不同养护条件下C40混凝土强度演化试验研究

吴 翔

海南省沪建建设有限公司 海南 海口 571157

不同于钢材，时变性和波动性是混凝土材料性能发展的两大特征。与“先检测，后使用”的钢材质量控制原则不同，混凝土材料一直沿用“先浇筑，后检测”的质量控制方法。混凝土材料浇筑后，现有研究对结构状态监测主要集中在荷载作用效应方面（应力、应变及变形）[1-3]，而对结构可靠性具有重要影响的混凝土材料力学性能实时发展状态缺乏高效的监测与评估方法，混凝土施工过程质量控制一直都是一个挑战。实现混凝土实体力学性能的实时评估，一方面，对于施工决策（拆模、预应力操作、养护措施的撤出以及加快施工进程等）、质量实时监控与预防工程事故具有积极的作用和显著的社会、经济效益；另一方面，掌握混凝土实体力学性能发展动态对于其他相关性能的研究可起到关键性作用，例如，在大体积混凝土中，硬化过程的水化放热引发了多种热力学效应，对这些现象的了解与掌握对于重大工程（如超高层建筑基础）显得尤为重要。因此，如何精准估测混凝土的强度演化规律是当前困扰工程界的一大难题。

前人的研究指出，混凝土的强度演化受多因素影响，但当其配比及施工工艺明确后，养护温度与龄期则是影响其强度演化的决定性因素。大体积混凝土浇筑过程中，温度会对混凝土的强度造成影响甚至造成温度裂缝的出现，抗压强度正比于度时积（温度和时间的积）。因此，成熟度理论被提出来，以考虑温度与龄期两者对强度的影响。由于此法相对简单易用，且有效地节省在施工过程中所需要的人力与物力，对结构物强度的预测精度能够满足工程需求，因而在工程上使用广泛。

目前，大部分的强度-成熟度试验[4-7]均采用室内标准养护，而室外不同季节养护条件下的混凝土强度-成熟度研究十分有限[8]。因此，本文以C40混凝土为对象，开展不同养护条件下的试验研究分析，揭示养护条件对C40混凝土强度增长的影响规律。

1 试验

1.1 试验材料

试验所用水泥为安徽铜陵海螺水泥有限公司生产的海螺牌P.Ⅱ 52.5水泥，该水泥的基本物理力学性能如表1所示。砂为天然河砂，属于中砂，细度模数为2.69，砂的级配情况如表2所示；粉煤灰选用华能Ⅱ级粉煤灰，其物理力学性能如表3所示；石子为产自扬州的5～25 mm连续级配的碎石；水为自来水。

表1 水泥的基本物理力学性能

表2 砂级配分布

表3 粉煤灰物理、化学性能

1.2 混凝土配合比设计

调节减水剂使得新拌混凝土坍落度控制在180 mm±30 mm，混凝土的配合比为：水泥∶水∶砂∶石∶矿粉∶粉煤灰∶减水剂＝460∶155∶639∶1 003∶64∶53∶5.77。

1.3 试验方法

混凝土抗压强度试块尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，搅拌完成后将新拌混凝土放置于不同养护环境中，标养条件下的混凝土试块先移至恒温恒湿室内24 h，随后脱模放入标养室；自然养护的试块则放置于室外养护24 h后脱模即可。其中，自然养护考虑季节因素，本文分别于2019年1月、2019年3月、2019年10月以及2020年7—8月进行试验，用于分析上海市冬季、春季、秋季及夏季的养护条件对C40混凝土强度的影响情况，其温度曲线如图1所示。

图1 不同季节室外养护温度曲线

2 试验结果与分析

通过测定标养及不同季节自然养护条件下，混凝土试块1、3、5、7、14及28 d龄期的抗压强度，并利用Saul成熟度计算公式〔式（1）〕计算不同养护条件下各龄期的成熟度，其计算结果如表4所示。

由表4可知，温度将会对混凝土强度造成显著的影响。冬季养护的混凝土各个龄期强度均低于其他养护温度下的混凝土强度，这表明冬季较低的室外环境温度将使混凝土强度的增长受到阻碍，尤其是对于早龄期的混凝土而言。然而，此因素对强度的影响是随着混凝土龄期的增大而逐渐减弱的。持续的水泥水化作用使得混凝土强度得到增长，冬季的持续低温环境降低了混凝土内水化反应的速率与水化程度，因而混凝土的强度增长速度下降。

表4 C40混凝土抗压强度值与成熟度计算结果

夏季养护条件下混凝土7 d前的强度显著高于其他养护条件下的混凝土强度，而后期强度略高于室内养护及春秋季节养护的混凝土强度。这是由于养护温度的提高使得混凝土内水化反应速率得到提升，从而提高了其强度。然而，夏季炎热的气候条件也会造成混凝土内部的水分大量蒸发散失，进而阻碍了水泥的继续水化。Spears[9]指出，混凝土内部的相对湿度低于80%时，水泥的水化反应将会趋于停止；同时，混凝土由于干燥收缩而产生拉应力，会造成表面裂缝的出现，致使其强度降低。

成熟度可用于表现混凝土性能的改变。Carino[10]指出，混凝土的抗压强度与成熟度两者间是一一映射的，比较经典的有3种，如表5所示。

表5 强度-成熟度关系

为了得到混凝土强度与成熟度之间的关系，将表5中的3种模型分别进行拟合，所得到的预测强度与实测强度之间的偏差如图2所示。

图2 不同养护条件下相同成熟度时实测强度与预测强度关系

从图2中可以看出，采用双曲函数式预估混凝土的强度值时，其估测误差均小于10%；采用指数函数式时，其7 d之前的预测偏差范围均超过10%，甚至超过20%；当采用对数函数式预测其早期强度时，其预测精准度介于指数式与对数式之间。因此，双曲函数式较适合本次试验中对C40混凝土强度的预测，则不同养护条件下混凝土强度-成熟度公式表示如下。

1）20 ℃标养时，公式为：f=M/(0.018 2M＋51.4)。

2）春季室外养护时，公式为：f=M/(0.020 33M＋43.05)。

3）夏季室外养护时，公式为：f=M/(0.019 38M＋27.44)。

4）秋季室外养护时，公式为：f=M/(0.020 30M＋45.07)。

5）冬季室外养护时，公式为：f=M/(0.022 29M＋46.89)。

3 结语

本文针对不同养护条件下，C40混凝土强度-成熟度之间的映射关系开展了试验研究，结果表明：

1）混凝土强度与养护温度呈正比关系，养护温度越高，混凝土抗压强度（尤其是早期强度）也越大。

2）混凝土强度也受到湿度的影响，在高温、低湿度的环境中，混凝土强度的增长会受到影响，因此，夏季室外混凝土浇筑过程中应特别注意保湿养护。

3）相比指数函数与对数函数形式，采用双曲函数可以较为精准地表征不同养护条件下混凝土抗压强度-成熟度之间的映射关系，可为混凝土结构施工提供技术参考。