戈壁地區(qū)不同養(yǎng)護方式下混凝土橋墩回彈強度與試塊強度試驗研究

(1.甘肅省交通運輸廳，蘭州 730050；2.蘭州交通大學 土木工程學院，蘭州 730070)

1 研究背景

20世紀以來，隨著我國基礎交通事業(yè)的不斷發(fā)展，西北地區(qū)的交通建設達到了高峰期，鋼筋混凝土結構因其獨特的優(yōu)點在建設當中被大量使用。西北地區(qū)大多伴有大溫差、干寒、強風的戈壁氣候特點，在此地區(qū)施工的混凝土結構養(yǎng)護難度大，早期強度難以上升，嚴重破壞了混凝土構件的耐久性。在橋梁交通工程中，混凝土強度現(xiàn)場檢測以回彈法為主，多年實踐經驗表明，標準養(yǎng)護試塊抗壓強度、同條件養(yǎng)護試塊抗壓強度都達到設計要求，而回彈強度卻偏小，這是由于回彈強度換算沒有地區(qū)和專用測強曲線，一般都依據(jù)統(tǒng)一測強曲線進行換算，換算后的回彈強度偏低，因此回彈法檢測出的混凝土構件強度存在一定的誤差。這種誤差將導致施工單位在施工過程對混凝土強度的判斷出現(xiàn)誤差，而不同養(yǎng)護方式下混凝土回彈強度與混凝土試塊強度也沒有經驗可循，這將有可能使結構的安全性存在潛在的危險。

熊靜[1]、魏連雨等[2]對回彈法評定混凝土抗壓強度的主要影響因素及測強曲線變化進行了詳細的研究分析， 主要影響因素有：材料方面，包括水泥品種、骨料和外加劑等；施工技術方面，包括成型方法、養(yǎng)護方式、碳化深度等；試驗操作方面，包括測試方法、回彈方向、測試面、測試人員和儀器等。李志祥[3]、高航[4]分別對包頭及合肥2個地區(qū)的測強曲線進行了研究和驗證；王磊等[5]、王有宗[6]對回彈法和鉆芯法檢測劣化橋梁混凝土強度相關性進行了研究，鋼筋銹后和長期服役混凝土回彈測強與鉆芯取樣測強存在正相關性，回彈測強稍小于鉆芯取樣獲得的實際混凝土強度；章征等[7]對混凝土橋墩施工期水化熱及表面抗裂影響因素進行了詳細的研究；孫高飛[8]對混凝土回彈強度差異的原因分析與控制要點進行了詳細研究；張戎令等[9]、李舟等[10]、周立霞[11]對特殊環(huán)境下養(yǎng)護方式對混凝土強度發(fā)展的影響進行了分析；舒志堅[12]詳細分析了早期養(yǎng)護對混凝土早期強度的影響規(guī)律。而對大溫差、干寒、強風戈壁地區(qū)不同養(yǎng)護方下混凝土橋墩回彈強度及試塊強度的發(fā)展規(guī)律及差異性研究較少。因此，本文對不同養(yǎng)護方式下C35混凝土橋墩及同條件養(yǎng)護試塊、標準養(yǎng)護試塊抗壓強度隨齡期增長的發(fā)展規(guī)律進行了測試和研究，提出它們的歷時變化曲線表達式，為正確指導檢測混凝土構件強度提供參考。

2 試 驗

2.1 工程背景

白明高速主線起點為內蒙與甘肅交界的白疙瘩，終點為甘肅與新疆交界的明水附近。BM01合同段起訖樁號：K1808+000—K1822+000，全長13.92 km，共設置大、中橋3座，涵洞14道，通道10處。設計采用高性能混凝土，設計年限100 a，標段內風速≥7 m/s，常年有強風，晝夜溫差大，濕度常年低于30%。

2.2 原材料及配比分析

橋墩混凝土強度等級為C35，混凝土水灰比為0.40，水泥為P.Ⅱ 42.5，滿足體積安定性要求，水泥實測性能指標見表1[13-14]；粗骨料最大粒徑為31.5 mm，性能指標見表2；砂率為38%，細度模數(shù)為0.28，細骨料性能指標見表3；水質分析的各項指標均滿足混凝土用水標準，具體指標見表4。配合比為水∶水泥∶細骨料∶粗骨料=0.40∶1∶1.73∶2.39，實測混凝土強度為44.43 MPa，坍落度120 mm[15-16]。

2.3 試驗方案

(1)本文選擇了3種養(yǎng)護方式——大氣養(yǎng)護(YS)(拆模后進行灑水養(yǎng)護1 d，然后放置于戈壁地區(qū)不養(yǎng)護)、土工布包裹養(yǎng)護(YT)、橡塑板包裹養(yǎng)護(YX)對橋墩進行養(yǎng)護，YS,YT,YX 3種養(yǎng)護方式保濕保溫效果逐漸增強。

(2)對不同養(yǎng)護方式下的混凝土橋墩在不同齡期(3，5，7，14，28，56 d)時進行強度回彈，每次回彈6組。對以上幾個齡期的同條件試塊和標準養(yǎng)護(BY)的試塊進行強度測試，同時測試齡期28 d時的劈裂抗拉強度，記錄強度變化規(guī)律。對不同養(yǎng)護方式下混凝土的強度變化規(guī)律進行公式擬合和驗證。

(3)2016年4月，每種養(yǎng)護方式下每個齡期養(yǎng)護6塊同條件試塊，共制作156塊試塊。制作試驗橋墩(柱式墩：高1.6 m，直徑1.4 m)3個。

(4)2016年6—8月對其他標段實體橋墩進行了各種養(yǎng)護方式下回彈強度及試塊強度的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，此數(shù)據(jù)用于后期擬合公式驗證。

2.4 試驗方法

(1)強度測試方法：參與試驗的各組混凝土試驗橋墩都是根據(jù)表2—表4的原材料一次性制作而成。根據(jù)《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2002)測試混凝土橋墩強度?；貜棌姸炔捎谩痘貜椃z測混凝土抗壓強度技術規(guī)程》(JGJ/T 23—2011)統(tǒng)一測強曲線。

(2)所有試塊及試驗橋墩均養(yǎng)護14 d，養(yǎng)護結束后將所有試塊及橋墩置于大溫差、干寒戈壁環(huán)境中，而標準養(yǎng)護下的試塊養(yǎng)護28 d。

(3)戈壁環(huán)境相關參數(shù)：大溫差、干寒、強風氣候環(huán)境，平均溫度8 ℃，最低氣溫1 ℃，濕度<30%，平均風速>6 m/s。

表1 水泥性能指標Table 1 Cement performance indicators

表2 粗骨料性能指標Table 2 Coarse aggregate performance indicators

表3 細骨料性能指標Table 3 Fine aggregate performance indicators

表4 水的性能指標Table 4 Water performance indicators

3 試驗結果及分析

3.1 試驗結果

3.1.1 混凝土抗壓強度

分析表5可知，BY與YS，YT，YX養(yǎng)護下的強度有較大的差異，而不同養(yǎng)護方式下回彈強度與試塊強度存在較大的差異。以標準差及變異系數(shù)為參考可知，不同養(yǎng)護方式下混凝土強度收斂于齡期60 d左右。

表5 不同養(yǎng)護方式下混凝土各齡期抗壓強度Table 5 Compressive strength of concrete at different ages cured by different methods

3.1.2 混凝土抗拉強度

混凝土劈裂抗拉強度與軸心抗拉強度的轉化系數(shù)為0.9，因此軸心抗拉強度=劈裂抗拉強度×0.9。

根據(jù)表6可知，按照BY，YX，YT，YS的順序，混凝土在齡期28 d時軸心抗拉強度逐漸減小，最大2.78 MPa，最小2.06 MPa，這與混凝土抗壓強度的變化規(guī)律相似。以BY養(yǎng)護下的抗拉強度為基準，YX，YT，YS分別是它的91.3%，86.70%，74.10%。

表6混凝土28d齡期時的抗拉強度

Table6Tensilestrengthofconcreteat28dage

養(yǎng)護方式劈裂抗拉強度/MPa軸心抗拉強度/MPaBY3.092.78YX2.832.54YT2.682.41YS2.302.06

3.2 結果分析

3.2.1 抗壓強度分析

分析圖1可知，按照BY,YX,YT,YS的順序，混凝土不同齡期的抗壓強度逐漸減小，呈現(xiàn)出階梯型變化?；炷笼g期3 d時，BY，YX，YT，YS的強度分別為32.15，28.98，27.72，24.55 MPa，從此數(shù)據(jù)可知混凝土在養(yǎng)護3 d時，齡期3 d時強度可達到標準養(yǎng)護28 d齡期時強度的70.14%，說明早期養(yǎng)護對于混凝土尤為重要，同時不同養(yǎng)護方式的優(yōu)劣性在混凝土早期就可體現(xiàn)出來?；炷?8 d齡期時，BY，YX，YT，YS的強度分別為44.77，40.25，37.46，34.87 MPa，以BY養(yǎng)護下強度為基準，YX，YT，YS分別是它的89.90%，83.67%，77.89%。產生此現(xiàn)象的原因是，按照BY，YX，YT，YS的順序，養(yǎng)護方式的保溫保濕效果逐漸變差，導致早期混凝土水化程度不同，而且在養(yǎng)護結束后混凝土置放于大溫差、干寒戈壁環(huán)境下會導致混凝土水化反應受到阻礙或者發(fā)生凍脹破壞。由于YS養(yǎng)護無任何保溫保濕措施，因此受到大溫差、干寒環(huán)境的影響更為嚴重，導致其在28 d齡期時強度小于標準強度。

圖1混凝土抗壓強度變化規(guī)律
Fig.1Curvesofconcrete’scompressivestrength

根據(jù)圖2可知，YX，YT，YS養(yǎng)護下強度之間沒有明顯梯度變化，兩者之間的差值處于3～9 MPa之間。但是，試塊強度與回彈強度的差值隨著齡期的增加不斷減小，這就說明混凝土的強度越高，回彈的誤差就越小，回彈值就越接近試塊強度。從圖2可知，除去齡期5 d及7 d時YS與YT這2個值的變化，可以發(fā)現(xiàn)養(yǎng)護方式越好，回彈強度與試塊強度之間的差值就越小，這就說明回彈強度與養(yǎng)護方式優(yōu)劣呈現(xiàn)正相關?；炷笼g期3 d時，YX，YT，YS養(yǎng)護下試塊強度與回彈強度的差值分別為8.86，8.47，6.77 MPa。而齡期28 d時分別為5.29，4.63，3.82 MPa，分別比齡期3 d時減小了40.29%，45.55%，43.57%。

圖2混凝土試塊強度與回彈強度的差值
Fig.2Differencebetweenconcreteblockstrengthandreboundstrength

3.2.2 抗拉強度分析

混凝土的拉壓比是混凝土抗裂性重要指標之一，拉壓比越高，混凝土抗裂性越好。根據(jù)圖3可知，按照BY，YX，YT，YS的順序，混凝土的拉壓比逐漸減小，說明按照上述順序混凝土的抗裂性逐漸減弱。以BY養(yǎng)護下的拉壓比為基準，YX，YT，YS分別是它的100.00%，98.43%，92.19%。這是因為按照BY，YX，YT，YS的順序，養(yǎng)護方式的保溫保濕效果逐漸減弱，從而導致混凝土早期受到外界環(huán)境的影響增大，早期可能出現(xiàn)各類收縮裂縫，甚至受到大溫差的影響，使得混凝土發(fā)生凍脹破壞。

圖3混凝土抗拉強度及拉壓比
Fig.3Ratiooftensilestrengthtocompressivestrengthofconcrete

根據(jù)圖1及圖3可知，YT養(yǎng)護下的混凝土強度及拉壓比明顯高于YS，這是因為2種養(yǎng)護方式之間的保溫性能存在差異性，使得混凝土在早期受到大溫差的影響有所不同，導致其水化反應速度不同，因此強度存在差異。說明在大溫差、干寒戈壁地區(qū)混凝土的保溫養(yǎng)護對于保證其各項性能良好是非常重要的。

3.3 公式擬合

根據(jù)表5的數(shù)據(jù)，對不同養(yǎng)護方式下混凝土在不同齡期時的強度進行了曲線擬合，擬合模型選擇對數(shù)變化形式，基本的數(shù)學模型為

y=c+dln(lnx)

。

(1)

對式(1)進行化簡，得

y=a(ln(blnx))

。

(2)

式中：y為某個齡期下的混凝土強度(MPa)；x為混凝土齡期(d)；a，b，c，d為常數(shù)。

根據(jù)式(2)進行擬合，具體擬合的曲線及公式分別見圖4和表7。

圖4混凝土試塊強度、回彈強度擬合曲線
Fig.4Fittedcurvesofblockstrengthandreboundstrengthofconcrete

根據(jù)表7可知，所有擬合公式相似度R2>0.950，因此所有強度擬合曲線均滿足要求。

3.4 混凝土橋墩強度應用及誤差分析

后期的強度數(shù)據(jù)是在其他施工標段搜集得到的，只搜集到齡期7 d及齡期28 d時不同養(yǎng)護方式下橋墩的回彈強度及試塊強度，因此只選用了這2個齡期的強度進行了誤差分析，具體數(shù)據(jù)見表8。

根據(jù)表8可知：BY養(yǎng)護下計算值與實際值的誤差較其他養(yǎng)護要小，這是因為BY養(yǎng)護保濕保溫效果相對穩(wěn)定，因此混凝土強度的誤差較小；最大相對誤差為7.65%，最小相對誤差為0.81%，說明曲線擬合的計算值與實測值的誤差較小，因此可以使用擬合的曲線進行混凝土強度的預測和分析。

表7 不同養(yǎng)護方式下混凝土強度公式的相關參數(shù)(C35)Table 7 Parameters of C35 concrete strength formula under different curing methods

表8 試塊強度、回彈強度的實際值與計算值的誤差Table 8 Errors between actual values and calculated values

4 結 論

(1)大溫差、干寒、強風的戈壁地區(qū)不同養(yǎng)護方式下混凝土橋墩回彈強度與試塊強度的差值隨著齡期的增加不斷減小，說明混凝土的強度越高回彈的誤差就越小，回彈值就越接近試塊強度。同時，養(yǎng)護方式越好，試塊強度與回彈強度的差值就越小，兩者的差值處于3～9 MPa之間。

(2)本文得出了大溫差、干寒、強風的戈壁地區(qū)自然養(yǎng)護、土工布養(yǎng)護、橡塑板養(yǎng)護、標準養(yǎng)護下混凝土試塊及橋墩回彈強度變化的擬合曲線。經分析和驗證，擬合曲線誤差較小，可以用來預測混凝土強度的發(fā)展規(guī)律。同時，給出了不同養(yǎng)護方式下混凝土在齡期28 d時抗拉強度與抗壓強度之間的轉換系數(shù)，因此可利用公式計算的抗壓強度來推算其抗拉強度。

(3)大溫差、干寒、強風戈壁地區(qū)，按照自然養(yǎng)護、土工布養(yǎng)護、橡塑板養(yǎng)護、標準養(yǎng)護的順序混凝土抗壓強度逐漸增大，土工布養(yǎng)護、橡塑板養(yǎng)護、標準養(yǎng)護下28 d齡期時強度達到40 MPa，而自然養(yǎng)護小于標準強度35 MPa。

(4)大溫差、干寒、強風戈壁地區(qū)，按照自然養(yǎng)護、土工布養(yǎng)護、橡塑板養(yǎng)護順序混凝土，28 d齡期時抗拉強度逐漸增大，拉壓比也逐漸增大，說明按照此順序混凝土的抗裂性逐漸增強。

(編輯：羅 娟)