圖1 不同季節(jié)室外養(yǎng)護(hù)溫度曲線

2 試驗結(jié)果與分析

通過測定標(biāo)養(yǎng)及不同季節(jié)自然養(yǎng)護(hù)條件下，混凝土試塊1、3、5、7、14及28 d齡期的抗壓強度，并利用Saul成熟度計算公式〔式（1）〕計算不同養(yǎng)護(hù)條件下各齡期的成熟度，其計算結(jié)果如表4所示。

由表4可知，溫度將會對混凝土強度造成顯著的影響。冬季養(yǎng)護(hù)的混凝土各個齡期強度均低于其他養(yǎng)護(hù)溫度下的混凝土強度，這表明冬季較低的室外環(huán)境溫度將使混凝土強度的增長受到阻礙，尤其是對于早齡期的混凝土而言。然而，此因素對強度的影響是隨著混凝土齡期的增大而逐漸減弱的。持續(xù)的水泥水化作用使得混凝土強度得到增長，冬季的持續(xù)低溫環(huán)境降低了混凝土內(nèi)水化反應(yīng)的速率與水化程度，因而混凝土的強度增長速度下降。

表4 C40混凝土抗壓強度值與成熟度計算結(jié)果

夏季養(yǎng)護(hù)條件下混凝土7 d前的強度顯著高于其他養(yǎng)護(hù)條件下的混凝土強度，而后期強度略高于室內(nèi)養(yǎng)護(hù)及春秋季節(jié)養(yǎng)護(hù)的混凝土強度。這是由于養(yǎng)護(hù)溫度的提高使得混凝土內(nèi)水化反應(yīng)速率得到提升，從而提高了其強度。然而，夏季炎熱的氣候條件也會造成混凝土內(nèi)部的水分大量蒸發(fā)散失，進(jìn)而阻礙了水泥的繼續(xù)水化。Spears[9]指出，混凝土內(nèi)部的相對濕度低于80%時，水泥的水化反應(yīng)將會趨于停止；同時，混凝土由于干燥收縮而產(chǎn)生拉應(yīng)力，會造成表面裂縫的出現(xiàn)，致使其強度降低。

成熟度可用于表現(xiàn)混凝土性能的改變。Carino[10]指出，混凝土的抗壓強度與成熟度兩者間是一一映射的，比較經(jīng)典的有3種，如表5所示。

表5 強度-成熟度關(guān)系

為了得到混凝土強度與成熟度之間的關(guān)系，將表5中的3種模型分別進(jìn)行擬合，所得到的預(yù)測強度與實測強度之間的偏差如圖2所示。

圖2 不同養(yǎng)護(hù)條件下相同成熟度時實測強度與預(yù)測強度關(guān)系

從圖2中可以看出，采用雙曲函數(shù)式預(yù)估混凝土的強度值時，其估測誤差均小于10%；采用指數(shù)函數(shù)式時，其7 d之前的預(yù)測偏差范圍均超過10%，甚至超過20%；當(dāng)采用對數(shù)函數(shù)式預(yù)測其早期強度時，其預(yù)測精準(zhǔn)度介于指數(shù)式與對數(shù)式之間。因此，雙曲函數(shù)式較適合本次試驗中對C40混凝土強度的預(yù)測，則不同養(yǎng)護(hù)條件下混凝土強度-成熟度公式表示如下。

1）20 ℃標(biāo)養(yǎng)時，公式為：f=M/(0.018 2M＋51.4)。

2）春季室外養(yǎng)護(hù)時，公式為：f=M/(0.020 33M＋43.05)。

3）夏季室外養(yǎng)護(hù)時，公式為：f=M/(0.019 38M＋27.44)。

4）秋季室外養(yǎng)護(hù)時，公式為：f=M/(0.020 30M＋45.07)。

5）冬季室外養(yǎng)護(hù)時，公式為：f=M/(0.022 29M＋46.89)。

3 結(jié)語

本文針對不同養(yǎng)護(hù)條件下，C40混凝土強度-成熟度之間的映射關(guān)系開展了試驗研究，結(jié)果表明：

1）混凝土強度與養(yǎng)護(hù)溫度呈正比關(guān)系，養(yǎng)護(hù)溫度越高，混凝土抗壓強度（尤其是早期強度）也越大。

2）混凝土強度也受到濕度的影響，在高溫、低濕度的環(huán)境中，混凝土強度的增長會受到影響，因此，夏季室外混凝土澆筑過程中應(yīng)特別注意保濕養(yǎng)護(hù)。

3）相比指數(shù)函數(shù)與對數(shù)函數(shù)形式，采用雙曲函數(shù)可以較為精準(zhǔn)地表征不同養(yǎng)護(hù)條件下混凝土抗壓強度-成熟度之間的映射關(guān)系，可為混凝土結(jié)構(gòu)施工提供技術(shù)參考。