王甲春，閻培渝

(1.廈門(mén)理工學(xué)院土木工程系，福建 廈門(mén) 361024;2.清華大學(xué)土木工程系，北京 100084)

粉煤灰作為混凝土重要的礦物摻合料，具有形態(tài)效應(yīng)、微集料效應(yīng)和火山灰效應(yīng),且改善混凝土的工作性和耐久性，在混凝土中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1]。近年來(lái)，配制混凝土的硅酸鹽系列水泥的粉磨細(xì)度大，水化放熱在早期集中，導(dǎo)致早期混凝土的水化放熱溫峰增高, 溫升速度加快，加劇了混凝土的溫度應(yīng)力開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，粉煤灰早期水化活性較低,水化熱很小, 可以有效地降低混凝土的溫峰和溫升速率, 能夠有效減少混凝土的溫度應(yīng)力，粉煤灰混凝土早齡期的力學(xué)性能直接影響其在工程中的應(yīng)用，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下粉煤灰混凝土的早齡期抗壓強(qiáng)度發(fā)展較緩慢，后期抗壓強(qiáng)度增加較大[2-6]，粉煤灰混凝土的模板拆模和養(yǎng)護(hù)都受到十分嚴(yán)格的限制，避免施工事故，在GBJ146-90《粉煤灰混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》中限制了粉煤灰的最高摻量，但結(jié)構(gòu)中粉煤灰混凝土所處的溫度環(huán)境與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件不同，宮經(jīng)偉等[7]研究了溫度歷程不同時(shí)混凝土自收縮的發(fā)展，文獻(xiàn)[8]研究粉煤灰混凝土的彈性模量發(fā)展規(guī)律，金賢玉和丁建彤等[9-10]研究了溫度歷程對(duì)粉煤灰混凝土早齡期抗開(kāi)裂能力的影響。陳文瑜等[11]研究認(rèn)為混凝土入模溫度對(duì)溫度應(yīng)力的影響很大。粉煤灰能夠明顯著降低混凝土的早期水化放熱，明顯降低混凝土的入模溫度，有利于降低溫度應(yīng)力。本文研究在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)制度和模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)中混凝土溫度變化的變溫養(yǎng)護(hù)條件下粉煤灰混凝土早齡期時(shí)抗壓強(qiáng)度發(fā)展，引入等效齡期的理論，建立粉煤灰混凝土早齡期的抗壓強(qiáng)度計(jì)算模型，并在實(shí)際工程中進(jìn)行檢驗(yàn)，有利于粉煤灰混凝土的工程應(yīng)用。

1 理論基礎(chǔ)

20世紀(jì)40～50年代，英國(guó)Nurse和Saul在研究加速養(yǎng)護(hù)方法的時(shí)候，需要一種方法確定不同養(yǎng)護(hù)溫度下齡期和溫度對(duì)于混凝土強(qiáng)度發(fā)展的共同作用，提出了被稱為“Nurse-Saul” 成熟度方程[12]：

(1)

式中：M為成熟度，℃·h；T為Δt內(nèi)的平均溫度，℃；T0為強(qiáng)度增長(zhǎng)停止的溫度(通常取-10 ℃)。

Plowman[13]提出強(qiáng)度與成熟度的計(jì)算式

S=a+blg(M)

(2)

式中：S為混凝土抗壓強(qiáng)度；a、b為常數(shù)。

式(1)和(2)奠定了混凝土抗壓強(qiáng)度計(jì)算的基礎(chǔ)，隨著混凝土技術(shù)的發(fā)展，Nurse-Saul成熟度方程不適合目前的現(xiàn)實(shí)工程情況，Hansen和Pedersen[14]提出了基于Arrhenius方程的等效齡期公式，如式(3)所示。

(3)

式中：te為等效齡期；T為溫度，℃；Tr為參考溫度，一般取20 ℃；E為混凝土表觀活化能，J/mol；R為理想氣體常數(shù)，8.314 J/(mol·K)，E/R取2 700 K；Δt為時(shí)間間隔，h。

等效齡期將混凝土實(shí)際齡期轉(zhuǎn)換成等效齡期，認(rèn)為其抗壓強(qiáng)度與混凝土在參考溫度下，經(jīng)歷等效齡期的時(shí)間所獲得的抗壓強(qiáng)度是相等的，等效齡期的計(jì)算是基于化學(xué)反應(yīng)活化能，適用混凝土早齡期的抗壓強(qiáng)度計(jì)算。為了分析等效齡期與混凝土早齡期抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，混凝土抗壓強(qiáng)度隨時(shí)間的變化率函數(shù)可以描述為：

(4)

強(qiáng)度函數(shù)[15]

(5)

溫度函數(shù)

f(T)=K(T)

(6)

對(duì)式(4)進(jìn)行積分

當(dāng)溫度恒定為T(mén)r時(shí)，根據(jù)Arrhenius公式有

得到混凝土早齡期抗壓強(qiáng)度計(jì)算模型

(7)

式中：S為在參考溫度養(yǎng)護(hù)條件下混凝土的早齡期抗壓強(qiáng)度，MPa；Su為在參考溫度養(yǎng)護(hù)條件下混凝土早齡期理論極限強(qiáng)度，MPa;Kr為在參考溫度時(shí)的速率常數(shù)，1/h;t0r為在參考溫度時(shí)混凝土具有抗壓強(qiáng)度的齡期，h。

根據(jù)實(shí)際工程的需要，一般利用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下672 h齡期時(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度作為計(jì)算主要依據(jù)，式(7)變?yōu)?/p>

(8)

式中：β為常數(shù)。

根據(jù)式(8)可以描述粉煤灰混凝土的力學(xué)性能計(jì)算模型。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 原材料

水泥為北京興發(fā)水泥有限公司生產(chǎn)的拉法基普通硅酸鹽水泥PO42.5，粉煤灰為內(nèi)蒙元寶山一級(jí)粉煤灰，高效減水劑為天津SiKa公司生產(chǎn)的聚羧酸高效水劑Viscocrete3301，砂為河砂細(xì)度模數(shù)3.0，石子為北京門(mén)頭溝產(chǎn)石灰石，級(jí)配5-20 mm。原料化學(xué)成分如表1所示，普通硅酸鹽水泥的物理力學(xué)性能如表2所示。粉煤灰混凝土配合比按JGJ55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》設(shè)計(jì)，如表3所示。

表1 原材料的化學(xué)組成Table 1 Raw materials chemical composition %

表2 硅酸鹽水泥的物理力學(xué)性能Table 2 Physical and mechanical properties of portland cement

表3 粉煤灰混凝土配合比Table 3 Mixture of concretes kg/m3

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)所用混凝土絕熱溫升儀和變溫養(yǎng)護(hù)箱為清華大學(xué)建材研究所研制，采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集，5 min采集一次，控溫算法采用PID算法，溫度控制精度誤差小于±0.1 ℃；溫度最小分辨率0.02 ℃，德國(guó)Toni Technik公司的Toni Norm series 2000電液伺服實(shí)驗(yàn)機(jī)，試樣尺寸100 mm× 100 mm × 100 mm測(cè)試抗壓強(qiáng)度，恒溫50 ℃采用混凝土養(yǎng)護(hù)箱。混凝土的水化放熱能力一般用絕熱溫升值來(lái)衡量，在模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)中混凝土早齡期由于自身水化放熱所造成的溫度環(huán)境過(guò)程中，絕熱溫升值可以認(rèn)為是混凝土在實(shí)際結(jié)構(gòu)中的所能達(dá)到的溫度上限，早齡期混凝土水化放熱的同時(shí)身外時(shí)行散熱，是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，在實(shí)驗(yàn)研究中變溫環(huán)境的上升段采用絕熱溫升溫度曲線，當(dāng)達(dá)到絕熱溫升穩(wěn)定期以后，采用以1 ℃/h的降溫速率使溫度下到環(huán)境溫度，形成一個(gè)變化的溫度環(huán)境，如圖1所示在實(shí)驗(yàn)室中模擬粉煤灰混凝土早齡期的溫度環(huán)境，由于高效減水劑在水化早期具有緩凝作用，所以在20 h齡期之前FC30溫升高于其他兩種混凝土。

圖1 粉煤灰混凝土變溫養(yǎng)護(hù)制度Fig.1 Cuing temperature of fly ash concrete

2.3 結(jié)果分析

從圖2可以看出，168 h齡期之前正常養(yǎng)護(hù)條件下粉煤灰混凝土的抗壓強(qiáng)度明顯低于其他兩種養(yǎng)護(hù)條件下粉煤灰混凝土的抗壓強(qiáng)度。672 h齡期時(shí)，同一混凝土變溫養(yǎng)護(hù)的抗壓強(qiáng)度最高，50 ℃溫度養(yǎng)護(hù)條件下FC60混凝土抗壓強(qiáng)度低于正常養(yǎng)護(hù)條件下的抗壓強(qiáng)度。變溫養(yǎng)護(hù)條件下三種粉煤灰混凝土672 h齡期時(shí)都高于其他兩種養(yǎng)護(hù)制度下的抗壓強(qiáng)度，表明粉煤灰混凝土早期的放熱量對(duì)于粉煤灰混凝土的抗壓強(qiáng)度發(fā)展是有利的。

利用(3)式計(jì)算粉煤灰混凝土的等效齡期，以0至672 h之間的抗壓強(qiáng)度為數(shù)據(jù)組，利用 Matlab編程最小二乘法計(jì)算粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度的模型參數(shù)如表4所示，參考溫度定為20 ℃，三種混凝土Kr值一樣,t0r是混凝土的具備抗壓強(qiáng)度的起始時(shí)間,一般由混凝土的初凝時(shí)間相關(guān)，應(yīng)用貫入阻力方法測(cè)定混凝土初凝時(shí)間時(shí)，混凝土已經(jīng)具備了一定的抗壓強(qiáng)度，因此t0r值比混凝土的初凝時(shí)間值小，隨著粉煤灰混凝土強(qiáng)度等級(jí)的增加，t0r值越小。圖3描述了粉煤灰混凝土早齡期抗壓強(qiáng)度發(fā)展與等效齡期的關(guān)系，可以看出利用(7)式的計(jì)算曲線與實(shí)驗(yàn)測(cè)試值有較好的吻合，能夠滿足實(shí)際工程的計(jì)算精度。粉煤灰混凝土的標(biāo)準(zhǔn)條件下672 h齡期的抗壓強(qiáng)度與Su的關(guān)系如圖4所示，為了能夠使得粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度計(jì)算模型有更好的通用性，模型中使用S672，β=1.1。

圖2 粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期發(fā)展Fig.2 The development of compressive strength of fly ash concrete with age

項(xiàng)目SuKrt0rFC3046.60.01110.0FC4055.50.0118.0FC6080.60.0116.0

圖3 粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值Fig.3 The calculated value and the measured value of compressive strength of fly ash concrete with age

圖4 粉煤灰混凝土Su與S672的關(guān)系Fig.4 The relation betweenSuand S672of fly ash concrete with age

3 工程應(yīng)用

某工程主塔樓高330 m，地下3層，地上74層，主塔樓基礎(chǔ)采用樁筏基礎(chǔ)，底板混凝土量為22 000 m3，底板平均厚度為4.5 m，底板混凝土采用一次性連續(xù)分層澆筑，澆筑時(shí)間為60 h，混凝土的強(qiáng)度等級(jí)要求C40，內(nèi)部埋設(shè)溫度傳感器，以監(jiān)測(cè)混凝土內(nèi)部的溫度發(fā)展情況。為了控制混凝土溫度應(yīng)力，要求混凝土的澆筑入模溫度不超過(guò)32 ℃，混凝土養(yǎng)護(hù)期間內(nèi)部最高溫度不得高于85 ℃，混凝土內(nèi)任何兩點(diǎn)的溫度差值不能大25 ℃。在不增加過(guò)多的施工成本條件下，只有摻加粉煤灰來(lái)降低混凝土的早齡期的水化熱, 配合比如表5所示，實(shí)測(cè)混凝土坍落度230 mm,混凝土入模溫度22 ℃，實(shí)測(cè)底板中心混凝土和表面的溫度發(fā)展如圖6所示，7 d齡期時(shí)中心混凝土與表面混凝土的最大溫差約為20 ℃，滿足要求。利用式(8)計(jì)算出底板中心和表面粉煤灰混凝土早齡期抗壓強(qiáng)度的發(fā)展如圖7所示，表面混凝土鉆心取樣實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度值與計(jì)算值比較接近。

表5 混凝土配合比Table 5 Concrete mixture kg/m3

圖5 溫度傳感器布置Fig.5 Sensor of temperature

圖6 底板中心混凝土的溫度隨齡期的變化 Fig.6 The center of the bottom plate concrete temperature varies with age

圖7 粉煤灰混凝土計(jì)算抗壓強(qiáng)度與實(shí)測(cè)值Fig.7 Fly ash concrete compressive strength and the measured value

4 結(jié) 論

1)比較了正常養(yǎng)護(hù)和變溫養(yǎng)護(hù)條件下，不同強(qiáng)度等級(jí)的粉煤灰混凝土的抗壓強(qiáng)度發(fā)展，發(fā)現(xiàn)溫度歷程對(duì)粉煤灰混凝土早齡期的抗壓強(qiáng)度發(fā)展有明顯的影響，和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件相比，溫度升高對(duì)粉煤灰混凝土的抗壓強(qiáng)度有利。

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