摘 要:從高強混凝土的試件強度檢驗、試件強度與構件混凝土強度的相關性、構件混凝土強度的評定、高強混凝土的質量控制等幾個方面,分析了影響高強混凝土試件強度檢測結果的主要因素,提出了構件混凝土質量控制措施。
關鍵詞:高強混凝土;強度檢驗;相關性;試件平整度;養(yǎng)護條件。
中圖分類號: TU 502 文獻標識碼:A
引言
隨著混凝土技術的進步和發(fā)展,高強混凝土的應用已越來越廣泛。CECS 104: 99《高強混凝土結構技術規(guī)程》(以下簡稱《規(guī)程》)已于1999年頒布實施,進一步推動了高強混凝土的設計和應用。由于對高強混凝土強度和質量要求的提高以及摻合料的大量使用,與普通混凝土相比,無論是對高強混凝土的試件強度檢驗、構件強度檢驗,還是質量檢驗驗收標準等,均提出了更高的要求。因此,如何準確測定和評價高強混凝土的強度是一個亟待解決的問題。
1 高強混凝土的試件強度檢驗
1. 1 試件尺寸和平整度
隨著高強混凝土強度的不斷提高,受試驗機量程的限制,在科學研究和實際工作中將不可避免地
采用尺寸為100 mm ×100 mm ×100 mm的立方體試件。對于普通混凝土,該立方體試件與150 mm ×150 mm ×150 mm標準尺寸試件的換算系數(shù)為0. 95,而高強混凝土一般小于此值。并且隨著強度的提高,折算系數(shù)降低?！兑?guī)程》提出100 mm ×100 mm ×100 mm的立方體試件折算成標準尺寸試件的折算。系數(shù)見表1。
表1中隨著強度提高而折算系數(shù)降低的原因,對于普通混凝土,主要是大試件存在內部缺陷的概率高,高強混凝土同樣有這一因素,但最主要的影響因素是試件平整度。試件強度越低,其塑性越大,可調變形量越大,表面平整度對實際強度的影響就越小;試件強度越高,材料脆性越大,可調變形量越小,表面不平整度和不平行度對實際強度的影響就越大。通常情況下,小試件的表面平整度和平行度均高于大試件,有些試驗結果顯示的折算系數(shù)比《規(guī)程》中的值更低。例如,平均強度Fcu, 0 = 70. 4MPa, K實=0. 90; Fcu, 0 = 60 MPa, K實= 0. 92。但我們采用平整度相對嚴格的大、小試件的對比試驗結果表明, C 60～C 80混凝土的強度折算系數(shù)均為0. 95。因此,當用小試件的強度結果換算標準尺寸強度時須注意這一問題。雖然目前還很難定量描述試件不平整度對強度的影響率,但保證高強混凝土試件的表面平整度和平行度是非常重要的,否則將嚴重降低強度值。對試驗機的承壓板和混凝土試模,也應定期檢驗。此外,試驗操作時的試件偏心受壓對高強混凝土的影響也要比普通混凝土大,試件尺寸越小,越易引起偏心,易使測試結果偏低。
1. 2 養(yǎng)護條件對測試結果的影響
我們在室溫20 ℃和10 ℃、相對濕度80 %和75 %條件下配制C 60高強混凝土,測試結果表明,7 d強度相差10 %, 28 d強度相差7. 5 %,而對C 20～C 30混凝土的影響很小。這是因為高強混凝土的W /B 小,早期強度發(fā)展快,對溫度比較敏感。因此,在配制高強混凝土時,若無恒溫恒濕條件,則成型后必須立即移入養(yǎng)護室養(yǎng)護;若無養(yǎng)護室,則應盡可能縮短在試模內的時間,提前拆模,并且在試體表面覆蓋塑料膜或采取其他保溫保濕措施,嚴防水分揮發(fā)。對高強混凝土來講,由于其本身非常致密,后期失水或吸入水分的可能性均較小,特別是當W /B <0. 28時,試件內部處于相對缺水狀態(tài),加之高強混凝土自收縮較大,故水中養(yǎng)護產生的表層濕脹易加重試件內外的應力差,導致試件強度降低。例如,水中養(yǎng)護試件經24 h空氣干燥后, C 60高強混凝土的強度提高7 %～8 % ,而C 25混凝土的強度幾乎不變。這是因為強度等級較低的混凝土早期失去的往往是自由水,對強度影響不大,后期繼續(xù)干燥強度提高,這一點有別于高強混凝土。如W /B < 0. 4的水中養(yǎng)護試件,經劈裂試驗,僅表層20 mm左右濕潤,內部均較干燥。因此,我們認為,高強混凝土養(yǎng)護的最佳濕度條件是90 %以上的潮濕空氣,以與普通混凝土試件的養(yǎng)護條件保持一致。
2 試件強度與構件混凝土強度的相關性
2. 1 水化熱對強度的影響
對于截面最小尺寸> 1 m 的大體積混凝土構件,必須采取有效措施控制水化熱引起的內外溫差。其主要目的是防止溫差裂縫的產生,但通常對由于溫度升高而引起的強度變化未予重視, GB50204—2002《混凝土結構施工及驗收規(guī)范》中也未涉及。對于截面最小尺寸> 0. 6 m的梁板構件,在普通混凝土中很少對水化熱問題引起重視,但對高強混凝土來講,由于水泥用量的增加,水化熱引起的溫差應力以及溫度對強度的影響已顯得十分重要。有資料表明,當水泥用量達400 kg/m3 時, 0. 5 m厚的試件的中心溫峰可達45 ℃ (環(huán)境溫度20 ℃時) ,雖然溫差尚在GB 50204—2002《混凝土結構施工及驗收規(guī)范》允許范圍內,但對硅酸鹽水泥或普通水泥配制的混凝土而言,足以使28 d及后期強度顯著降低。如果環(huán)境溫度升高或水泥用量進一步增加,一方面絕對溫升將顯著提高;另一方面,溫峰出現(xiàn)的時間更早,對混凝土強度造成的危害更大。高效減水劑的使用將加劇這一現(xiàn)象。因此,必須注意到試件尺寸小所受水化熱的影響小,從而使試件強度尤其是長期強度高于實際構件強度的現(xiàn)象,特別是對采用硅酸鹽水泥或普通水泥配制高強混凝土或混凝土構件尺寸較大時更應引起重視。當采用較高摻量摻合料時,特別是摻用粉煤灰、礦渣粉或沸石粉時,情況則完全相反。因水化熱對這類混凝土的早期和后期強度均十分有利,試件強度就會小于構件混凝土的實際強度值。但摻硅粉混凝土例外。因此,對高強混凝土而言,構件截面最小尺寸> 0. 5 m時就應對水化熱問題引起足夠重視,不僅要控制溫差,更重要的是控制絕對溫升,最有效的辦法是摻用適量的粉煤灰、礦渣粉或沸石粉。
2. 2 自收縮對強度的影響
高強混凝土的自收縮值7 d可達100 ×10- 6mm以上,但人們普遍關心的是對高強混凝土裂縫(尤其是早期裂縫)的影響,而對強度影響的研究很少。從某種意義上講,在鋼筋混凝土構件中,自收縮引起的微裂紋(假如存在)在鋼筋等約束條件下,對抗壓強度的影響可能很小,但也正因為鋼筋約束而使混凝土處于拉應力狀態(tài),會對抗拉強度產生較大影響。此時,若以試件劈拉強度或軸拉強度來推算構件混凝土的抗拉強度就顯得不安全。因為試件尺寸小和自由度大,自收縮引起的拉應力幾乎可以忽略,當以抗壓強度折算抗拉強度時也應注意這一問題。
2. 3 自然養(yǎng)護條件對強度的影響
濕度條件對普通混凝土強度的影響非常顯著,對尺寸相對較大的構件,常出現(xiàn)表層混凝土強度低于內部強度的現(xiàn)象。主要是水灰比大、孔隙多及失水過早、過多所致。試件的尺寸相對較小,若不經潮濕養(yǎng)護,也有可能導致試件強度低于實際構件強度。對高強混凝土來講,早期的潮濕養(yǎng)護非常重要,而后期因混凝土較致密、很難失水,濕度條件對強度的影響相對較小。溫度條件對普通混凝土的強度也有影響,但遠不及高強混凝土顯著。
(1)硅酸鹽水泥或普通水泥配制的高強混凝土。
(不摻混合材或摻量很少) ,由于水化熱的作用,試件強度往往高于構件混凝土的實際強度,表層強度高于內部強度,這在夏季施工時尤為顯著。當試件采用標準養(yǎng)護(非現(xiàn)場養(yǎng)護)時,試件強度更為偏高。即使是冬季施工,當構件尺寸較大時,試件強度仍有可能高于構件的實際強度。
(2)摻大量混合材配制的高強混凝土情況則相反。
如大量摻入粉煤灰、磨細礦渣粉或沸石粉配制的高強混凝土,只要水化熱不引起較大的溫差應力,將有利于混凝土強度的提高。此時試件強度低于構件的實際強度,內部強度則高于表層強度,冬季施工、現(xiàn)場自然養(yǎng)護時更顯著。夏季施工時,若試件采用標準養(yǎng)護,則試件強度更是低于構件的實際強度。可以這樣講,溫度(20 ±2) ℃的標準養(yǎng)護條件,對于普通水泥和硅酸鹽水泥混凝土是適宜的,而對高摻量混合材配制的高強混凝土,這一溫度應高得多。
3 構件混凝土強度的評定
回彈法只能評定C 50以下的構件混凝土強度。若要采用這一方法評定高強混凝土的強度,就必須建立新的測強曲線或研制新型的回彈儀。超聲波法、超聲回彈綜合法和拔出法采用的儀器設備,理論上對高強混凝土也是適用的,但由于彈性模量及拉、剪強度與抗壓強度的非同步增長,故需盡快建立相應的測強曲線。上海建筑科學研究院和同濟大學已開展了相關研究,但由于全國各地的差異較大,一方面宜建立地方性的測強曲線,另一方面應建立全國性的通用曲線。鉆芯法是最直接的強度評定方法,通常也是最可靠的構件混凝土強度檢測方法。但應用于高強混凝土中,鉆機鉆取芯樣時必須有非常優(yōu)異的穩(wěn)定性,一旦鉆機顫動,表面出現(xiàn)波紋狀,將使芯樣強度嚴重降低。因此,鉆芯設備必須有很高的精度。當芯樣承壓面的平整光潔度能滿足普通混凝土要求時,對高強混凝土的影響可能仍較大,必須保證承壓面平整、光潔、平行。采取抹平處理時,必須保證抹平材料的強度與混凝土強度接近,若偏低或偏高均會導致試件強度偏低。目前,對于高強混凝土構件的強度檢測方法,除鉆芯法尚能應用之外,其余檢測方法急需科研院校和儀器設備生產廠家聯(lián)合攻關。
4 高強混凝土的質量控制
4. 1 原材料的選擇與應用
(1)指定專人定期檢查、測定各種原材料的質量,特別是原材料進料、儲存、計量應全方位監(jiān)控。
(2)配制C 60級高強混凝土不需要特殊的材料,但必須對本地區(qū)所能得到的所有原材料進行優(yōu)選,除應有優(yōu)良的性能指標外,還必須保證質量穩(wěn)定,即在一定時期內(至少在施工期內)主要性能沒有太大的波動。
(3)強度等級C 80或C 80以上的高強混凝土,在水泥水化時不可避免地會在內部形成細微的毛細
孔。為確?；炷翉姸?必須采取措施將毛細孔填滿,以增加混凝土的密實性。因此,需要在混凝土配比中摻加超細活性顆粒,使其在水泥漿微細空隙中水化,減少和填充毛細孔,達到增強和增密的作用。
(4)高強混凝土要求低水灰比、高坍落度,這就需要摻加高性能的外加劑。目前,混凝土外加劑的
品種較多,但高性能復合型外加劑在國內尚不多見,故應通過對比試驗確定。
4. 2 混凝土配比方案優(yōu)選
(1)高強混凝土正式生產前應進行試配,選擇不同的配比和投料順序,確定優(yōu)選方案。
(2)試配必須嚴格模擬實際生產條件,在原材料發(fā)生變動時應再次試配。
(3)攪拌必須均勻,采用強制式攪拌機,較普通混凝土的攪拌時間增加50 %。
4. 3 工時質量控制
在試驗室配制符合質量要求的高強混凝土比較容易,而在整個施工過程中穩(wěn)定質量水平則較為困難。一些在通常情況下不太敏感的因素,在低水灰比情況下會變得相當敏感,這就要求在整個施工過程中必須注意各種因素的影響,并且根據其變化隨時調整配合比和各種工藝參數(shù)。
(1)嚴格控制水灰比。骨料的含水量應在用水量中扣除,每天需測定骨料含水量,每次配料時應測定砂子的含水量,嚴禁額外加水。
(2)探測混凝土拌合物溫度,必要時測定混凝土水化熱,以控制溫升。
(3)合理安排工藝和工序,計算各階段所需時間,合理地縮短從混凝土攪拌到澆搗完畢的時間。
(4)對操作人員進行技術交底,完善各項記錄。
5 幾點建議
(1)高強混凝土的試模必須嚴格保證其尺寸和平面、直角精度,以確保試件質量,必要時可將試件
磨平拋光,否則會使試件強度偏低。試驗操作時須特別仔細。
(2)試驗機必須有足夠的剛度,應盡可能采用較大量程的試驗機,以免使測試結果偏大。
(3)加強早期保濕養(yǎng)護或提早拆模,防止早期失水。應盡可能采用潮濕養(yǎng)護。
(4)對于不摻混合材的高強混凝土,試件強度。可能高于實際強度,特別是構件最小尺寸≥50 cm或夏季施工時更要注意其強度修正。
(5)對混合材摻量高的高強混凝土,試件強度往往低于構件強度,冬季施工或采用標準養(yǎng)護時更
應引起重視。
(6)對構件最小尺寸≥50 cm的高強混凝土,不但要控制溫差,還要特別重視絕對溫升對強度的影
響。應盡可能多摻混合材,降低水泥用量。
(7)回彈法不適于評定C 50以上混凝土的強度。建議研制新型回彈儀,建立新的地方性和全國
性的測強曲線。超聲波法、拔出法及綜合法的應用,也需建立新的測強曲線。
(8)采用鉆芯法評定構件混凝土強度時,要求芯樣具有更高的光潔度和平整度,抹平材料應具有
相應的強度值。
作者
張雷(1974 - ) ,男,河南平頂山人,工程師, 2006年1月畢業(yè)于西南科技大學土木工程專業(yè),現(xiàn)攻讀重慶大學土木工程與建筑材料專業(yè)工程碩士學位,從事建設工程質量檢測工作。
