-5℃环境下混凝土抗压强度变化规律及预测模型研究

2022-08-11张戎令闫昊起张家玮郭海贞王立博

沈阳建筑大学学报（自然科学版） 2022年2期

张戎令，闫昊起，张家玮，郭海贞，王立博

(1.兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州 730070；2.兰州交通大学道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室，甘肃兰州 730070；3.甘肃畅陇公路养护技术研究院有限公司，甘肃兰州 730000；4.中铁二十一局集团第一有限公司，新疆乌鲁木齐 830011)

我国西北部地区冬季气温较低，部分高海拔地区可达零度以下，尤其在高原冻土地区，气候环境很恶劣。因此在高原冻土地区进行混凝土工程必须考虑负温下混凝土的耐久性问题[1-6]。梁柯鑫等[7]和段运等[8]研究了3 ℃环境下不同水灰比对混凝土抗氯离子渗透性和孔结构的影响。郭海贞等[9]对负温环境和矿物掺合料耦合作用对混凝土性能的影响做了探究。杨英姿等[10]研究了不同种类的防冻剂、矿物掺合料对正、负温下水泥净浆、砂浆及混凝土力学性能的影响。张凯等[11]研究了在3 ℃环境下混凝土强度、孔隙结构及抗冻耐久性之间的关系。闻洋等[12]研究橡胶颗粒粒径、掺量以及防冻剂对负温下橡胶混凝土性能的影响。张粉芹等[13]通过试验研究发现引气剂较大程度上增加混凝土闭口孔隙率，对混凝土抗冻性很有利，但混凝土强度有所降低。刘军等[14]对低温条件下矿物掺合料对混凝土强度发展及抗冻临界强度的影响做了研究。但是，目前对于负温养护下混凝土强度规律研究仍需要完善。笔者通过试验比较不同含气量在标准养护(20 ℃)环境与-5 ℃环境下的混凝土抗压强度并建立了负温下强度预测模型，得出混凝土强度变化规律，以期指导冬季冻土地区混凝土的施工与使用。

1 试验

1.1 试验材料

采用甘肃省祁连山水泥P.O 42.5级普通硅酸盐水泥，技术指标如表1所示。细集料采用级配良好的水洗河砂，含泥量为2.4%，表观密度为2645.8 kg/m3，细度模数为2.47，属中砂；粗骨料选用连续级配碎石，粒径5～31.5 mm；水用自来水；引气剂采用SJ-2型引气剂。

表1 P.O 42.5普通硅酸盐水泥技术指标Table 1Technical index of ordinary Portland cement P.O 42.5

1.2 试验设计

试验按照不同的养护方式和引气剂掺量可分为A1、A2、A3、A4、A5,B1、B2、B3、B4和B5共10组。标号A表示标准养护20 ℃环境，标号B表示恒定-5 ℃环境；1、2、3、4，5分别表示引气剂掺量分别为0.00%、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%。

(1)配合比设计

恒定负温-5 ℃环境和标准养护环境下混凝土配合比采用相同配合比，水胶比采用0.38，砂率为45%。水、水泥、碎石、沙子掺量如表2所示。

表2 配合比各材料的掺量Table 2The amount of doping of each material

(2)入模温度控制

称取材料：粗细骨料、水泥、水、外加剂分别装在容器中一起放入恒温养护箱内进行预温养护24 h控制入模温度。试验入模温度采取15℃，入模温度控制在(15±1)℃。在浇筑试块时，将预温养护的原材料取出并快速地倒进搅拌机进行搅拌、浇筑、振捣等过程。拿取材料到试块浇筑完成的时间控制在15 min内。

(3)养护方式

浇筑的混凝土放在两种工况下：将室内养护24 h的5组混凝土试块A1、A2、A3、A4、A5脱模放入标准养护室。浇筑的另外5组混凝土试块B1、B2、B3、B4、B5入模装入塑料薄膜袋中放入-5 ℃恒温大气模拟箱内养护，3 d后脱模持续养护，并在-5 ℃恒温箱内养护。

(4)试验方案

按照配合比称取定量的水泥、砂子、碎石等材料，按照要求拌和混凝土，在标准养护环境和恒定-5 ℃环境下养护混凝土试件并测试在两种养护环境下各龄期混凝土试块的抗压强度。

2 混凝土成熟度

2.1 Saul成熟度方程

英国学者A.G.A.Saul[15]提出基于温度和时间的成熟度理论，在此基础上进一步发展得出成熟度计算式。

(1)

式中：M为龄期为t时的混凝土成熟度,℃·h；Tc为时间间隔Δt内混凝土平均温度℃；T0为基准温度。

2.2 成熟度-强度模型

成熟度指标可以间接反映混凝土性能的变化，但它与混凝土强度之间并未存在着公式化的理论关系。因此，不同学者根据自己的研究分析提出了各式各样的强度-成熟度经验关系模型[16]。ASTMC 1074[17]推荐指数函数、双曲函数模型。

指数函数模型：

S=Sue-[τ/M]a.

(2)

式中：S表示成熟度为M时的抗压强度,MPa；Su表示极限抗压强度,MPa；τ表示时间特征常数；a为形状系数。

双曲函数模型[18]：

S=M/(mM+n).

(3)

式中：m、n为常数。

文献[19]中用对数函数模型来表示混凝土强度和成熟度的关系：

S=a+blog(M).

(4)

式中：a、b为常数。

3 结果与分析

3.1 测试混凝土抗压强度及计算成熟度

在标准养护环境和-5 ℃环境下的混凝土抗压强度变化规律如图1所示。由图1(a)可知，混凝土28 d龄期时A2、A3、A4、A5的混凝土抗压强度值分别是A1的90%、76.6%、63.8%、50.5%；由图1(b)可知，混凝土28 d龄期时B2、B3、B4、B5的混凝土抗压强度值分别是B1的81.59%、70.96%、60.91、48.34%。在标准养护环境和-5 ℃环境下，混凝土28 d龄期时掺加引气剂的情况下混凝土抗压强度值均低于不掺引气剂时的混凝土抗压强度值。在相同龄期、标准养护和负温两种环境下，引气剂的掺量与混凝土抗压强度值成反比，且引气剂掺量越大，混凝土强度降低程度越大。因此，在满足强度要求的前提下，需要考虑合理确定引气剂掺量。

图1 不同龄期的抗压强度Fig.1Compressive strength values at different ages under standard curing

图2为不同引气剂掺量的混凝土抗压强度值。

图2 不同引气剂掺量的混凝土抗压强度值Fig.2The strength value of concrete with different content of air-entraining agent

由图2可知，引气剂掺量为0.00%的混凝土在标准养护环境下28d龄期的抗压强度为40.59 MPa，恒定-5 ℃环境下49 d龄期的抗压强度值为40.7 MPa，强度偏差仅为0.25%。引气剂掺量为0.05%的混凝土在标准养护环境下28 d龄期的抗压强度为36.54 MPa，与恒定-5 ℃环境下49d龄期时强度近似相等，抗压强度为36.56 MPa，偏差为0.06%。引气剂掺量为0.10%的混凝土在标准养护环境下28 d龄期的抗压强度为31.1 MPa，与恒定-5 ℃环境下49 d龄期时强度近似相等，抗压强度为31.3 MPa，偏差为0.64%；引气剂掺量为0.15%的混凝土在标准养护环境下28d的抗压强度为25.9 MPa，与恒定-5 ℃环境下49 d龄期时强度近似相等，抗压强度为25.7 MPa，偏差为-0.77%。引气剂掺量为0.20%的混凝土在标准养护环境下28d龄期的抗压强度为20.5 MPa，与恒定-5 ℃环境下49 d龄期时强度近似相等，抗压强度为20.6 MPa，偏差为0.49%。因此，不同引气剂掺量下混凝土强度规律为：在15℃入模温度条件下，试验组A1、A2、A3、A4、A5，28 d龄期的抗压强度与试验组B1、B2、B3、B4、B5，49 d龄期的抗压强度近似相等，其偏差值在-0.77%～0.64%。

根据式(1)计算两种养护环境下各龄期的成熟度(见表3)。由表3可得，在相同龄期、引气剂掺量为0时，对标准养护环境和-5 ℃环境两种工况的抗压强度值作比较：混凝土3 d、7 d、14 d、28 d、49 d、56 d龄期时-5 ℃环境下混凝土抗压强度值分别是标准养护环境下混凝土抗压强度值的81.9%、80%、86.2%、88.5%、89.2%、91.7%。由此可知，在相同龄期和相同引气剂掺量时，-5 ℃环境下混凝土强度均低于标准养护环境下的强度，这说明负温环境不利于混凝土的强度增长。水泥水化使得混凝土产生强度，而水泥水化是很复杂的物理化学过程，在-5 ℃环境下化学反应速率低、水泥水化程度低，导致混凝土强度增长慢。

表3 式(1)计算得各龄期的成熟度 Table 3The maturity value of each age is calculated by using the formula(1)

3.2 标准养护环境下模型分析

根据指数函数模型式(2)、双曲函数模型式(3)、对数函数模型式(4)对标准养护环境下的混凝土抗压强度值与对应成熟度之间的关系进行拟合(见图3)。

图3 标准养护环境混凝土强度-成熟度拟合 Fig.3Fitting curve of strength-maturity of concrete in standard curing environment

利用origin 曲线拟合工具，拟合得到标准养护条件下不同引气剂掺量的强度数据，从图3可以看到，用式(2)拟合的精度最高，在0.20%引气剂掺量、7 d龄期，拟合的最大偏差为7.82%。用式(4)拟合的精度也较高，在0.20%引气剂掺量、7 d龄期，拟合的最大偏差为9.97%。相比指数、对数函数模型的拟合结果，用双曲函数模型的式(3)拟合的结果精度最差，在0.10%引气剂掺量、14 d龄期，拟合的最大偏差为9.87%。

表4为拟合所得3种模型的参数，式(2)、式(4)拟合曲线的R2值均在0.95以上，引气剂掺量分别为0.00%和0.10%时R2大于0.99，这表明式(2)、式(4)对实际强度值的拟合效果很好，式(4)的拟合效果要比式(2)的拟合效果好；式(3)拟合的R2值全部小于0.90，拟合效果不如式(2)、式(4)的好。

表4 标准养护条件下各模型参数Table 4Model parameters under standard conditions

3.3 负温环境下模型分析

在标准养护环境得到两种预测效果较好的强度预测模型：指数函数模型式(2)、对数函数模型式(4)。利用两种预测效果较好模型与-5 ℃环境下的各龄期的成熟度来预测-5 ℃环境下混凝土抗压强度，并对预测强度与实测强度进行比较。图4为-5 ℃环境下式(2)与式(4)实测-预测混凝土强度，图中点线(±10%)、短划线(±20%)和点划线(±30%)分别表示强度偏差线，数据点越靠近图中的45°实线，表示强度预测模型的预测精度越高。

图4 -5 ℃式(2)与式(4)实测-预测混凝土强度 Fig.4Measured strength-predicted concrete strength in formula(2)and(4)at -5 ℃

从图4可以看出，预测抗压强度值都小于实测抗压强度。式(2)预测强度最大偏差发生在3 d龄期、0.20%引气剂掺量的情况下，达到了-20.1%。7d龄期、引气剂掺量分别为0.00%、0.10%、0.20%的强度预测偏差也分别达到-8.2%、-4.7%、-2.6%。式(4)预测强度的最大偏差发生在3 d龄期、0.10%引气剂掺量的条件下，达到了-30.2%；7 d龄期，引气剂掺量分别为0.00%、0.10%、0.20%的强度预测偏差也分别达到-11.3%、-11.1%、-11.0%。在28 d、0.20%引气剂掺量时，式(2)、式(4)预测强度达到最大偏差值，分别为-20.1%、-19.1%。

3.4 负温养护下混凝土抗压强度预测模型修正

式(2)与式(4)所预测的混凝土强度与实测强度的差值在±30%，差值范围较大，因而对式(2)中的参数Su极限抗压强度进行修正，修正得强度预测式为

S=kSue-[τ/m]α.

(5)

式中：k为修正系数。

图5为-5 ℃环境下修式(5)实测-预测混凝土强度。在7 d龄期、引气剂掺量分别为0.00%、0.10%、0.20%时强度预测偏差分别达到-6.38%、-9.82%、-12.6%，最大偏差发生在 0.20%引气剂掺量的情况下，达到了-12.6%。在28 d龄期、引气剂掺量分别为0.00%、0.10%、0.20%的强度预测偏差分别达到0.95%、-1.89%、3.82%，最大偏差也发生在0.20%引气剂掺量的情况下，达到了3.82%。强度预测效果随引气剂掺量的不同也有差异，引气剂掺量为0.00%时，预测效果最好，强度偏差在各个龄期都小于7%。引气剂掺量为0.10%时，预测效果相对于引气剂掺量为0.00%时较差，强度偏差在各个龄期都小于10%。引气剂掺量为0.20%时，预测效果最差，强度偏差在各个龄期都小于13%。在-5 ℃环境下，利用修正式(5)预测混凝土强度，预测偏差范围均在±10%附近，预测结果较为精确。