水工混凝土抗壓強(qiáng)度受溫度及材料組成的影響研究

李亞楠

(朝陽(yáng)縣水務(wù)局，遼寧 朝陽(yáng) 122000)

依據(jù)材料學(xué)定義的強(qiáng)度和混凝土強(qiáng)度，強(qiáng)度是混凝土力學(xué)性能中具有代表性且比較容易測(cè)定的指標(biāo)，與其他指標(biāo)的相關(guān)性較好[1-2]。因此，強(qiáng)度為工程建設(shè)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)普遍使用的控制指標(biāo)[3]。目前，混凝土強(qiáng)度受不同溫濕度養(yǎng)護(hù)過(guò)程及不同材料組成的研究成果較多，如程智清等探討了粉煤灰混凝土低溫養(yǎng)護(hù)條件下的早期強(qiáng)度，提出早期強(qiáng)度受低溫不利影響顯著，必須采取有效的養(yǎng)護(hù)措施；A.A Ramezanianpour等探討了四種不同養(yǎng)護(hù)條件下?lián)郊庸杌摇⒎勖夯?、礦渣及普通硅酸鹽混凝土的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果顯示摻合料摻入后，為保證必要的指標(biāo)性能需要更長(zhǎng)的濕養(yǎng)時(shí)間[4-5]。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有研究成果大多側(cè)重于濕度的變化，而設(shè)定養(yǎng)護(hù)條件時(shí)大多保持溫度不變，該養(yǎng)護(hù)條件與實(shí)際工程相差較大，并且溫度也是水泥水化不可忽視的重要因素[6-10]。鑒于此，文章深入探討了水工混凝土強(qiáng)度受溫度條件、粉煤灰摻量和水膠比的影響規(guī)律，旨在為評(píng)價(jià)工程施工養(yǎng)護(hù)措施、混凝土材料組成等工程實(shí)際提供一定指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 原材料準(zhǔn)備

試驗(yàn)采用普通硅酸鹽P·O 42.5級(jí)水泥，砂為人工砂與天然砂混合砂，砂樣篩余百分率(10mm篩)1.8%，細(xì)度模數(shù)3.2，干砂表觀密度2520kg/m3；選用人工碎石，其干表觀密度2640kg/m3，粒徑5-20mm，砂石料來(lái)源于天然料場(chǎng)；粉煤灰為Ⅱ級(jí)，燒失量5.86%，其他性能指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求；外加劑選用高效緩凝型減水劑，經(jīng)檢測(cè)固含量1.156g/mL。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

以粉煤灰和水泥作為膠凝材料，外加劑摻量2.4%，水膠比設(shè)計(jì)0.40、0.45、0.50三種，試驗(yàn)配合比見(jiàn)表1。試驗(yàn)過(guò)程中，依次將稱量好的粗細(xì)骨料、礦物摻合料、水泥等原料投入攪拌機(jī)，先干拌180s至混合均勻，再加入減水劑和水?dāng)嚢?80s后倒出，將拌合物裝入抗壓強(qiáng)度試模，試模尺寸150mm×150mm×150mm。拌合物裝填前，先用脫模劑涂刷試模內(nèi)壁以保證后期順利脫模，然后用振搗棒振搗混凝土密實(shí)，將表面利用抹子抹平，室溫靜置24h后拆模、編號(hào)，并結(jié)合實(shí)際情況送標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護(hù)至設(shè)計(jì)齡期。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下相對(duì)濕度≥95%，控制溫度為20℃±2℃，利用人工模擬氣候試驗(yàn)室設(shè)置其余養(yǎng)護(hù)條件。

表1 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì) kg/m3

A、B、C、D代表四類不同養(yǎng)護(hù)條件，其中Ⅰ類代表標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d；Ⅱ類代表第1d起養(yǎng)護(hù)溫度30℃、相對(duì)濕度100%、持續(xù)時(shí)間48h，其余時(shí)段標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)；Ⅲ類代表第3d起養(yǎng)護(hù)溫度30℃、相對(duì)濕度100%、持續(xù)時(shí)間48h，其余時(shí)段標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)；Ⅳ代表第5d起養(yǎng)護(hù)溫度30℃、相對(duì)濕度100%、持續(xù)時(shí)間48h，其余時(shí)段標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。數(shù)字0、1、2、3分別代表100%水泥、10%粉煤灰+90%水泥、20%粉煤灰+80%水泥、30%粉煤灰+70%水泥。

1.3 強(qiáng)度檢測(cè)

根據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》測(cè)定規(guī)定齡期下各試件的抗壓強(qiáng)度，為了保證測(cè)試精準(zhǔn)度每組試件有3個(gè)，取平均值作為最終檢測(cè)結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 水膠比對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試驗(yàn)編號(hào)為A-0-0.40、A-0-0.45、A-0-0.50三組試件至28d齡期，測(cè)試其抗壓強(qiáng)度依次為41.6MPa、35.0MPa、32.8MPa，水膠比越大則抗壓強(qiáng)度越低，如圖1所示。

圖1 水膠比與抗壓強(qiáng)度關(guān)系

經(jīng)擬合計(jì)算，可以用Abrams’準(zhǔn)則反映水膠比與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系：

fc=k1/k2w/c

(1)

式中：fc為抗壓強(qiáng)度；k1、k2為擬合參數(shù)；w/c為水膠比。結(jié)果顯示，k1、k2值分別為135.340、13.116。圖1中Abrams’s準(zhǔn)則的擬合相關(guān)系數(shù)R2為0.98，擬合曲線具有較好的適用性，該曲線能夠反映水膠比對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響[11-14]。

2.2 粉煤灰摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試驗(yàn)編號(hào)為A-0-0.45、A-1-0.45、A-2-0.45、A-3-0.45四組試件至28d齡期，以探討不同粉煤灰摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響。結(jié)果顯示，采用粉煤灰等量替換0%、10%、20%、30%的水泥，各試件28d標(biāo)準(zhǔn)齡期抗壓強(qiáng)度依次為35.2MPa、34.7MPa、32.0MPa、31.5MPa，如圖2所示。研究發(fā)現(xiàn)，將粉煤灰摻入混凝土中會(huì)降低抗壓強(qiáng)度，并且摻量越高強(qiáng)度下降幅度越明顯。

圖2 粉煤灰摻量與抗壓強(qiáng)度關(guān)系

2.3 溫度對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

本試驗(yàn)探討了水工混凝土抗壓強(qiáng)度受不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)上的溫度變化影響，設(shè)置試驗(yàn)齡期為7d、21d、28d、56d、90d。從1d、3d、5d起保持高溫48h后繼續(xù)標(biāo)準(zhǔn)溫度養(yǎng)護(hù)至不同齡期的B-0-0.45、C-0-0.45、D-0-0.45試件，其7d抗壓強(qiáng)度依次為27.8MPa、23.1MPa、26.0MPa，21d抗壓強(qiáng)度依次為35.1MPa、32.5MPa、35.4MPa，28d抗壓強(qiáng)度依次為41.2MPa、33.0MPa、36.5MPa，56d抗壓強(qiáng)度依次為42.3MPa、37.6MPa、38.2MPa，90d抗壓強(qiáng)度依次為40.3MPa、36.8MPa、36.2MPa，如圖3所示。

圖3 養(yǎng)護(hù)溫度與抗壓強(qiáng)度關(guān)系

以各齡期C-0-0.45試件抗壓強(qiáng)度為基準(zhǔn)，則B-0-0.45、C-0-0.45、D-0-0.45試件7d強(qiáng)度差異為20.35%、0、12.55%，21d強(qiáng)度差異為8.00%、0、8.92%，28d強(qiáng)度差異為24.85%、0、10.61%，56d強(qiáng)度差異為12.50%、0、1.60%，90d強(qiáng)度差異為9.51%、0、-1.63%。研究表明，隨齡期的延長(zhǎng)溫度對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響逐漸減弱；與其他試件相比B-0-0.45試件的強(qiáng)度差異比較明顯，而C-0-0.45、D-0-0.45試件的各齡期強(qiáng)度差異較小。具體而言，前3d內(nèi)溫度增加混凝土強(qiáng)度的效果更加明顯，3d后溫度的增強(qiáng)作用減弱，該研究結(jié)論與前3d內(nèi)水泥水化最劇烈的觀點(diǎn)保持一致。

2.4 討論分析

通過(guò)對(duì)比水工混凝土抗壓強(qiáng)度受以上各因素的影響程度可知，抗壓強(qiáng)度受水膠比的影響最為顯著，將粉煤灰摻入混凝土中會(huì)降低強(qiáng)度，但有利于改善混凝土密實(shí)度和耐久性；強(qiáng)度增長(zhǎng)速度隨溫度的升高而增大，但溫度對(duì)強(qiáng)度的影響隨齡期的延長(zhǎng)逐漸減弱[15-17]。水膠比是決定抗壓強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，配合比設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合具體情況合理選擇；對(duì)于有耐久性要求的混凝土可以摻入粉煤灰、礦粉等摻合料，但摻量不宜過(guò)高；針對(duì)早期強(qiáng)度要求較高的混凝土可適當(dāng)提升養(yǎng)護(hù)溫度，并且長(zhǎng)期強(qiáng)度受溫度條件的影響較低。

3 結(jié) 論

本試驗(yàn)研究了標(biāo)準(zhǔn)混凝土試樣抗壓強(qiáng)度受不同溫度養(yǎng)護(hù)條件、不同粉煤灰摻量、不同水膠比的影響及其變化變化規(guī)律，主要結(jié)論如下：

1)水膠比是決定抗壓強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，Abrams’s準(zhǔn)則的擬合系數(shù)R2為0.98，擬合曲線具有較好的適用性，即可以利用Abrams’準(zhǔn)則反映水膠比與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系；將粉煤灰摻入混凝土中會(huì)降低抗壓強(qiáng)度，并且摻量越高強(qiáng)度下降幅度越明顯，但有利于改善混凝土密實(shí)度和耐久性。

2)隨齡期的延長(zhǎng)溫度對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響逐漸減弱，前3d內(nèi)溫度增加混凝土強(qiáng)度的效果更加明顯，3d后溫度的增強(qiáng)作用減弱，該研究結(jié)論與初期水泥水化最劇烈的觀點(diǎn)保持一致。因此，針對(duì)早期強(qiáng)度要求較高的混凝土可適當(dāng)提升養(yǎng)護(hù)溫度，并且長(zhǎng)期強(qiáng)度受溫度條件的影響較低。