不同强度等级及养护条件下的混凝土结构强度演化试验研究

徐 俊 朱 然 占羿箭 朱敏涛 李鑫奎

1. 上海建工集团股份有限公司 上海 200080；2. 上海高大结构高性能混凝土工程技术研究中心 上海 200080；3. 上海建工材料工程有限公司 上海 200240

近年来，随着我国城市化水平的不断提升，土木工程建设呈现蓬勃发展的姿态，高层和超高层建筑不断涌现[1]，随之而来的大体积混凝土、高强/超高强混凝土和超高泵送混凝土也给施工带来了新的技术挑战。

对于采用大体积混凝土浇筑的基础底板而言，其温度与结构强度演化及结构裂缝控制紧密相关，混凝土结构强度必须满足设计要求，否则结构安全风险难以得到有效控制；与此同时，为满足工程施工进度要求，高层和超高层建筑上部结构施工一般速度较快，通常维持在3～7 d/层，然而只有本层混凝土结构强度达到设计要求后，才能拆除模板、爬升模架，进行下一层结构施工，否则很可能造成工程事故。

目前，工程中对混凝土结构强度的评估普遍采用同条件养护、回弹法或超声回弹法、钻芯取样等方法。然而，这些方法要么无法科学反映混凝土实体结构强度发展状态，要么需要破坏结构，并且一般只能在混凝土结构浇筑28 d后进行，属于事后评估，缺乏时效性和代表性，存在明显的不足，难以满足现代混凝土结构施工需要[2-3]。相比之下，运用成熟度方法预测混凝土结构强度演化状态，是一种切实可行的实时、原位无损检测技术[4-6]。目前，该技术已在美国密歇根州Grand River道路、纽约自由塔等典型工程项目中得到了广泛应用。

本文以成熟度理论为研究基础，针对不同强度等级（C30、C40及C60）的混凝土，探索其在不同养护条件（标准养护、自然养护及60 ℃高温养护）下的结构强度演化规律，以期为现代混凝土工程建造提供相关的技术支持与保障。

1 试验研究

1.1 混凝土配合比设计

本文试验配合比均采用工程项目实际施工配合比，主要涉及C30、C40及C60三种强度等级，其水胶比分别为0.41、0.39、0.27，具体如表1所示。

表1 C30、C40及C60混凝土配合比设计单位：kg/m3

1.2 混凝土性能指标测试

混凝土抗压强度及静弹性模量指标按照国家标准GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测定。

1.3 混凝土温度监测

1）温度采集：采用分体式设计单元，温度传感器埋入混凝土，数据存储标签安装在混凝土本体空间之外，可重复利用，且可实现多个温度传感器连接，避免因故障导致数据丢失，如图1所示。

2）数据传输：采用基于RFID技术的无线数据传输单元，实现温度数据的长距离、低功耗、高穿透率、可组网传输，并且该单元具有封装体积小、防水防振、电池易更换等优点，如图2所示。

图1 温度采集单元

图2 数据传输单元

3）接收显示终端：采用移动端及PC端，方便随时查看温度数据，调整监测时间间隔。

2 结果及分析

本文将埋设温度传感器的不同强度等级混凝土试块置于不同养护条件下进行养护，实时监测其内部温度数据，同时根据Nurse-Saul成熟度方程计算其成熟度，并测试不同龄期（1 d、3 d、7 d、14 d及28 d）混凝土的抗压强度及静弹性模量指标，研究混凝土材料的强度演化规律。Nurse-Saul成熟度方程如式（1）所示：

式中：M——成熟度（℃·h或℃·d）；

T——时间间隔∆t内混凝土平均温度（℃）；

T0——基准温度（℃），基准温度是指混凝土强度 不再随龄期增长而增加的温度，即混凝土 内部水化反应停止的温度，通常取－10 ℃； JGJ/T 104—2011《建筑工程冬季施工规程》 中规定当采用蓄热法或综合蓄热法施工时， 其基准温度取为－15 ℃；

∆t——时间间隔（h或d）。

2.1 不同养护条件下混凝土结构强度演化规律

为切合工程实际情况，本试验以C40混凝土为对象，对标准养护、自然养护（参考工程实际环境）以及60 ℃高温养护（参考大体积混凝土环境）这3种养护模式展开研究。

2.1.1 标准养护

标准养护是指将制备的混凝土试块置于温度20 ℃±2 ℃、相对湿度95%以上的混凝土标养室内进行的养护。该条件下混凝土内部温度与养护温度变化曲线如图3所示。

混凝土性能指标测试结果如表2所示。

表2 混凝土性能测试指标（标准养护）

采用式（1）计算得到成熟度M，使用Matlab软件分析得到抗压强度fc随成熟度M的变化曲线如图4所示。

图3 混凝土内部温度与标准养护 环境温度变化曲线

其中，a＝11.13，b＝－60.7，相关系数R2＝0.996。

2.1.2 自然养护

自然养护是指将制备的混凝土试块置于室外自然环境下进行的养护，用于模拟工程实际施工条件下混凝土结构强度演化情况。该条件下混凝土内部温度与自然环境温度变化曲线如图5所示。

混凝土性能指标测试结果如表3所示。

表3 混凝土性能测试指标（自然养护）

采用式（1）计算得到成熟度M，随后使用Matlab软件分析得到抗压强度fc随成熟度M的变化曲线，如图6所示。

综上所述，将多种影像联合诊断用于瘢痕妊娠合并子宫动静脉瘘中能获得较高的诊断效能，能为临床诊疗提供影像学依据和参考，值得推广应用。

图5 混凝土内部温度与自然 环境温度变化曲线

图6 混凝土抗压强度随成熟度 变化曲线（自然养护）

拟合得到fc与M之间的映射关系也比较接近对数函数模型关系，如式（3）所示：

其中，a＝8.212，b＝－39.65，相关系数R2＝0.986 3。

2.1.3 60 ℃高温养护

60 ℃高温养护是指采用数显温控电热加热设备将养护水加热至60 ℃并维持恒温，而后将制备的混凝土试块置于该水浴环境进行的养护，用于模拟高温环境下（如大体积混凝土环境）混凝土结构强度演化情况。该条件下混凝土内部温度与自然环境温度变化曲线如图7所示。混凝土性能指标测试结果如表4所示。

采用Saul公式计算得到成熟度M，使用Matlab软件分析得到抗压强度fc随成熟度M的变化曲线，如图8所示。

拟合得到fc与M之间的映射关系也比较接近对数函数模型关系，如式（4）所示：

其中，a＝12.59，b＝－75.16，相关系数R2＝0.893 4。

表4 混凝土性能测试指标（60 ℃高温养护）

图7 混凝土内部温度与高温养护 环境温度变化曲线

图8 混凝土抗压强度随成熟度 变化曲线（60 ℃高温养护）

2.1.4 不同养护条件下混凝土结构强度演化之间的函数关系

以3种不同养护条件下混凝土结构强度演化数据为基础，通过Matlab拟合函数方程，建立相互之间的映射关系，实现实验室标准养护条件下混凝土结构强度演化数据的工程化转换应用。式（5）、式（6）分别表示60 ℃高温养护及自然养护条件下混凝土结构强度fc1、fc2与标准养护条件下混凝土结构强度fc0之间的三角函数映射关系。

其中，a01＝－3.629×107，a1＝3.629×107，b1＝－7.486× 104，w1＝－4.444×10-5，相关系数R2＝0.998 7。

其中，a02＝－2.847×109，a2＝2.847×109，b2＝－5.017×105，w2＝－2.395×10-6，相关系数R2＝0.998 8。

图4、图6与图8表明，不同养护条件下混凝土结构强度演化曲线均基本符合对数函数模型关系，而且不同养护条件下混凝土结构强度演化之间存在一定的映射关系，该关系可由三角函数关系表征。

2.2 不同强度等级混凝土结构强度演化规律

针对C30、C40及C60这3种工程广泛应用的不同强度等级混凝土，研究其在标准养护条件下，混凝土结构强度演化规律，并分析其差异化特点，为工程实践提供理论指导，试验结果如表5、表6所示。

同样地，采用式（1）计算得到成熟度M，随后使用Matlab软件分析得到C30、C60两种不用强度等级混凝土抗压强度fc随成熟度M的变化曲线，如图9、图10所示。

同样地，C30强度等级混凝土fc与M之间的映射关系比较接近指数函数模型关系，而C60强度等级混凝土与C40强度等级相似，其fc与M之间的映射关系比较接近对数函数模型关系，拟合公式如式（7）及式（8）所示：

表5 混凝土性能测试指标（C30）

表6 混凝土性能测试指标（C60）

图9 混凝土抗压强度随成熟度 变化曲线（C30）

图10 混凝土抗压强度随成熟度 变化曲线（C60）

其中，a＝1.207，b＝0.350 8，c＝－2.285，相关系数R2＝0.991 8。

其中，a＝10.89，b＝－41.67，相关系数R2＝0.797 8。

分析图4、图9以及图10可知，不同强度等级混凝土结构强度演化规律基本一致，均随成熟度的增加而上升，不同之处在于C30混凝土呈指数函数上升，而C40及C60混凝土则呈对数函数上升。

3 结语

1）建立了3种不同养护条件下混凝土结构强度演化曲线拟合方程，均基本符合对数函数模型关系，为自然环境及60 ℃高温环境下混凝土结构工程施工提供强有力的技术支撑。

2）建立了3种不同养护条件下，混凝土结构强度演化之间的相互映射关系，均基本符合三角函数关系，实现实验室标准养护条件下，混凝土结构强度演化数据的工程化转换应用，有效解决了实际工程项目试验条件相对薄弱的缺陷。

3）建立了3种不同强度等级混凝土结构强度演化曲线拟合方程，相同之处在于不同强度等级混凝土结构强度演化规律基本一致，均随成熟度的增加而上升，不同之处在于C30混凝土呈指数函数上升，而C40及C60混凝土则呈对数函数上升，为C30、C40及C60混凝土结构工程施工提供强有力的技术支撑。

4）混凝土原材料及配合比设计等因素差异，会对研究的规律方程产生一定的影响，下一步将重点针对上述问题展开研究，以期确定其合理的偏差范围[7-11]。