粉煤灰混凝土力学性能及其结构实体强度时变模型研究

王大勇，肖潇

（1. 廊坊市建设工程质量检测中心，河北 廊坊 065000；2. 廊坊市阳光建设工程质量检测有限公司，河北 廊坊 065000）

粉煤灰混凝土力学性能及其结构实体强度时变模型研究

王大勇1,2，肖潇2

（1. 廊坊市建设工程质量检测中心，河北 廊坊 065000；2. 廊坊市阳光建设工程质量检测有限公司，河北 廊坊 065000）

本文通过采用泵送粉煤灰混凝土浇筑成型大型结构实体模拟模型与标准立方体试件，研究龄期 14～360d 粉煤灰混凝土的立方体抗压强度与从墙体、楼板混凝土中钻取的芯样抗压强度以及芯样抗压强度与立方体抗压强度之比等力学性能指标及其区别与联系。试验结果表明：（1）粉煤灰混凝土立方体试件及实体结构芯样抗压强度均随龄期呈自然对数增长规律；（2）立方体试件与标准芯样试件抗压强度存在尺寸效应现象,研建了基于 28d 立方体强度的以芯样强度表征结构实体抗压强度的推定公式；（3）同龄期、同混凝土强度等级的墙体与楼板混凝土中钻取的芯样抗压强度存在差异,经统计给出其相关的数学换算模型。研究结果可供施工期工程结构混凝土强度质量检测与控制参考。

混凝土；粉煤灰；立方体强度；芯样强度；尺寸效应；强度换算

0 引言

粉煤灰混凝土是土木工程建设中应用量大、面广的大宗材料，且商品化程度较大，是符合目前节能减排的绿色建筑材料之一[1-3]。国内学者对粉煤灰混凝土力学性能进行了大量的试验研究，其中杨钱荣等[4]利用计算机技术建立粉煤灰混凝土的胶水比及粉煤灰掺量的双变量强度公式，曾波等[5]研究了龄期不大于 60d 的粉煤灰混凝土的各龄期强度间的换算关系；富强[6]经过大量试验研究，提出了粉煤灰混凝土 28d强度随粉煤灰掺量、胶水比、养护温度变化的三元数学模型；冷发光等[7]对 C70 左右的粉煤灰混凝土的强度尺寸效应进行研究并给出了统计结果。上述试验对象均为混凝土立方体试件；众所周知，对于粉煤灰混凝土配合比材料的抗压强度评定采用标准立方体试件，对结构混凝土抗压强度的评定采用与结构同条件养护立方体试件[8]，对既有建筑结构混凝土抗压强度大多采取回弹法、钻芯法等进行推定，其中尤以在结构构件混凝土中钻取标准芯样最具直观性、准确性。因此建立试验室立方体试件与实体芯样试件间的力学性能关系，有利于科学指导与控制粉煤灰混凝土结构施工质量。

本文试验通过采用泵送粉煤灰混凝土浇筑成型大型结构实体模拟模型与标准立方体试件，研究龄期 14～360d 粉煤灰混凝土的立方体抗压强度与从结构实体模型墙体、楼板混凝土中钻取的芯样抗压强度以及芯样抗压强度与立方体抗压强度之比等力学性能指标，并分析其区别与联系。研究结果可供施工期工程结构混凝土强度质量检测与控制参考。

1 试验设计

1.1 混凝土原材料及配合比

试验采用本地区常用原材料：42.5 级普通硅酸盐水泥，Ⅱ 级粉煤灰，细骨料为混合中砂，粗骨料为卵石破碎的机制粒径 5～25mm 碎石，减水剂为聚羧酸系减水剂，拌合用水为当地自来水。

混凝土配合比设计采用粉煤灰超量取代水泥并加入适量高效泵送减水剂的方式配制 C20、C30、C40、C50 四个混凝土强度等级。

1.2 结构实体模型与标准立方体试件

委托生产质量稳定的大型商品混凝土公司提供试验混凝土，并泵送浇筑成型大型结构实体模型与 150mm× 150mm×150mm 标准立方体试件，见图 1。混凝土结构实体模型浇筑成型并拆除模板后，按现行 GB50204—2011《混凝土结构工程施工质量验收规范》养护 14d，后自然养护，裸置备用；标准立方体试件移至室外大型结构实体模型阴凉处品字型码放备用。

由表 1 可看出：（1）各龄期各强度等级混凝土抗压强度比均不小于 1，能满足标的混凝土强度要求；（2）龄期 28d立方体试件抗压强度均超过设计强度标准值，低强度等级超出幅度更大，这表明各试验混凝土配合比具有足够的设计强度富余系数，有利于施工阶段的结构安全；（3）龄期 28d 后立方体强度增幅较大，表明粉煤灰混凝土后期强度发展潜力较大。

图 2 为粉煤灰混凝土标准立方体试件抗压强度随龄期的变化。1.3 测试方法

在龄期 14d、28d、60d、90d、180d、360d 时，从每个强度等级试件中随机抽取不少于 2 组立方体试件，同时在大型结构实体模型的混凝土墙体与现浇楼板混凝土中钻取不少于12个直径 100mm 的标准芯样。试验龄期时，在试验压力机下对混凝土立方体试件及芯样试件进行力学破型试验。试验用仪器设备均检定有效。

2 试验结果与分析

2.1 标准立方体试件抗压强度

表 1 为各强度等级粉煤灰混凝土立方体试件抗压强度与其相应设计标准强度的比值 fcu,t/fcu,k随龄期 t 的变化。

由图 2 可以看出，立方体试件抗压强度随龄期呈对数增长趋势，但 360d 强度偏低，这可能是立方体试件体表比小，试件表面失水及外界环境的综合作用所致，同时亦说明用标准立方体试件去评定长龄期的混凝土抗压强度的代表性较差。

2.2 墙体标准芯样试件抗压强度

图 3 为从结构实体模型混凝土墙体中钻取的标准芯样抗压强度随龄期的变化。由图 3 可以看出，墙体芯样试件与标准立方体试件抗压强度时变模型基本相同，均符合龄期的自然对数增长规律；与图 2 相比，相同龄期的墙体芯样强度要高于标准立方体试件强度；龄期 360d 的芯样强度明显高于相应龄期的标准立方体试件强度，这表明由于结构实体混凝土体表比大，内部环境温湿度良好，有利于混凝土中胶凝材料的水化与混凝土的硬化，很好地避免了用标准立方体试件评定长龄期混凝土抗压强度失真情况的发生；同时研究结果亦表明采取从构件中钻取的混凝土芯样抗压强度能更好的表征结构混凝土的真实强度，尤其是结构内部温湿度环境复杂、水化热较大的大体积混凝土。

图 3 墙体芯样混凝土抗压强度随龄期的变化

表 1 混凝土抗压强度比值随龄期的变化

据试验数据，采用最小二乘法拟合技术，给出基于试验混凝土 28d 立方体试件强度的墙体结构混凝土抗压强度时变模型见表 2 所示。表 2 中 fcor.t表示龄期 t 时墙体混凝土芯样试件抗压强度，精确至 0.1MPa；fcu,28d表示龄期 28d 时标准立方体试件抗压强度，精确至 0.1MPa；统计指标 r 表示相关系数，σ表示混凝土强度平均相对误差，er表示混凝土强度相对标准差，以下同。表 2 中，各数学模型的相关系数均较高，可供施工阶段墙体结构实体混凝土抗压强度估计使用。

表 2 试验混凝土墙体结构抗压强度时变模型

2.3 现浇楼板标准芯样试件抗压强度

图 4 为从结构实体模型混凝土现浇楼板中钻取的标准芯样抗压强度随龄期的变化。由图 4 可以看出，芯样强度的增长规律很好的符合龄期的自然对数关系；龄期 90d 后的芯样强度趋于稳定，强度变幅不大。

图 4 现浇楼板混凝土芯样抗压强度随龄期的变化

据试验数据，给出基于试验混凝土 28d 立方体试件强度的现浇楼板结构混凝土抗压强度时变模型见表 3 所示。表 3中，各数学模型的相关系数较高，可供施工阶段现浇楼板结构实体混凝土抗压强度估计使用。

表 3 试验混凝土现浇楼板结构抗压强度时变模型

2.4 墙体芯样试件与立方体试件抗压强度的比较

图 5 为相同龄期的从结构实体模型混凝土墙体中钻取的标准芯样试件与同条件标准立方体试件抗压强度的比值随龄期的变化。

由图 5 可以看出：（1）90% 数据点的强度比不小于 1.0，这表明相同龄期的立方体试件强度低于同龄期的墙体标准芯样试件抗压强度；（2）龄期 28d 的 C20、C30、C40、C50 强度等级的结构实体模型墙体混凝土芯样试件与立方体试件抗压强度比值依次为 1.16、1.25、1.04、0.83，其数理统计均值为1.07，标准差为 0.157，变异系数为 14.7%。这表明该龄期各试验混凝土的芯样与立方体试件的强度比变异性大，不能采用一个统一的数值去估计。

图 5 墙体芯样与立方体试件抗压强度比随龄期的变化

2.5 现浇楼板芯样试件与标准立方体试件抗压强度比较

图 6 为相同龄期的从结构实体模型现浇楼板混凝土中钻取的标准芯样试件与同条件标准立方体试件抗压强度的比值随龄期的变化。由图 6 可以看出：（1）龄期 28d 后的二者强度比均不小于 1.0，这表明相同龄期的立方体试件强度不高于相应龄期的芯样试件抗压强度。（2）龄期 28d 的 C20、C30、C40、C50 强度等级的结构实体模型现浇楼板混凝土芯样试件与立方体试件抗压强度比值依次为：1.04、1.02、1.00、0.88，较该龄期相应墙体混凝土中芯样试件与立方体试件抗压强度比略低。经数理统计后的强度比的均值为 0.98，标准差为 0.062，变异系数为 6.3%，变异性较小，基本可采用其均值进行混凝土强度的估计。2.6 现浇楼板芯样与墙体芯样试件抗压强度的比较

图 6 楼板芯样与立方体试件抗压强度比随龄期变化

对试验数据进行数理统计，得到的龄期 14～360d 的各强度等级的现浇楼板芯样试件与墙体芯样试件抗压强度的比值示于表 4。图 7 为相应龄期的从结构实体模型现浇楼板混凝土中钻取的标准芯样试件与从墙体混凝土中钻取的芯样试件抗压强度的比值随龄期的变化。由表 4、图 7 可以看出，有相当比例的强度比散点低于 1.00，这表明在现浇楼板混凝土中钻取的标准芯样试件较墙体混凝土中钻取的芯样试件抗压强度略低；相同龄期的芯样强度比随混凝土强度等级的变化而略有不同；各强度等级实体模型的芯样强度比数值在试验龄期14～360d 范围内的变化不大，表明龄期对其影响较小。

表 4 现浇楼板芯样与墙体芯样的抗压强度比

图 7 楼板与墙体芯样试件抗压强度比随龄期的变化

2.7 现浇楼板芯样与墙体芯样抗压强度换算数学模型

不考虑龄期的影响，对各混凝土强度等级的板与墙芯样强度比进行统计，结果见表 5。表 5 中各强度等级的芯样强度比的变异系数均不大于 5%，而对所有板与墙芯样强度比数值进行统计得到的统计均值为 0.93，标准差为 0.10181，变异系数为 10.99%，前者按强度等级统计得到的芯样强度比均值明显高于后者的统计精度，故在工程实际混凝土强度检测中，可采用表 5 结果进行墙、板构件结构混凝土抗压强度的估计。因此同龄期、同强度等级混凝土浇筑成型的现浇楼板与墙体的结构混凝土芯样抗压强度的换算数学模型可以统一为：

fcu,cor,slab＝kfcu,cor,shearwall（1）

式中：fcu,cor,slab——与墙体采用相同混凝土配合比，相同混凝土强度等级浇筑成型，且养护条件基本相同的现浇楼板混凝土中钻取得标准芯样试件抗压强度，精确至 0.1MPa；

k——强度换算系数，应用中参考表 5 取值；

fcu,cor,shearwall——从墙体混凝土中钻取得标准芯样试件的抗压强度，精确至 0.1MPa。

表 5 现浇楼板芯样与墙体芯样的强度比值 k 的统计

3 结论

（1）粉煤灰混凝土后期强度发展潜力很高，工程中应充分利用其后期强度；以立方体试件或芯样试件表征的粉煤灰混凝土抗压强度均表现出随龄期呈自然对数规律变化。大型结构实体模型墙体与楼板的芯样混凝土抗压强度在一定程度上不同程度的高于同龄期的同条件养护立方体试件。

（2）混凝土立方体试件与芯样试件抗压强度间存在尺寸效应现象，本文研建的基于 28d 立方体强度的以芯样试件抗压强度表征结构实体混凝土抗压强度的数学模型具有足够的统计学精度，可指导施工期工程结构实体混凝土抗压强度的施工。

（3）现浇楼板混凝土中钻取的标准芯样试件较墙体混凝土中钻取的芯样试件抗压强度偏低；龄期对试验混凝土的各强度等级浇筑成型的楼板与墙体的芯样抗压强度比影响不大。

（4）同混凝土配合比、同混凝土强度等级、龄期及养护条件基本相同的现浇楼板与墙体的芯样抗压强度比基本可用一个参数去表示，具体应用中可参考式 (1) 并按表 5 对参数进行取值后进行推定换算，可供结构混凝土强度质量检测与控制参考。

[1] 吴中伟，廉慧珍．高性能混凝土[M]．北京；中国铁道出版社，1999．

[2] 覃维祖．粉煤灰在混凝土中的应用[J]．商品混凝土，2006(02): 12-16．

[3] 赵晶，王蕾，蔡伟民，等．混凝土材料的绿色化发展[J]．低温建筑技术，2005(01): 7-8．

[4] 杨钱荣，吴学礼，张凌翼．粉煤灰混凝土的双变量强度公式[J]．建筑材料学报，2002(02):186-189．

[5] 曾波，杜庆檐．掺粉煤灰混凝土强度增长与龄期关系的试验研究[J]．广东水利电力职业技术院学报，2003(01): 24-25．

[6] 富强．粉煤灰混凝土强度增长规律初探[J]．混凝土，2005(7): 24-26．

[7] 冷发光，邢锋，冯乃谦，等．粉煤灰高性能混凝土试件强度尺寸效应研究[J]．混凝土，2000(12):18-19．

[8] GB50204—2002．混凝土结构工程施工质量验收规范[S]．

［通讯地址］河北省廊坊市富康道 113 号 廊坊市阳光建设工程质量检测有限公司（065000）

The study of the fly ash concrete mechanical properties and it’s time-varying models for the solid structure strength

Wang Dayong1,2, Xiao Xiao2
( 1. Langfang Construction Engineering Quality Testing Center, Langfang 065000, Hebei, China; 2. Langfang YangGuang Construction Engineering Quality Supervision Co., Ltd., Langfang 065000, Hebei, China)

Through the large structure entities simulation models which pouring of pumping fly ash concrete and standard cube specimens,the article researched on the mechanical performance index and its difference with contact of the cube specimen and core samples drilled from the shear walls and the cast-in-place floors at the age of 14～360d, the strength ratio of the cube and the core samples of fly ash concrete were also discussed.The test results shows that: (1) the fly ash concrete cube specimens and entity structure core compressive strength with the age in both obeyed the natural logarithm growth law; (2) the cube specimens and core samples exists size effect on compressive strength properity,and established the presumption formula which based on the 28d cube strength to estimate the strength of core sample characterization of structure entity compressive strength; (3) the compressive strength of the core samples drilled from the shear walls and the cast-in-place slab of concrete has difference in the period of the same age and strength grade,and the mathematical conversion formula provided with enough accuracy.The results of the study can be reference for detection and control of the engineering structure concrete during the construction stage.

concrete; fly ash; cube strength; core strength; size effect; strength conversion

王大勇（1974—），男，高级工程师，从事工程质量检测鉴定与研究工作，全国建设工程无损检测技术学术委员会委员。