强风、干寒、大温差地区混凝土蒸汽养护与强度变化的规律

赵文斌，刘建勋，张戎令,2，孙照玉,康 健

(1.兰州交通大学土木工程学院，兰州 730070；2.道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室，兰州 730070)



强风、干寒、大温差地区混凝土蒸汽养护与强度变化的规律

赵文斌1，刘建勋1，张戎令1,2，孙照玉1,康 健1

(1.兰州交通大学土木工程学院，兰州 730070；2.道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室，兰州 730070)

为研究强风、干寒、大温差地区混凝土合理的养护方式，对试验原材料进行了测试，同时分别进行了一般保温养护和蒸汽养护后混凝土强度发展规律及不同蒸养天数下(3 d、4 d、5 d、6 d、7 d)混凝土强度发展规律。通过实验的测定分析出一般保温措施和蒸汽养护的区别且得到合理的养护措施，根据混凝土在蒸养天数不同龄期下(3 d、5 d、7 d、14 d、28 d、56 d)的强度变化曲线，来确定相关参数，进而确定不同蒸养天数下混凝土强度计算模型，然后对计算模型通过不同数理指标进行验证，同时验证了计算公式的实用性。

强风干寒； 混凝土强度； 蒸汽养护； 公式拟合

1 引 言

随着西北地区的不断发展，国家和地方政府在甘肃已投入大量资金进行交通建设，而这些线路的大多区段直接穿越大风、干寒、昼夜大温差地区，这些地区在9月份到第二年5月份夜间温度达到0 ℃以下，湿度小于30%。因而对于这些地区施工完成的预制混凝土公路箱梁在拆模前后选择何种养护方式保证混凝土的各项性能是非常重要的。

混凝土性能主要由混凝土组分、混凝土配制和混凝土养护等因素决定[1]。在原材料、配合比和施工工艺一定的情况下，混凝土的养护，特别是早期的养护方式、养护温度、养护湿度、养护时间等的控制，对混凝土水化硬化程度、强度发展、耐久性等均有着重要影响[2,3]。养护温度对混凝土的早期性能的发展速度有很大的影响[4-6]。一般来说,养护温度越高,强度发展越快。研究表明[5]当温度低于某一限值时,水泥水化反应将不再进行,混凝土强度停止发展,这个温度在-10 ℃左右。实际上,在温度低于0 ℃的情况下,混凝土中的水分己经开始结冰,这将导致混凝土的冰冻损伤。同时早期的混凝土所处的环境没有保持充分的湿度,可能造成混凝土中水分大量蒸发,其后果：一方面因干燥失水而影响水泥继续水化；另一方面混凝土干燥收缩加大,使混凝土在低强度状态下承受收缩引起的拉应力,导致混凝土出现早期裂缝[7]。因此在这种昼夜温差大、低温在零度以下地区，更多去选择蒸汽养护保证混凝土在前期养护过程中对于温度和湿度的要求，从而才能保证其强度及各项性能。

舒志坚[8]学者对于早期不同养护方式下混凝土各项性能做出了详细的研究，同时王铁梦[9]对于不同等级的混凝土在标准养护下的强度发展规律给出了计算公式，周立霞[10]对于西北戈壁地区混凝土的耐久性做出了详细的研究。而对于在这种强风、干旱、大温差地区混凝土在蒸汽养生的养护方式下，其早期强度的变化规律研究较少，同时蒸汽养护需要大量的资金投入，如何在这种环境下合理选择蒸养天数，为施工节约成本及时间也是非常重要的。因此对于强风、干寒、大温差地区混凝土蒸汽养护与强度变化规律的研究有其必要性。

2 试 验

2.1 工程背景

白明高速，主线起点为内蒙与甘肃交界的白疙瘩，至终点甘肃与新疆交界的明水附近。BM01合同段起讫桩号：K1808+000.0-K1822+000,全长13.92912 km，共设置大、中桥3座，涵洞14道，通道10处。设计采用高性能混凝土，设计年限100年,标段内风速≥7 m/s，常年有强风，昼夜温差大，湿度常年低于35%。

2.2 混凝土配合

试验所使用的混凝土配合比见表1。

表1 混凝土配合比(C50)Tab.1 Concrete mix proportion

2.3 试验材料检测结果

试验中各项材料性能检测结果见表2～5。

表2 水泥检性能指标Tab.2 Cement performance index

表3 粗骨料的性能指标Tab.3 Coarse aggregate performance index

表4 细骨料的性能指标Tab.4 Fine aggregate performance index

表5 水的性能指标Tab.5 Water performance index

2.4 试验方案

(1)根据现场的气候条件和地理条件选择蒸汽养护，测试混凝土在不同蒸养天数(3 d、4 d、5 d、6 d、7 d)下，在龄期3 d、5 d、7 d、14 d、28 d、56 d的抗压强度。

(2)测试标准养护下混凝土在3 d、5 d、7 d、14 d、28 d、56 d抗压强度，养护28 d。

(3)测试一组土工布养护下混凝土在3 d、5 d、7 d、14 d、28 d、56 d抗压强度(土工布养护：将预制好的混凝土试块放于大气之中，用土工布覆盖，定时洒水,土工布可以有一定程度的保温和保湿效果)，用于验证一般养护条件下混凝土的抗压强度发展规律。

(4)混凝土所有的测试龄期都是从养护开始，达到蒸养天数后将混凝土试块置于大气之中，养护方式都选择同条件蒸养，见图1。

图1 蒸汽养生棚Fig.1 Steam curing shed

2.5 试验方法

参与试验的各组混凝土试块都是根据表1中的配合比一次性制作，试块尺寸为150×150×150 mm立方体，根据(GB/T50081-2002)《普通混凝土力学性能试验方法标准》测试各凝期混凝土试块强度。

共三组试件：

第一组(AZ)是于2015年9月制作完成，共计90个试块。主要用于测试5种不同蒸养天数(3 d、4 d、5 d、6 d、7 d)下早期6个养护龄期(3 d、5 d、7 d、14 d、28 d、56 d)混凝土立方体的抗压强度。

第二组(CZ)是于2015年10月制作完成，共计90个试块。主要用于测试5种不同蒸养天数下早期6个养护龄期(3 d、5 d、7 d、14 d、28 d、56 d)混凝土立方体的抗压强度，最终用于验证不同蒸养天数下混凝土强度计算公式的实用性。

第三组(BZ)是于2015年9月制作，共计36个试块。主要用于测试标准养护下和土工布养护混凝土在6个龄期(3 d、5 d、7 d、14 d、28 d、56 d)的立方体抗压强度,用于与其它养护方式做对比研究。

以上试件制作的采用表2～5相同的原材料和表1相同的配合比，本篇文章都是以C50混凝土为研究对象。

3 结果与讨论

3.1 混凝土不同龄期抗压强度值

试验所使用C50混凝土强度测试结果见表6。

表6 混凝土强度测试值(C50)Tab.6 Water performance index(C50)

3.2 蒸汽养护的必要性分析

图2 土工布养护与标准养护对比图Fig.2 Geotextile curing and standard curing contrast

图3 不同蒸养天数下混凝土早期强度增长规律Fig.3 The early strength of concrete under different pipe days growth rule.

从图2可清楚地分析出在这种即可保温保湿的土工布养护下混凝土28 d的强度达不到设计强度，而且前期强度甚至低于标准养护下混凝土的20%。因此选择蒸汽养护是必要的，可以满足混凝土养护湿度及温度的要求。

3.3 不同蒸养天数下混凝土强度数据分析

(1)从图3可以分析出蒸养3 d、4 d混凝土28 d强度是达不到50 MPa，蒸养3 d及4 d是不合理的。

(2)从图3可以看出随着蒸养天数的增加，混凝土强度随之增加。混凝土强度在三天龄期时都达到了混凝土28 d强度的60%，甚至超过了60%。7 d的强度在养护了7 d的龄期下，混凝土的强度达到了28 d强度，其它养护天数下都超过了28 d强度的90%。

(3)从图3可以分析出在混凝土的早龄期(特别是在前7 d)，其水化反应非常活跃，性能也发生显著的变化，此阶段是混凝土立方体抗压强度发展的重要阶段，在工程中应给予足够的重视。在蒸汽养护7 d时，混凝土的强度可达到50 MPa，以标准养护28 d强度为基准，蒸汽养护3 d、4 d、5 d、6 d、7 d在28 d龄期时分别下降了11.37%、10.67%、3.7%、1.2%、0.6%。

3.3.1 曲线拟合

对表6数据的分析得出，只需要拟合养护5 d、6 d、7 d的混凝土强度强度增长曲线。选择数学模型

Y=A·ln(B·ln(x))

，

(x≤60 d)具体不同蒸汽养护天数下的强度计算公式见图4～6。

图4 蒸汽养护5 d强度变化规律 Fig.4 Strength change law steam curing 5 d

图5 蒸汽养护6 d强度变化规律Fig.5 Strength change law steam curing 6 d

图6 蒸汽养护7 d强度变化规律Fig.6 Strength change law steam curing 7 d

3.3.2 拟合公式误差分析

拟合公式误差分析结果见表7。

表7 各项指标分析Tab.7 Analysis of the indicators

从以上参数的分析，a及b的误差满足要求，而且R2均大于0.95，说明曲线拟合结果非常接近实际的变化曲线。(公式：y=a·ln(b·ln(x)))

3.3.3 验证拟合公式的实用性

为验证公式的实用性，采用表6的试验值与表7中公式的计算值相比较,其中公式中28 d强度选用表6的数据。采用三个数理指标[11]：n为试验个数；μ为平均数，

具体见图7～9。

图7 蒸养5 d试验值与计算值比值 Fig.7 Curves of experiment value and AZ,BZ for steam curing 5 d

图8 蒸养6 d试验值与计算值比值 Fig.8 Curves of experiment value and AZ,BZ for steam curing 6 d

图9 蒸养7 d试验值与计算值比值Fig.9 Curves of experiment value and AZ,BZ for steam curing 7 d

(1)对图7分析，由n=12，μ=1.0039，σ=0.0295，δ=0.0294三个数理指标可知计算值与试验值符合较好。取28 d的强度的为基准，第一组和第二组实验值分别是计算值的98.23%和95.2%。

(2)对图8分析，由n=12，μ=0.9983，σ=0.0248，δ=0.0249三个数理指标可知计算值与试验值符合较好。取28 d的强度的为基准，第一组和第二组实验值分别是计算值的99.07%和95.85%。

(3)对图9分析，由n=12，μ=1.0007，σ=0.0355，δ=0.0356三个数理指标可知计算值与试验值符合较好。取28 d的强度的为基准，第一组和第二组实验值分别是计算值的98.88%和99.34%。

施工过程中，由于各种原因导致施工时间紧迫，而混凝土预制构件达到设计强度的时间严重影响整个施工进度，有时候需要混凝土预制构件在短时间内达到要求的强度，例如预应力张拉等。此时，可以利用我们拟合得到的混凝土强度计算公式根据要求的时间和强度反推需要养护的时间，这样为整个施工过程节省了时间。同时，由于蒸汽养护的费用较高，在不做时间要求的情况下，选择合理的时间，可以为工程本身节省资金。

4 结 论

(1)在强风、干寒、大温差地区一般的养护方式难以保证混凝土的各项性能，而一般保温措施只能达到28 d强度的89%，因此应该选择合理的养护方式，如蒸汽养护(28 d强度为55 MPa)等；

(2)给出了在强风、干寒、大温差地区浇筑后的混凝土选择蒸汽养护的合理天数，以及在蒸养5 d、6 d、7 d混凝土的强度计算公式。蒸养4 d以上28 d的强度才可达到50 MPa以上,而蒸养3 d、4 d只能达到28 d强度的72%及80%。

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[14] GB/T50080-2002[S].普通混凝土拌合物性能试验方法标准.

[15] GB/T 50081-2002[S].普通混凝土力学性能试验方法标准.

Steam Curing of Concrete and Law of Intensity Change in Strongly Windy,Dry Cold,Large Temperature Difference Areas

ZHAOWen-bin1,LIUJian-xun1,ZHANGRong-ling1,2,SUNZhao-yu1,KANGjian1

(1.School of Civil Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China;2.Road and Bridge Engineering Disaster Prevention and Control Technology National Local Joint Engineering Laboratory,Lanzhou 730070,China)

For the study of practical ways of curing concrete in strongly windy, dry cold, large temperature difference areas, the needy raw materials were tested, meantime, the laws of development for concrete strength were found by way of the general thermal curing and steam curing as well as different pipe days (3 d, 4 d, 5 d, 6 d, 7 d) .Such a conclusion could be drawn that the differences between the general heat preservation measures and the steam curing and some reasonable maintenance measures could be easily obtained after some experiments.Throughkeeping the intensity variable curves of concrete at different agesinsteam curing pipe days (3 d, 5 d, 7 d and 14 d and 28 d, 56 d)under observation, the relevant parameters should be determined. Thus the calculation model of concrete strength under different steam curing days could be confirmed ,then the calculation model was verified by different mathematical indicators, the practicality of the formula can be proved right meanwhile .

strong dry cold;concrete strength;steam curing;formula fitting

长江学者和创新团队发展计划滚动支持(IRT15R29);陇原青年创新人才扶持计划；青年人才托举工程计划；甘肃省交通运输厅科研项目

赵文斌(1990-)，男，硕士研究生.主要从事预制混凝土箱梁裂缝预防及控制的研究.

刘建勋，教授级高工.

TU528

A

1001-1625(2016)08-2358-07