SC自密實混凝土試塊抗壓強度與試模材料及平面度關系研究

李偉

(四川中核艾瑞特檢測有限公司，四川 綿陽 621000)

開展混凝土的強度研究工作能夠為混凝土材料的實際應用發揮有效的指導作用，而在實際發展應用的過程中，切實將研究層面上的成果應用到實際中是一項專業性的、循序漸進的工作。混凝土強度作為反映一個工程混凝土質量的關鍵指標，其在混凝土工程中被重點關注。研究認為混凝土試塊的強度與諸多因素有關，如試塊的制作方法和程序、試塊的養護過程、原材料、配合比設計、施工質量以及其它人為的因素，混凝土強度異常情況的產生原因需要結合具體的工程情況進行詳細的分析與研究。

1 工程概況與問題分析

某工程鋼板混凝土結構(Steel Concrete以下簡稱SC結構)內填充C55自密實混凝土，在檢測標準養護試塊90d抗壓強度時發現其強度值異常，表現為90d抗壓強度值低于56d抗壓強度值，不符合混凝土強度增長規律。為了探明本工程標樣試塊強度值異常的原因，從而可以采取針對性的整治措施解決該問題，本課題從混凝土質量問題、試塊本身質量問題、檢測環節問題開展相關的分析、對比試驗和研究。

1.1 混凝土質量問題分析

1.1.1 原材料質量

原材料質量與混凝土質量直接相關，水泥的強度、安定性，骨料的強度、體積穩定性、顆粒形態、表面狀態及粉塵、粘土、三氧化硫、云母含量，拌合水的有機質含量、腐植酸或其他酸鹽含量均會影響混凝土的強度[1]。SC結構澆筑混凝土原材料來源固定，各材料的性能參數穩定。

1.1.2 配合比設計

混凝土配合比是決定其強度的重要因素之一，水灰比直接影響混凝土的強度，用水量砂率、骨料用量也影響混凝土的各項性能，從而造成強度不足。該部位所用混凝土的配合比經試驗設計而成，并保有一定的富裕系數，預質量檢定試驗、上機試驗、模擬試驗，各項檢測指標滿足設計要求，混凝土生產、運輸、澆灌過程受控。

1.2 試塊質量問題分析

1.2.1 成型試塊的勻質性

現場制作的混凝土試塊在微觀上呈現各向異性、宏觀上呈現各向同性。試塊的成型過程中的攪拌與搬運過程屬于認為影響因素，攪拌程度的好壞主要靠實驗人員人為判定，對試塊宏觀各向同性的影響非常大[2]。SC結構混凝土澆筑過程中試驗人員用小推車在罐車卸料口放滿混凝土后，直接用鐵鍬翻拌數下，用塑料桶從小推車內盛出，分兩次將自密實混凝土拌合物裝入試模，該過程可能存在混凝土拌合物勻質性較差。

1.2.2 試件的公差

按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》GB/T 50082—2009[3]要求，試件的平面度公差不得超過試件邊長的0.0005；夾角公差不超過0.5°；試件的尺寸公差不超過1mm。混凝土試塊的試驗強度與試件尺寸有著明顯的關系，主要表現為尺寸效應，據有關資料統計，試件邊長增大1mm，計算強度偏高2%[4]。在對現場成型用試模進行檢查時發現，現場成型用試模在周期性核查時檢查了試模的長、寬、高尺寸，未對試模的平面度進行檢查。試模表面不平整嚴重影響著試件的強度。一般來說，試模中心呈凹和凸狀態時，反映在混凝土試塊上是試塊中心呈凸起和凹陷，它使得試件局部受壓，減少了受壓面，時間強度降低幅度較大。試塊的夾角超差會使試件的垂直投影面積(有效施壓面積)減小，從而造成試件強度偏低。

1.2.3 試模的影響

于方、熊建波[5]等研究了模具材質對C100超高強混凝土立方體抗壓強度的影響，建議采用精加工的鋼模成型超高強混凝土。許森齊、程建民[4]在調查一次預應力鋼筋混凝土屋架混凝土試件強度異常事故，發現由于試模側板變形致使試件承壓面呈凸狀，造成強度誤差高達26%。混凝土金屬試模主要的材質為鑄鐵和鑄鋼，金屬試模的表面光滑、平整度好、內表面和上口面的 粗糙度低，尤其適合高強及超高強黏度較大的混凝土。試模質量對混凝土立方體抗壓強度試驗結果具有不可忽略的影響，應根據混凝土種類、試驗方案及試驗環境選擇合適的混凝土試模，以減少結果誤差。此外，還應定期地檢查試模變形和其他缺陷[6]。

1.2.4 試件的養護

排查試塊的養護過程，檢測人員資質證書均有效，具備開展混凝土力學性能試驗資質；混凝土試塊標準養護室采用全自動控溫控濕設備均在有效期內，混凝立方體抗壓強度檢測能力驗證結果為滿意；溫濕度記錄規范正常，溫度控制在20±2℃、濕度≥95%，符合規范要求，標養試塊存儲條件滿足。

1.3 檢測環節問題分析

對試塊抗壓性能檢測過程進行排查，檢測人員資質證書均有效，具備開展混凝土力學性能試驗資質；混凝土抗壓強度試驗設備均在有效期內，混凝立方體抗壓強度檢測能力驗證結果為滿意；溫濕度記錄規范正常，溫度、濕度控制符合規范要求；試塊檢測前未進行平面度檢測，導致部分試塊在平面度不符合要求的情況下進行了抗壓性能檢測。

經過上述分析認為，SC結構自密實混凝土配合比設計、預質量鑒定、混凝土生產、澆筑施工等過程質量保證體系基本運行有效；自密實混凝土所用原材料供應穩定，性能波動較小；混凝土拌合物不均勻、平面度尺寸超差是試塊抗壓強度數據異常的直接原因。根據以上判定，課題開展了混凝土試塊抗壓強度與試模材料及平面度關系研究。

2 研究內容與方法

2.1 試塊成型工藝對比驗證

試驗成型試塊采用兩種不同方法，用同一機組生產的混凝土分別成型10組試塊，分別進行7d、28d、56d、93d抗壓強度試驗，檢測結果如表1。

表1 不同成型方式對比試驗結果

成型方式A：用小推車在罐車卸料口放滿混凝土后，直接用鐵鍬翻拌數下，用塑料桶從小推車內盛出，分兩次將自密實混凝土拌合物裝入試模，每層的裝料厚度相等，中間間隔10s，上表面抹平并稱重；成型方式B：用小推車在罐車卸料口放滿混凝土后，全部倒在鐵板上翻拌均勻后，用鐵鍬鏟至塑料桶內，分兩次將自密實混凝土拌合物裝入試模，每層的裝料厚度相等，中間間隔10s，上表面抹平并稱重。

通過對不同成型方式的密度與抗壓強度數據對比發現：成型方式A與B成型試件的密度偏差較大，用方法A成型的試塊密度比用方法B成型的試塊密度小；方法A成型的試塊較方法B成型的試塊抗壓強度小，7d抗壓強度小3.7MPa，28d抗壓強度小3.6MPa，56d抗壓強度小4.5MPa，93d抗壓強度小5.9MPa。

根據以上分析認為在小推車里拌合后的混凝土拌合物與在底板上拌合后的混凝土拌合物相比，勻質性較差，其容重和抗壓強度均偏低。

2.2 試塊成型用試模對比驗證

為驗證不同材質試模對混凝土抗壓強度的影響，由相同的試驗人員用同一機組生產的同批混凝土分別采用剛性塑料試模和金屬試模分別成型了15組試塊，成型方式為：用小推車在罐車卸料口放滿混凝土后，全部倒在鐵板上翻拌均勻后，用鐵鍬鏟至塑料桶內，分兩次將自密實混凝土拌合物裝入試模，每層的裝料厚度宜相等，中間間隔10s，上表面抹平并稱重。對不同材質試模成型的試塊分別測量其容重、平面度并進行7d、28d、56d、91d抗壓強度試驗，其試驗結果如表2。

通過對采用不同試模成型試塊的抗壓強度與平面度公差進行分析可知，采用塑料試模制作的試塊平面度存在尺寸超差(>0.075mm)的情況，金屬試模成型試塊平面度均符合標準，且平面度大小均<0.02mm。金屬試模7d抗壓強度試驗平均值較塑料試模高3.6MPa，28d抗壓強度平均值高3.5MPa，56d抗壓強度平均值高2.8MPa，91d抗壓強度平均值高1.0MPa。研究認為金屬試模成型的試塊平面度與抗壓強度優于塑料試模成型的試塊。

2.3 平面度對試塊抗壓強度的影響

混凝土立方體試件抗壓強度為破壞荷載與試件承壓面積比值，由于試件平整度超差，混凝土試件實際有效承壓面積比理論值偏小，導致實際破壞荷載比應有破壞荷載偏小，故導致試件應有抗壓強度偏小。塑模試塊受力示意圖見圖1。

表2 不同材質試模對比試驗結果

圖1 塑模試塊受力示意圖

用平面度不達標試模成型四組試塊分別進行不打磨抗壓強度試驗和打磨后抗壓強度試驗(見表3)。對平面度不達標的92d和102d齡期試塊(平面未打磨)進行抗壓強度檢測，代表值分別為56.8MPa和52.5MPa。對107d齡期C55自密實混凝土同條件試塊(平面度不達標)打磨后進行抗壓強度試驗，檢測結果為63.6MPa。

表3 同條件試塊(107d)檢測數據

對標樣120d的平面度不達標C55試塊(3組9塊)打磨后進行抗壓強度試驗(見表4)，檢測結果分別為63.8MPa、78.0MPa、72.0Mpa，均滿足設計要求。

表4 120d標養試塊檢測數據

3 研究結論

1)混凝土的抗壓強度與試塊的平面度緊密相關，平面度不符合要求的試塊強度值偏小；2)混凝土拌合物的勻質性與混凝土抗壓強度相關，混凝土拌合物不均勻會導致混凝土強度偏小；3)采用金屬試模成型的試塊平面度與抗壓強度優于塑料試模。