大体积混凝土实体强度发展规律及其表征.pdf

江守恒等 ： 大体积混凝土实体强度发展规律及其表征 1 5 大体 积混凝 土实体 强度发展规律及其表征 江守恒 ， 朱卫 中 ( 黑龙江省 寒地建筑科学研究院 ． 哈尔滨1 5 0 0 8 0 ) 【 摘要】 文中研究了6种不同养护制度下混凝土不同龄期的抗压强度， 结果表明， 温度匹配养护( T M C) 制 度下混凝土的早期强度增长速率快， 强度发展基本在 7 d一1 4 d内完成， 1 4 d可达到或超过标准养护 2 8 d强度， 后期 强度基本不再增长。T M C制度下混凝土的强度最接近大体积混凝土的实体强度， 建议采用 T MC制度测得的混凝 土强度来评价大体积混凝土实体强度， 并应以温度 一强度为基本思路进行大体积混凝土配合比设计。 【 关键词】 大体积混凝土； 匹配养护； 实体强度； 强度规律； 掺合料 【 中图分类号】 T U 5 2 8 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 — 6 8 6 4 ( 2 0 1 1 ) 0 1 — 0 0 1 5 — 0 3 0 引言 大体积混凝土内部最高温度可达 7 5 ℃ ， 甚至更高， 高温 持续时间长。在硬化 早期 ， 混凝土 实质上 是高 温硬 化过程 ， 相当于“ 准蒸养” 状态。就水泥水化速率与温度关系而言， 温度越高水化反应速率越快， 同样， 温度高也使矿物掺合料 的活性增加， 大体积混凝土实际抗压强度远远高于同龄期 标准养护( 或同条件养护) 条件下的强度值。强度发展规律 是大体积混凝土配合 比设计的前提依据之一 ， 只有充分地 掌握了强度发展规律 ， 才可能设计出科学合理的混凝土配 合比。即通过降低混凝土的单方水泥用量， 选用适当剂量 的缓凝剂与活性矿物掺合料， 达到降低混凝土内部温升、 控 制 温度应力进 而防止 温度裂缝 产生 的 目的。 1 混凝土原材料与 配合 比 水城水泥厂“ 乌蒙” 牌 P O 3 2 ． 5低热普通硅酸盐水 泥 ； 机制砂， 细度模数 3 ． 0 4 ， 含泥量 7 ． 0 ％， 按贵州省地方标 准 D B J 2 2— 0 1 6— 9 5 《 山砂混凝土技术规程》 规定进行检验， 符合标准； 5 ． 0～1 6 ． 0 m m和 1 6 ． 0—3 1 ． 5 m m二级配碎石， 连 续级配 ， 针片状 含量 4 ％ ， 含泥量 0 ． 7 ％ ， 为非碱活性 集料 ； 安 顺电厂生产的 I 级粉煤灰， 质量符合 C B ／ T 1 5 9 5 { 用于水泥和 混凝土中的粉煤灰》 规定； 山西黄河牌 F D N缓凝型高效减水 剂 。C 2 5大体积混凝土 配合 比如表 1 所示 。 表 1 ，C 2 5大体积 混凝 土配合比 2 不同养护制度试验方案 2 ． 1 不同养护制度混凝土试件的成型 所 有研究 用混凝土试件取 自某工 程第 1 层 实 际施 工刚 浇筑振捣完成的混凝土。为保证t 昆凝土的匀质性 ， 采取在 混凝土浇筑到结构中心时集中取样成型。分别制作标准养 护、 T MC 、 同条件养护与混凝土内部同条件芯样养护 ( 以下 简称芯样养护) 试件。考虑到芯样养护与钻芯样均为圆柱 形试件 ， 为了消除试件尺寸效应对抗压强度产生的影响， 所 有养护制度的抗压试件都采用圆柱形试件 ， 钻芯机的取样 直径为8 0 ram， 其它的圆柱形试件均采用直径 8 0 m m的模具 成 型。 2 ． 2 不同养护制度混凝土试件养护与测试 2 ． 2 ． 1 养护 各组混凝土试件成型后立即放置于相应的养护制度下 进行养护。标准养护试件成型后立即移入标准养护室进行 养护； T MC试件立即放人起始温度与人模温度相同的 自制 施得当， 再生混凝土仍可以获得比较满意的力学性能。但 是， 目前建筑物施工方面 ， 中低标号的混凝土仍然占有较大 份额， 从经济和安全性考虑 ， 再生混凝土代替中低强度混凝 土 ， 推广应用前景会更好些 。 利用废弃混凝土做集料来生产再生混凝土， 对资源循 环利用、 净化环境、 保持混凝土材料的可持续应用具有重要 意 义。 参考文献 [ 1 ] 邢振贤， 周日农．再生混凝土的性能研究与开发思路 [ J ] ． 建 筑技术开发 ， 1 9 9 8 ， ( 1 0 ) ： 2 8— 3 1 2 ． [ 2 ] 曹奇． 再生混凝土的技术经济分析[ J ] ． 基建优化， 2 0 0 5 ， ( 6 ) ： 3 ． [ 3 ] 肖建庄 ， 杨洁． 上 海市废 弃混凝 土来 源与 回收前景 [ J ] ． 粉 煤 灰 ， 2 0 0 6， ( 3 ) ： 4 1— 4 3 ． [ 4 ] 陈家珑． 关于我国建设用骨料的再思考 r J ] ． 混凝土世界， 2 0 1 0， ( 1 ) ： 1 8— 2 1 ． [ 5 ] 张亚梅 ， 秦红根 ， 等． 再生混凝 土 合 比设 计初探 [ J ] ． 混凝 土 与水泥制品 ， 2 0 0 2 ， ( 1 ) ． [ 6 ] 邢振贤 ， 周日农．再生混 凝土 的基 本性能研 究[ J ] ． 华 北水利 水电学院学报 ， 1 9 9 8 ， ( 6 ) ： 3 0— 3 2 ． [ 收稿 日期 】 2 0 1 0—0 9—3 0 [ 作者简介] 邢振贤( 1 9 5 8 ～) ， 男， 河北高邑人， 教授， 从事高 性能生态混凝土研究。 1 6 低温建筑技术 2 0 1 1 年第 1期( 总第 1 5 1 期 ) 电加热养护箱中进行养护， T M C温度采用 由取样部位的中 心处埋设的温度传感器所采集到的温度， 养护龄期为5 6 d ， T MC温度如图 1中的混凝土中部温度曲线所示 ； 同条件养 护试件成型后直接放置于取样混凝土部位的表面， 养护条 件同结构混凝土的养护； 芯样成型后垂直埋人取样处， 其表 面的养护与结构整体混凝土的养护制度相同。 浇筑龄期， h 一 底部温度 一中部温度 一表面温度 一环境温度 ． 图1 实测温度变化 曲线 2 ． 2 ． 2 试件制作处理与测试制度 芯样养护试件在相应的龄期取 出， 截取中间部位作为 测试所需试件。钻芯样也在相应龄期从取样部位钻取。 所 表 2 有圆柱形试件均按行业标准《 钻芯法检测混凝土强度技术 规程》 C E C S 0 3 ： 8 8规定， 切割制作成 H ／ D为 1的圆柱形试 件供测试用。测试龄期分别为 l d 、 3 d 、 7 d 、 1 4 d 、 2 8 d 、 5 6 d 。 3 各 养护制度试 件抗压 强度试验 结果与分析 3 ． 1 试验结果 相关抗压强度结果如表 2所示， 将试验数据绘制成图 2 。将各组抗压强度数据以标准养护条件下标准试件的 2 8 d 强 度为基准进行 折算 ， 处理结果列于表 2 。 5 0 重 4 o 越 3 0 器2 0 档l 0 0 O 2 0 4 0 6 0 养护龄期／ d +标准养护 ( 标准件 )— ￡ 卜 _ 标准养护 ( 圆柱件 ) +温度匹配养护试件— + 同条件养护试件 一芯样同条件养护件— 一 钻芯实体取出试件 图2 不同条件下混凝土强度发展对 比曲线 C 2 5大体 积混凝 土不 同养护制度试 件抗压强度 注 ： 表 中“ ／ ” 之前 的数字表示抗压强度 值 ， 之后 的数字表示各试件抗压强度值 与标准养护条件下标准试件 2 8 d 抗压 强度 的比值。 3 ． 2 各养护制度试件抗压强度试验数据分析 ( 1 ) 从标准养护条件下测得的标准试件抗压强度值 与圆柱形试件 比较 可 以看 出 ， 各 龄期 圆柱形 试件 强度 均略 高于标准试件。混凝土强度的差异有两个影响因素： 首先， 圆柱体试件与立方体试件相比具有混凝土更加匀质 ， 骨料 分布均匀的特点， 所 以混凝土内部 出现薄弱环节的几率小 于立方 体试 件 ， 其 宏观 力学 性 能表 现为 抗 压强 度略 高 ； 另 外 ， 此圆柱体试件的截面尺寸较小也是导致强度偏高的原 因之一 。本试验 中圆柱体试 件的强 度相对 于标准试件 强度 只高出 1 ． 6 ％， 因此， 可以采用此圆柱体试件的抗压强度进 行研究 ， 在满足试验误差允许值的前提下， 方便试验的进行 及各种强度之间的对比分析。 ( 2 ) T MC条件下混凝土试件的抗压强度增长速率高 于标准养护条件下的强度发展速率。在 1 d龄期时， 混凝土 的强度非常低 ， 不具有比较可能性， 但此时 T MC条件的温度 已经在升高， 混凝土强度仍然达到了标养 2 8 d强度的 1 0 ％。 在 3 d 、 7 d 、 1 4 d龄期时分别达到标养 2 8 d抗压强度的 6 4 ％、 9 3 ％和 1 1 1 ％， 到 2 8 d龄期时混 凝土 的强度继续增 长至 1 2 1 ％ ， 但之后强度发展速率非常缓慢， 到 5 6 d时增加幅度仅 有 3 ％。 ( 3 ) 芯样养护、 钻芯试样的强度均低于 T M C条件下 的同龄期强度， 但幅度很小。芯样养护试件各龄期的强度 比T MC试件的强度最多低 5 ％， 平均低 3 ． 2 ％ ， 而钻芯样较 芯样 同条件养 护试件 的强 度平均 仅低 2 ． 8 ％ 。混 凝土 的钻 芯取样过程 中， 混凝 土试 件 内部结 构将 会 由于机 器的振 动 等原因而产生微损伤， 使取得的芯样抗压强度降低 ， 较真实 的混凝土实体强度偏低 5 ％左右。同时， 芯样同条件养护试 件在取出制作时也经过了切割过程， 其强度也不可避免地 受到轻度的机械损伤。考虑到这个原因， 在此三种混凝土 强度试件中T MC试件的抗压强度应该是与大体积混凝土内 部的真实抗压强度最为接近的， 可以代表其强度。 3 ． 3 大体积混凝土实体强度发展规律 掺粉煤灰大体积混凝土的早期实体强度发展迅速 ， 在 1 4 d左右完成强度快速增长期 ， 强度基本达到最高值， 可达 标准养护 5 6 d时强度。即掺加掺合料的大体积混凝土的实 体强度发展基本在前 1 4 d之内完成。由于温度效应， 混凝土 、 赙 江守恒等 ： 大体积混凝土实体强度发展规律及其表征 1 7 各龄期强度均要高于标准养护强度。在粉煤灰掺量小于 5 0 ％时， 随掺量增加混凝土强度增高， 超过此掺量后呈下降 趋势 。 g 大体积混凝土实体强度 的表征与配合 比设计思路 d ． 1 大体积混凝土实体强度表征方法改进的必要性 以上研究结果表明， 在大体积混凝土中， 混凝土实体的 抗压强度等物理力学性能的发展规律与在标准养护条件下 的力学性能发展规律截然不同。这种规律的变化是大体积 混凝土 内部的温升变化所导致 的结果 ， 因此 ， 采 用标准 养护 试件的强度或者同条件养护试件的强度作为大体积混凝土 实体的强度 ， 视其 为大 体积 混凝 土强 度验 收依 据 的评价 方 法是不科学的。有必要对其进行改进， 以促进大体积混凝 土施工技术与科研的快速发展。 首先 ， 现行的强 度评 价体 系不 能真 实 的反应 出大 体 积 混凝土实体强度的发展， 因此 ， 在实体强度评价时是不适应 的， 为了满足达到现行的验收标准， 只有将混凝土配合比中 的水泥用量提高， 这将导致} 昆凝土 内部温度的不必要的升 高， 不利于混凝土温控， 同时也造成了现行施工中大体积混 凝土的超强现象= 怍常严重。无形中既增加了工程温度控制 的难度 ， 稍有不 慎结构 就 会开裂 ， 影 响到结 构 的安 全性 ， 又 增加 了工程 的成本 。 其次， 现行验收制度不能真实的反应 出大体积混凝土 中掺合料的强度贡献效应 ， 即使 是采用 6 0 d的强度进行验 收 也达不到混凝土实体 中真正的强度 。为了满 足设计 的强度 等级要求只能采取减少矿物掺合料的用量来达到设计值 ， 这样就使得活性矿物掺合料的用量受到了极大地限制， 不 能充分发挥掺合料在降低水化热温升和提高混凝土施工 性 、 耐久性方面 的作用 ， 既不利 于温控 又达不到 充分利用 矿 物掺合料的目的 “J 。 而且， 随着温度的升高混凝土的弹性模量、 收缩、 劈裂 抗拉强度等性能也发生了很大的改变， 不同于标准养护时 得到的规律。而现在进行大体积混凝土抗裂计算时通常仍 在沿用标准养护下的规律进行应力计算， 这样也将导致计 算值出现很大偏差， 过低的估算混凝土实体的抗裂性能。 因此 ， 有必要对大体积混凝土强度发展规律及各项物理力 学性采用新的表征方法进行评价研究 。 4 ． 2 大体积混凝土实体强度表征方法的改进 T MC制度所获得的强度值可以最接近实体强度， 而且 与芯样同条件养护方法及钻芯取样法比较来看， 操作简单 ， 实施起来方便， 只需要配置一台大体积混凝土 T MC制度试 验装置就可以进行试验 ， 试 件成型 放人试验装 置 中即可 ； 此 种强度检验方法不 会对结 构造 成破 坏 ， 而其 它 两种 也可 以 代表实 体强度 的试验 方法 ， 都对 结构 造成 损害 ， 修补 困难 ， 并且有些结构是不允许进行抽芯取样的。同时也受到时间 的限制， 因为有些大体积结构的下一道工序是马上进行 ， 没 有条件允许长龄期的钻芯取样工作的进行 ， 而 T MC法可以 持续对大体积t 昆凝土的实体强度发展进行监测； 钻芯取样 方法的操作难度大， 一般需要专业人员进行实施， 而 T MC则 不需要。所以， 应该采用 T M C方法来进行大体积混凝土实 体强度表征。 4 ． 3 基 于温度影 响下的大体积混凝土配合 比设计思路 在大体积混凝土中， 特别是掺加掺合料的大体积混凝 土 中， 温度对强 度 发展规 律 的影 响非 常显 著 ， 所 以， 配合 比 设计理念应该将温度对强度发展的贡献加以考虑。在此基 础之上进行配合 比设计， 才能更加切合大体积混凝土施工 的实际需求。基于温度发展规律影响下 的设计理念要点 如下 ： ( 1 ) 按照温控要求指标， 综合工程的实际因素选取适 当的混凝土配合 比用原材料 。 ( 2 ) 按照在满足强度、 耐久性、 施工性能的前提下， 尽 量降低混凝土温升的大体积混凝土配合设计的基本原则进 行配合比设计， 设计过程中应充分考虑温度对强度影响的 规律 ， 适当提高掺合料的用量。 ( 3 ) 采用 A N S Y S有限元模拟分析此初步选定的配合 比在 施工条件下 的温 度发展 规 律与 温度场 分 布 ， 根据所 得 到的模拟温度发展数据进行模拟 T MC制度强度试验 ( 4 ) 考查混 凝土 的 3 d 、 7 d 、 1 4 d 、 2 8 d龄 期 的强度 发展 情况。其中以 1 4 d的抗压强度值作为评价指标 ， 2 8 d值作为 参考指标 ， 根据强度试验结果可以判断出本文提出配合 比 的可行性 。 ( 5 ) 如果 强度过 高或 过低 ， 可适 当调 整掺 合料 用量 ， 重复上述 ( 2 ) ～( 4 ) 设 计步骤 ， 直到得到满足要求的 配合 比。 5结语 ( 1 ) 大体积混凝土的实体强度发展规律受其内部温 度发展历程影响， 掺加掺合料的大体积混凝土的实体强度 发展基本在前 1 4 d之内完成。 ( 2 ) T MC制度所获得的强度值最接近大体积混凝土 实体强度， 采用 T M C方法来进行大体积混凝土实体强度表 征 ， 无论 是从技术 角度还是从可操 作性 方面来 看 ， 都 是较现 行各方法更为可行 的。 ( 3 ) 在大体积混凝土， 特别是掺加掺合料的大体积混 凝土中， 配合比设计理念应该将温度对强度发展的贡献加 以考虑 ， 在此基础之上进行配合 比设计才能更加切合大体 积混凝土施工 的实际需 求。 参考文献 [ 1 ] 江守恒．大体积混凝土实体强度发展规律及 评价方法[ D ] ． 哈尔滨 ： 哈尔滨工业大学 ， 2 0 0 6 ． [ 2 ] 王龙志， 林开成．考虑温度历程的大体积混凝土实际强度试 验研究[ J ] ．粉煤灰综合利用 ， 2 0 0 5，( 5 ) ：1 3一】 6 ． [ 3 ] 江京平． 掺粉煤灰大体积混凝土内部温升对j ￡ 强度影响的探 讨[ J ] ．粉煤厌 ， 2 0 0 0，( 5) ： 2 4— 2 5 ． [ 4 ] 唐明 ， 宋东 升 ， 李连 君．大体积粉 煤厌混凝 土实际强 度的评 价研究[ J ] ．混凝土 ， 2 0 0 1 ，( 1 2 ) ：1 3一l 5 ． [ 收稿日期] 2 0 1 0 — 1 0 - 0 8 [ 作者简介 ] 江守恒( 1 9 7 6一) ， 男， 黑龙 江依兰人 ， 工程师 ， 从 事建筑材料科研 工作。