早齡期混凝土力學(xué)性能研究現(xiàn)狀

徐國強(qiáng) 劉玲玉 黑智濤

（1華北理工大學(xué)建筑工程學(xué)院， 河北 唐山 063009；2河北省地震工程研究中心， 河北 唐山 063009）

早齡期混凝土不單指時間上的早，而用來指混凝土水化程度或者說混凝土的成熟度比較合適[1]。在早齡期養(yǎng)護(hù)階段，混凝土水化反應(yīng)進(jìn)行的比較快，內(nèi)部微結(jié)構(gòu)快速形成，即使沒有外力的作用，早齡期混凝土快速水化產(chǎn)生的較大水化熱及水化過程中混凝土的自干燥現(xiàn)象使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生裂縫，這些在早齡期形成的裂縫可能對混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命和安全性產(chǎn)生一定影響[2]。在澆筑初期，由于混凝土材料的離散性較大，混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量隨時間的變化是一個不斷強(qiáng)化發(fā)展的過程，為保證施工和使用階段混凝土力學(xué)性能滿足設(shè)計和使用要求，首先要保證混凝土在澆筑后有充足的養(yǎng)護(hù)時間和養(yǎng)護(hù)條件[3]。但在實際工程中，為了加快施工進(jìn)度，往往混凝土在早齡期就要處于服役狀態(tài)，這需要我們調(diào)節(jié)好混凝土早齡期力學(xué)性能和施工進(jìn)度的關(guān)系，并掌握好混凝土在早齡期階段何時能夠承受荷載。因此，研究混凝土的早齡期力學(xué)性能對滿足施工中混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計和使用要求、保證結(jié)構(gòu)安全、合理提高施工速度具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。

1 早齡期混凝土抗壓強(qiáng)度研究

實際工程中，混凝土結(jié)構(gòu)在早齡期階段就會處于服役狀態(tài)，為確?；炷两Y(jié)構(gòu)在早期階段服役的安全性，有必要深入了解早齡期混凝土抗壓強(qiáng)度的發(fā)展規(guī)律。

李曉芬[4]通過對比不同強(qiáng)度等級的混凝土在3d、7d、14d、28d的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律，得到不同強(qiáng)度等級的混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期增長而增大，特別是7d前抗壓強(qiáng)度增長較快，7d～28d的抗壓強(qiáng)度增長較緩慢。沈毅[5]通過對比研究普通混凝土（C40）和高強(qiáng)混凝土（C80）在早齡期抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律，結(jié)果表明，C40混凝土抗壓強(qiáng)度在早齡期增長較為緩慢，養(yǎng)護(hù)7d時，混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到28d抗壓強(qiáng)度的63%，而C80混凝土抗壓強(qiáng)度在早齡期增長較快，養(yǎng)護(hù)2d時達(dá)到28d抗壓強(qiáng)度的67%，其后增長速率變緩。Kahouadji、Qstergaard等[6-7]對早齡期混凝土抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律以及影響因素進(jìn)行分析，得出7d前混凝土抗壓強(qiáng)度增長速率較快，隨后逐漸變緩；而早齡期混凝土抗壓強(qiáng)度的增長規(guī)律受多種因素影響，不僅與混凝土配合比有關(guān)，還與養(yǎng)護(hù)溫度有關(guān)，較高的初期養(yǎng)護(hù)溫度可以加速水化反應(yīng)，提高早齡期混凝土抗壓強(qiáng)度。

混凝土作為一種復(fù)合材料，其摻合料與外加劑的摻量對早齡期混凝土抗壓強(qiáng)度的發(fā)展具有一定影響，在配制混凝土?xí)r，摻入適量的摻合料與外加劑可以有效的提高早齡期混凝土抗壓強(qiáng)度。曹雄[8]研究了沸石粉摻合料對早齡期混凝土抗壓強(qiáng)度的額影響，研究表明，摻入20%的沸石粉可以明顯增強(qiáng)混凝土28d前抗壓強(qiáng)度，且3d前抗壓強(qiáng)度增長速率最快。吳浪[9]在配制混凝土?xí)r摻入高效減水劑，研究混凝土抗壓強(qiáng)度在3d、7d、14d、28d的增長規(guī)律，并與不添加減水劑的普通混凝土進(jìn)行對比，研究表明，高效減水劑可以有效的提高早齡期混凝土抗壓強(qiáng)度，摻高效減水劑的混凝土養(yǎng)護(hù)3d時抗壓強(qiáng)度與普通混凝土極為接近，7d齡期時比普通混凝土抗壓強(qiáng)度平均增大5%，14d和28d齡期平均增大10%～15%，且增長幅度較為穩(wěn)定。趙劍等[10]對摻有15%、25%、35%粉煤灰的混凝土進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗，試驗結(jié)果表明，不同粉煤灰摻量的混凝土在7d前抗壓強(qiáng)度增長速率較快，7d后增長較平緩；同一齡期下，當(dāng)粉煤灰摻量為25%時，混凝土抗壓強(qiáng)度最大，粉煤灰摻量為35%時，混凝土抗壓強(qiáng)度最小，說明適量的粉煤灰有利于混凝土抗壓強(qiáng)度的發(fā)展。楊超越[11]針對C60高強(qiáng)混凝土，通過試驗研究了摻入50%礦粉對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，研究表明，摻入50%礦粉的高強(qiáng)混凝土，7d前抗壓強(qiáng)度小于基準(zhǔn)混凝土（未摻礦粉），7d～28d抗壓強(qiáng)度大于基準(zhǔn)混凝土，且增長速率明顯大于基準(zhǔn)混凝土抗壓強(qiáng)度的增長速率。

2 早齡期混凝土抗拉強(qiáng)度研究

在早齡期階段，混凝土抗拉強(qiáng)度相對于抗壓強(qiáng)度而言非常小，但是抗拉強(qiáng)度的增長速度要比抗壓強(qiáng)度快[12]。早齡期混凝土抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度不僅發(fā)展規(guī)律相似，其影響抗拉強(qiáng)度發(fā)展的因素也大致相同，包括混凝土強(qiáng)度等級、膠凝材料種類、養(yǎng)護(hù)條件等[13]。

從國內(nèi)外研究中得知，早齡期混凝土抗拉強(qiáng)度一般采用劈裂法和軸心拉伸法檢測，但劈裂抗拉強(qiáng)度和軸心抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系還沒有確切的定論。李曉芬[4]分別用軸心法和劈裂法對早齡期混凝土進(jìn)行抗拉強(qiáng)度試驗，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3d、7d、14d、28d的混凝土，其劈裂抗拉強(qiáng)度和軸心抗拉強(qiáng)度均隨齡期的增長而逐漸增大，且7d前增長速率較快，后期較為平緩；劈裂抗拉強(qiáng)度與軸心抗拉強(qiáng)度之比隨齡期增長而增大，當(dāng)齡期為3d、7d時，二者之比小于1，齡期為14d、28d時，二者之比大于1；此外，李曉芬提出，對于普通混凝土結(jié)構(gòu)而言，用劈裂抗拉強(qiáng)度代替軸心抗拉強(qiáng)度是可行的，可以滿足工程需要，但是對于早齡期混凝土，由于早期抗拉強(qiáng)度較低，用劈裂抗拉強(qiáng)度代替軸心抗拉強(qiáng)度是不安全的。

在鋼筋混凝土工程中，早齡期混凝土抗拉強(qiáng)度大多數(shù)是采用劈裂法，主要是由于軸心受拉試驗難度較大[4]。徐仲卿[14]以C40混凝土為研究對象，測其12h、13h、7d、14d、28d的劈裂抗拉強(qiáng)度，研究表明，7d前劈拉強(qiáng)度較7d后增長速率快，且表現(xiàn)為非線性增長。劉東京[15]通過研究混凝土在早齡期劈裂抗拉強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律，發(fā)現(xiàn)早齡期混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的發(fā)展規(guī)律與抗壓強(qiáng)度類似，7d前增長速度較快，7d～28d增長較為平緩?；炷恋妮S心抗拉強(qiáng)度試驗中，由于不能完全保證拉力全部作用在混凝土的幾何中心處，可能會出現(xiàn)偏心受力，從而測得的抗拉強(qiáng)度誤差增大。陳萌等[16]在軸心法測抗拉強(qiáng)度的試驗中采用預(yù)埋拉桿式，即在試塊兩端各設(shè)一根鋼筋作為拉桿，使拉力通過預(yù)埋鋼筋傳遞到混凝土試件中，研究表明，14d前軸心抗拉強(qiáng)度增長速度非?？?，在3d齡期時的軸心抗拉強(qiáng)度基本上可達(dá)到其28d強(qiáng)度的70%左右，14d齡期時的軸心抗拉強(qiáng)度基本上可達(dá)到其28d強(qiáng)度的80%～90%左右，隨后，軸心抗拉強(qiáng)度發(fā)展速度變緩并逐漸趨于穩(wěn)定。

3 早齡期混凝土彈性模量研究

混凝土彈性模量作為混凝土材料性能計算的重要參數(shù)，眾多學(xué)者采用不同的試驗原理與試驗方法，分別對早齡期混凝土靜彈性模量和動彈性模量進(jìn)行了研究，并得到相應(yīng)的研究成果。

在早齡期混凝土靜彈性模量的試驗研究中，一般運(yùn)用力學(xué)原理，在混凝土彈性范圍內(nèi)進(jìn)行加壓，使其發(fā)生彈性變形，然后利用應(yīng)力-應(yīng)變曲線來確定靜彈性模量值。劉昊[17]根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的試驗方法，研究不同水膠比的混凝土在2d～7d的靜彈性模量變化規(guī)律，研究表明，不同水膠比的早齡期混凝土，其靜彈性模量隨齡期的增長而增大。徐仲卿[14]對早齡期混凝土施加荷載，荷載由試驗機(jī)上的荷載傳感器測得，根據(jù)試件受壓面積折算為應(yīng)力，試件表面貼應(yīng)變片測得應(yīng)變的變化，通過應(yīng)力-應(yīng)變曲線得到相應(yīng)齡期的靜彈性模量。研究表明，28d前混凝土靜彈性模量處于增長狀態(tài)，7d前靜彈性模量增長速率最快，7d時靜彈性模量可達(dá)到28d的80%左右。

混凝土的動彈性模量一般運(yùn)用振動原理或超聲波脈沖原理測定混凝土材料發(fā)生的微小應(yīng)力-應(yīng)變過程，從而得到混凝土的動彈性模量。振動法是測量動彈性模量的方法之一，但是振動法要求試件具有一定的長、寬、高比例，且呈桿狀，在試驗中具有一定的局限性，而超聲波無損檢測法通常受構(gòu)件尺寸以及試驗環(huán)境的影響較小，適用范圍較廣[18]。Mesbah等[19]運(yùn)用超聲波檢測技術(shù)研究早齡期高性能混凝土動彈性模量的發(fā)展規(guī)律，并通過數(shù)值模擬得到了動彈性模量和靜彈性模量之間的關(guān)系，即錯誤！未找到引用源。，但推斷的公式具有一定的局限性，并不適用于所有混凝土。張玉敏等[20]研究了不同強(qiáng)度等級（C15、C30、C40）混凝土在齡期為7d、14d、21d、28d的超聲波速和動彈性模量，并將超聲波速和動彈性模量進(jìn)行一次擬合和二次擬合，研究表明，隨著齡期的增長，超聲波速和動彈性模量逐漸增大，14d前增長較快，且二次函數(shù)曲線更接近實測曲線。劉宏偉[18]分別采用無損檢測法和液壓式壓力機(jī)加壓法研究混凝土28d前靜彈性模量和動彈性彈性模量的變化規(guī)律，并將靜彈性模量和動彈性模量進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明，隨齡期的增長，靜彈性模量和動彈性模量逐漸增大，特別是3d前增長速率較快，后期增長速率較緩慢；兩種彈性模量在28d前的差異比較大，動彈性模量明顯高于靜彈性模量，且齡期越早，差異越大。

4 結(jié)語

目前關(guān)于早齡期混凝土在抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量三個方面，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究工作，并取得了一定的研究成果。一般情況下，混凝土在早齡期階段，其力學(xué)性能指標(biāo)快速增長，隨后趨于平緩。但在具體試驗中，比如軸心法檢測早齡期混凝土抗拉強(qiáng)度時很難保證拉力完全作用于試件的幾何中心處，導(dǎo)致誤差增大，振動法檢測早齡期混凝土動彈性模量時由于試件尺寸的不同而具有一定局限性，還需要人們在今后的研究中對試驗方法進(jìn)行完善與改進(jìn)；此外文中綜述的早齡期混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度和軸心抗拉強(qiáng)度的關(guān)系還沒有統(tǒng)一定論，仍有待于進(jìn)一步解決。

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劉玲玉，女，華北理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，土木工程專業(yè)，在讀碩士。

黑智濤，男，華北理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，土木工程專業(yè)，在讀碩士。