水工混凝土抗壓強度受溫度及材料組成的影響研究

李亞楠

(朝陽縣水務局，遼寧 朝陽 122000)

依據材料學定義的強度和混凝土強度，強度是混凝土力學性能中具有代表性且比較容易測定的指標，與其他指標的相關性較好[1-2]。因此，強度為工程建設和結構設計普遍使用的控制指標[3]。目前，混凝土強度受不同溫濕度養護過程及不同材料組成的研究成果較多，如程智清等探討了粉煤灰混凝土低溫養護條件下的早期強度，提出早期強度受低溫不利影響顯著，必須采取有效的養護措施；A.A Ramezanianpour等探討了四種不同養護條件下摻加硅灰、粉煤灰、礦渣及普通硅酸鹽混凝土的抗壓強度，結果顯示摻合料摻入后，為保證必要的指標性能需要更長的濕養時間[4-5]。國內外現有研究成果大多側重于濕度的變化，而設定養護條件時大多保持溫度不變，該養護條件與實際工程相差較大，并且溫度也是水泥水化不可忽視的重要因素[6-10]。鑒于此，文章深入探討了水工混凝土強度受溫度條件、粉煤灰摻量和水膠比的影響規律，旨在為評價工程施工養護措施、混凝土材料組成等工程實際提供一定指導。

1 試驗方法

1.1 原材料準備

試驗采用普通硅酸鹽P·O 42.5級水泥，砂為人工砂與天然砂混合砂，砂樣篩余百分率(10mm篩)1.8%，細度模數3.2，干砂表觀密度2520kg/m3；選用人工碎石，其干表觀密度2640kg/m3，粒徑5-20mm，砂石料來源于天然料場；粉煤灰為Ⅱ級，燒失量5.86%，其他性能指標符合設計要求；外加劑選用高效緩凝型減水劑，經檢測固含量1.156g/mL。

1.2 配合比設計

以粉煤灰和水泥作為膠凝材料，外加劑摻量2.4%，水膠比設計0.40、0.45、0.50三種，試驗配合比見表1。試驗過程中，依次將稱量好的粗細骨料、礦物摻合料、水泥等原料投入攪拌機，先干拌180s至混合均勻，再加入減水劑和水攪拌180s后倒出，將拌合物裝入抗壓強度試模，試模尺寸150mm×150mm×150mm。拌合物裝填前，先用脫模劑涂刷試模內壁以保證后期順利脫模，然后用振搗棒振搗混凝土密實，將表面利用抹子抹平，室溫靜置24h后拆模、編號，并結合實際情況送標養室養護至設計齡期。標準養護條件下相對濕度≥95%，控制溫度為20℃±2℃，利用人工模擬氣候試驗室設置其余養護條件。

表1 試驗配合比設計 kg/m3

A、B、C、D代表四類不同養護條件，其中Ⅰ類代表標準養護28d；Ⅱ類代表第1d起養護溫度30℃、相對濕度100%、持續時間48h，其余時段標準養護；Ⅲ類代表第3d起養護溫度30℃、相對濕度100%、持續時間48h，其余時段標準養護；Ⅳ代表第5d起養護溫度30℃、相對濕度100%、持續時間48h，其余時段標準養護。數字0、1、2、3分別代表100%水泥、10%粉煤灰+90%水泥、20%粉煤灰+80%水泥、30%粉煤灰+70%水泥。

1.3 強度檢測

根據《水工混凝土試驗規程》測定規定齡期下各試件的抗壓強度，為了保證測試精準度每組試件有3個，取平均值作為最終檢測結果。

2 結果與分析

2.1 水膠比對抗壓強度的影響

標準養護試驗編號為A-0-0.40、A-0-0.45、A-0-0.50三組試件至28d齡期，測試其抗壓強度依次為41.6MPa、35.0MPa、32.8MPa，水膠比越大則抗壓強度越低，如圖1所示。

圖1 水膠比與抗壓強度關系

經擬合計算，可以用Abrams’準則反映水膠比與抗壓強度之間的關系：

fc=k1/k2w/c

(1)

式中：fc為抗壓強度；k1、k2為擬合參數；w/c為水膠比。結果顯示，k1、k2值分別為135.340、13.116。圖1中Abrams’s準則的擬合相關系數R2為0.98，擬合曲線具有較好的適用性，該曲線能夠反映水膠比對抗壓強度的影響[11-14]。

2.2 粉煤灰摻量對抗壓強度的影響

標準養護試驗編號為A-0-0.45、A-1-0.45、A-2-0.45、A-3-0.45四組試件至28d齡期，以探討不同粉煤灰摻量對抗壓強度的影響。結果顯示，采用粉煤灰等量替換0%、10%、20%、30%的水泥，各試件28d標準齡期抗壓強度依次為35.2MPa、34.7MPa、32.0MPa、31.5MPa，如圖2所示。研究發現，將粉煤灰摻入混凝土中會降低抗壓強度，并且摻量越高強度下降幅度越明顯。

圖2 粉煤灰摻量與抗壓強度關系

2.3 溫度對抗壓強度的影響

本試驗探討了水工混凝土抗壓強度受不同時間節點上的溫度變化影響，設置試驗齡期為7d、21d、28d、56d、90d。從1d、3d、5d起保持高溫48h后繼續標準溫度養護至不同齡期的B-0-0.45、C-0-0.45、D-0-0.45試件，其7d抗壓強度依次為27.8MPa、23.1MPa、26.0MPa，21d抗壓強度依次為35.1MPa、32.5MPa、35.4MPa，28d抗壓強度依次為41.2MPa、33.0MPa、36.5MPa，56d抗壓強度依次為42.3MPa、37.6MPa、38.2MPa，90d抗壓強度依次為40.3MPa、36.8MPa、36.2MPa，如圖3所示。

圖3 養護溫度與抗壓強度關系

以各齡期C-0-0.45試件抗壓強度為基準，則B-0-0.45、C-0-0.45、D-0-0.45試件7d強度差異為20.35%、0、12.55%，21d強度差異為8.00%、0、8.92%，28d強度差異為24.85%、0、10.61%，56d強度差異為12.50%、0、1.60%，90d強度差異為9.51%、0、-1.63%。研究表明，隨齡期的延長溫度對混凝土抗壓強度的影響逐漸減弱；與其他試件相比B-0-0.45試件的強度差異比較明顯，而C-0-0.45、D-0-0.45試件的各齡期強度差異較小。具體而言，前3d內溫度增加混凝土強度的效果更加明顯，3d后溫度的增強作用減弱，該研究結論與前3d內水泥水化最劇烈的觀點保持一致。

2.4 討論分析

通過對比水工混凝土抗壓強度受以上各因素的影響程度可知，抗壓強度受水膠比的影響最為顯著，將粉煤灰摻入混凝土中會降低強度，但有利于改善混凝土密實度和耐久性；強度增長速度隨溫度的升高而增大，但溫度對強度的影響隨齡期的延長逐漸減弱[15-17]。水膠比是決定抗壓強度的關鍵因素，配合比設計時應結合具體情況合理選擇；對于有耐久性要求的混凝土可以摻入粉煤灰、礦粉等摻合料，但摻量不宜過高；針對早期強度要求較高的混凝土可適當提升養護溫度，并且長期強度受溫度條件的影響較低。

3 結 論

本試驗研究了標準混凝土試樣抗壓強度受不同溫度養護條件、不同粉煤灰摻量、不同水膠比的影響及其變化變化規律，主要結論如下：

1)水膠比是決定抗壓強度的關鍵因素，Abrams’s準則的擬合系數R2為0.98，擬合曲線具有較好的適用性，即可以利用Abrams’準則反映水膠比與抗壓強度之間的關系；將粉煤灰摻入混凝土中會降低抗壓強度，并且摻量越高強度下降幅度越明顯，但有利于改善混凝土密實度和耐久性。

2)隨齡期的延長溫度對混凝土抗壓強度的影響逐漸減弱，前3d內溫度增加混凝土強度的效果更加明顯，3d后溫度的增強作用減弱，該研究結論與初期水泥水化最劇烈的觀點保持一致。因此，針對早期強度要求較高的混凝土可適當提升養護溫度，并且長期強度受溫度條件的影響較低。