成熟度法預測混凝土極早齡期強度的應用

趙明強, 詹炳根, 張衛星, 楊永敢, 張趙強, 楊詠三

(1.合肥工業大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009;2.土木工程結構與材料安徽省重點實驗室,安徽 合肥 230009;3.中國能源建設集團安徽電力建設第二工程有限公司,安徽 合肥 230601)

混凝土的極早齡期強度一般指混凝土從澆筑成型開始至3 d之間的強度,極早期混凝土內水泥水化反應最為劇烈,混凝土強度發展極為迅速。很多混凝土結構工程施工具有承接性,必須等待混凝土強度達到規定的強度才能進行下一步施工。過早拆模可能造成混凝土強度未達到規定強度,進而發生重大安全事故;過晚拆模會延長工程施工工期,降低模板使用率,增加施工成本。文獻[1]指出需要對混凝土早期強度的發展進行監控和準確的預測,從而確定拆模時間。

成熟度的概念由Saul于1951年提出[2],其觀點認為在混凝土材料組成一定的情況下,混凝土的強度增長是溫度和時間2種因素綜合影響的結果,且強度是以水的冰點開始計算的溫度與時間乘積的函數;文獻[2]提出的成熟度規則為:材料組成相同時,當混凝土的成熟度相等時對應的強度是相等的,與混凝土的溫度歷史無關。關于混凝土成熟度,國內外的相關研究成果較豐富[3-6]。文獻[7]研究結果表明,用成熟度能夠高效準確地預測混凝土早期強度發展動態;文獻[8]指出,對于成熟度預測,國內外研究者只研究了3 d以上齡期的混凝土,缺乏對于齡期小于3 d的相關研究。而成熟度規則對于極早齡期的混凝土是否適用,是亟待研究的問題。本文的工作就是研究成熟度規則對于極早齡期混凝土的適用性,建立極早齡期混凝土強度與成熟度之間的關系,對極早齡期強度進行預測。

1 試驗方案與方法

1.1 原材料與混凝土配合比

水泥選用祁陽海螺水泥有限公司提供的P.O 42.5水泥,其有關的性能指標見表1所列。

表1 P.O 42.5硅酸鹽水泥的性能指標

砂為永州市東安縣所產中砂,中砂細度模數為2.9,堆積密度為1 580 kg/m,表觀密度為2 620 kg/m3。石子為永州市東安縣所產碎石,顆粒級配為5.0～31.5 mm,表觀密度為2.72 g/cm3。外加劑為山西凱森科技有限公司生產的緩凝型高效減水劑,摻合料為湖南邵陽所產粉煤灰,水為東安縣當地自來水。

試驗所用C30、C35、C40混凝土材料配合比見表2所列。

表2 試驗所用混凝土材料配合比 單位:kg/m3

1.2 試驗方案

對C30、C35和C40 3種混凝土均設計標準養護與自然養護2種不同的溫度歷程。成熟度法能否準確預測極早齡期混凝土強度,取決于成熟度規則在極早齡期是否成立。混凝土成熟度規則在極早齡期是否適用,主要判斷混凝土在不同的溫度歷程下成熟度相等時,其對應的強度是否大致相等。在不同的溫度歷程下,在混凝土內部布置溫度傳感器采集內部溫度,并在規定齡期設計抗壓強度試驗,得到混凝土在此齡期的抗壓強度。合適的成熟度計算公式選取以滿足成熟度規則為主,對設計的不同溫度歷程,利用成熟度公式計算成熟度,在不同溫度歷程下取相等成熟度,根據混凝土強度是否相等決定成熟度計算公式是否合適;并根據經時溫度測量試驗與抗壓強度試驗結果,分析判斷成熟度規則在混凝土極早齡期的適用性,判斷方法為:在不同溫度歷程下取相等成熟度,其對應的強度若大致相等,則判斷為適用。

根據經時溫度測量試驗與抗壓強度試驗所得的數據,通過Origin軟件建立強度預測模型,并對每種混凝土都在不同的溫度歷程下設計預測模型驗證試驗,判斷強度預測模型的準確性,最終判斷成熟度法對混凝土極早齡期強度是否具有較好的預測效果。

1.3 試驗內容和方法

1.3.1 試驗內容

(1) 混凝土內部溫度測量。對于工程中常用的C40混凝土,選取自然溫度不同時段養護環境和標準養護環境,成型150 mm×150 mm×300 mm試件。每種環境成型試件2只,在每只試件中分別設置4只溫度傳感器,連續實時記錄溫度隨時間變化的關系。實時測定的溫度取所有溫度傳感器的平均值。

(2) 各齡期抗壓強度測量。制作混凝土抗壓強度試件,在試驗規定齡期測定混凝土抗壓強度:C30與C40混凝土依次在12～64 h、8～60 h每隔4 h測量1次強度,C35混凝土在10～26 h每隔2 h測量1次強度。按照文獻[9]進行抗壓強度試驗,每個齡期1組,每組3個試件。

強度試件和測溫試件放在相同環境下養護。

1.3.2 試驗方法

(1) 混凝土內部經時溫度測量。成型150 mm×150 mm×300 mm試模4只,按標準試驗方法澆注振搗成型混凝土,在每個試模中埋置4個溫度傳感器電偶線探頭,每個點布置在4個頂點角平分線上距頂點28.28 cm、高度位于長方體高度的中點處。4個試模分為2組,一組放在標準條件下養護,另一組放置在自然條件下養護,養護環境分別與抗壓試件處于相同條件。放置好后,立即打開溫度測試儀主機,測溫儀開始自動測量混凝土內部溫度,并記錄測試時間。

(2) 各齡期抗壓強度的測量。按照標準方法成型150 mm×150 mm×300 mm標準混凝土立方體試件14×2組(C35混凝土為9×2組)。澆筑振搗密實后14(9)組進行標準養護,14(9)組進行自然條件養護。記錄養護初始時間,待混凝土達到規定齡期，從標準養護室或自然條件養護處提前15 min取出試件,拆模,按照文獻[9]要求測試混凝土立方體抗壓強度。

2 試驗結果與分析

2.1 成熟度計算公式的選擇

文獻[10]給出的成熟度計算公式為:

M=∑(Ti+10)ti

(1)

其中:M為成熟度;Ti為ti時間內混凝土的平均溫度;ti為混凝土養護時間;i為測量時段序號;10為基準溫度-10 ℃的負值。

文獻[11]發現當處于負溫與高溫時,按照(1)式計算出的成熟度與混凝土所對應的強度不相等,通過引入溫度影響系數,使(1)式適用的溫度范圍更大,新成熟度公式為:

M=∑Ki(Ti+10)ti

(2)

其中:Ki為溫度影響系數,即Ti下相當于20 ℃的影響效應(倍數);Ti取值為-10～105 ℃。文獻[11]給出了各溫度段的溫度影響系數。

文獻[12]從水泥水化角度重新建立了以等效齡期為基礎的公式,由于公式中有表觀活化能等參數,實際工程中使用該公式需要測量此類參數，極為不便,故不適用于實際工程。

合適的成熟度計算公式應滿足成熟度規則。

經時溫度測量試驗得到的2種養護條件下混凝土內部溫度歷史數據(部分)見表3所列,抗壓強度試驗得到的2種養護條件下各齡期抗壓強度見表4所列。

表3 3種混凝土2種養護條件下部分時段內部平均溫度 單位:℃

表4 不同齡期3種混凝土2種養護條件下的抗壓強度

根據表3經時溫度數據,分別用(1)式、(2)式計算成熟度,取相同的成熟度值;再根據表4中抗壓強度試驗在規定齡期的強度值,通過數據擬合建立最佳的強度-齡期關系式,得到混凝土在相同成熟度下對應的混凝土實際強度值。根據計算出的混凝土在不同溫度歷程下近似相等的成熟度所對應的實際強度,判斷成熟度對應的強度值是否大致相等,計算結果如圖1、圖2所示。

圖1 根據(1)式的計算結果 圖2 根據(2)式的計算結果

從圖1可以看出,采用(1)式計算成熟度時,混凝土在不同溫度歷程下對應的強度差值較大,最大差值達到3.0 MPa,強度不是呈大致相等,不滿足成熟度規則。從圖2可以看出,采用(2)式計算成熟度時,2種溫度歷程下相等成熟度對應的強度幾乎呈大致相等,最大差值僅為0.6 MPa,說明在對(1)式進行溫度修正后,成熟度計算精度提高,滿足成熟度規則。故利用成熟度法預測混凝土極早齡期強度需要對成熟度公式進行溫度修正,本文選擇(2)式計算成熟度。

2.2 混凝土極早齡期成熟度規則適用性驗證

文獻[2]提出的成熟度規則是成熟度法預測混凝土強度的理論基礎,成熟度規則為:在材料配合比相同的情況下,當混凝土的成熟度相等時,混凝土所對應的強度基本相等,與混凝土經歷的溫度歷程無關。由于目前國內外對極早期混凝土強度預測的相關研究很少,需要判斷能否使用成熟度法預測極早齡期混凝土強度。本文針對C30、C35和C40 3種混凝土進行成熟度規則極早期混凝土適用性的驗證試驗,分別設計不同的溫度歷程,通過無線測溫儀記錄混凝土內部溫度數據,利用(2)式計算各個時段的成熟度,取不同溫度歷程下混凝土近似相等的成熟度值,擬合強度-齡期曲線,根據強度-齡期關系式得出在不同溫度歷程下成熟度相等時混凝土所對應的強度值,比較強度值,判斷強度值是否近似相等。對3種混凝土不同溫度歷程下的試驗所得溫度數據和強度數據進行數據處理,所得結果見表5所列。

表5 3種混凝土極早齡期成熟度規則適用性驗證結果

續表

使用(2)式計算成熟度后,3種混凝土在2種不同的溫度歷程下取近似相等的成熟度值時,對應的強度最大相對誤差分別為:C30,7.8%;C35,9.8%;C40,7.0%。上述結果說明,3種混凝土在不同溫度歷程下取相等的成熟度值時,其對應的強度值是大致相等的,因此,在對成熟度公式進行溫度修正后,混凝土成熟度規則在極早齡期是適用的,成熟度法是可以準確預測混凝土極早齡期強度的。

2.3 混凝土極早齡期強度的預測

2.3.1 極早齡期成熟度與強度關系分析

3種混凝土在不同養護條件下的成熟度值與相應齡期的抗壓強度值如圖3所示,將各齡期的成熟度與強度點連接起來,構成每種混凝土在不同溫度歷程下成熟度-強度大致發展曲線,通過曲線分析混凝土在極早齡期成熟度與強度關系。

圖3 3種混凝土各齡期成熟度-強度曲線

從圖3可以看出,3種混凝土在不同溫度歷程下的強度與成熟度的發展趨勢是大致相同的,強度隨成熟度增大而不斷增大,強度增長速率呈越來越小、最后趨向于平穩增長的發展趨勢,這與文獻[13]的結果一致。每種混凝土在標準養護條件下和自然養護條件下的強度-成熟度曲線大致為重合狀態,這說明對于材料組成相同的混凝土,其極早齡期的成熟度-強度關系不隨溫度歷程的改變而改變。

2.3.2 極早齡期強度預測模型的建立

由上述分析可知,對于材料組成相同的混凝土,其成熟度-強度關系式不受混凝土所經歷的溫度歷程影響。對3種混凝土在2種不同溫度歷程下的成熟度與強度數據,利用Origin軟件進行數據擬合。根據圖3混凝土成熟度-強度曲線,在擬合過程中選擇相應的較符合強度-成熟度發展趨勢、函數形式較簡單且常見的函數模型進行擬合,最終選取相關系數最高且函數模型形式簡單的函數關系式作為混凝土極早齡期的強度預測模型。C30、C35和C40混凝土強度-成熟度最佳擬合函數關系式及擬合結果如圖4～圖6所示。

由圖4～圖6可知,3種混凝土最佳強度-成熟度擬合關系式都為指數型函數,且關系式的相關系數都達到0.99左右,擬合效果非常好。從擬合結果可以看出,混凝土在極早齡期的成熟度與強度呈指數型函數發展,與文獻[14]結果一致。將擬合所得的3個指數型函數作為3種混凝土極早齡期強度的預測模型,對強度預測模型進行預測準確性驗證。

圖4 C30混凝土強度-成熟度最佳擬合關系式與曲線

圖5 C35混凝土強度-成熟度最佳擬合關系式與曲線 圖6 C40混凝土強度-成熟度最佳擬合關系式與曲線

每種混凝土在標準養護條件和自然養護條件下分別養護6組試件,取1組在混凝土內部埋置溫度傳感器,記錄混凝土內部溫度。達到規定齡期時,對混凝土試件進行抗壓試驗,記錄混凝土的實測強度,通過記錄的溫度歷史數據,計算該齡期的混凝土成熟度值。每種混凝土得到在2種養護條件下的10組成熟度值與實測強度值。

將每種混凝土計算出的各齡期成熟度值代入對應混凝土強度預測模型,計算混凝土齡期的預測強度,將預測強度與實測強度進行比較,確定強度預測模型的預測精度,預測精度驗證結果見表6所列。

表6 不同成熟度下混凝土強度預測模型準確性驗證結果

從表6可以看出,3種混凝土強度預測模型的最大預測相對誤差分別為:C30,6.6%;C35,5.5%;C40,5.5%。3種混凝土強度預測模型的相對預測誤差不超過7.0%,在工程誤差允許范圍內,說明所建立的強度-成熟度關系式具有優越的預測效果,C30、C35與C40混凝土的極早齡期強度預測模型可以準確預測工程所用混凝土強度的發展。

對于其他強度等級的混凝土,本文所得出的結論仍適用。外加劑對混凝土極早齡期的強度會產生影響,并會影響極早齡期強度-成熟度關系,本文未對其進行研究,需要以外加劑種類、摻量及復配作為研究變量進行深入研究。

3 結 論

(1) 對于齡期小于3 d的極早齡期混凝土,成熟度值相等時,其對應的強度是大致相等的,與混凝土的溫度歷程無關。成熟度規則適用于極早齡期混凝土。

(2) 在采用成熟度法對極早齡期混凝土進行強度預測時,需要對成熟度公式進行溫度修正。

(3) 對于組成和強度等級不同的混凝土,其極早齡期的成熟度與強度關系式形式相近,都可以用指數型函數表示。用該關系式預測混凝土極早齡期強度,相對預測誤差可控制在7.0%以內。