摘 要:从高强混凝土的试件强度检验、试件强度与构件混凝土强度的相关性、构件混凝土强度的评定、高强混凝土的质量控制等几个方面,分析了影响高强混凝土试件强度检测结果的主要因素,提出了构件混凝土质量控制措施。
关键词:高强混凝土;强度检验;相关性;试件平整度;养护条件。
中图分类号: TU 502 文献标识码:A
引言
随着混凝土技术的进步和发展,高强混凝土的应用已越来越广泛。CECS 104: 99《高强混凝土结构技术规程》(以下简称《规程》)已于1999年颁布实施,进一步推动了高强混凝土的设计和应用。由于对高强混凝土强度和质量要求的提高以及掺合料的大量使用,与普通混凝土相比,无论是对高强混凝土的试件强度检验、构件强度检验,还是质量检验验收标准等,均提出了更高的要求。因此,如何准确测定和评价高强混凝土的强度是一个亟待解决的问题。
1 高强混凝土的试件强度检验
1. 1 试件尺寸和平整度
随着高强混凝土强度的不断提高,受试验机量程的限制,在科学研究和实际工作中将不可避免地
采用尺寸为100 mm ×100 mm ×100 mm的立方体试件。对于普通混凝土,该立方体试件与150 mm ×150 mm ×150 mm标准尺寸试件的换算系数为0. 95,而高强混凝土一般小于此值。并且随着强度的提高,折算系数降低。《规程》提出100 mm ×100 mm ×100 mm的立方体试件折算成标准尺寸试件的折算。系数见表1。
表1中随着强度提高而折算系数降低的原因,对于普通混凝土,主要是大试件存在内部缺陷的概率高,高强混凝土同样有这一因素,但最主要的影响因素是试件平整度。试件强度越低,其塑性越大,可调变形量越大,表面平整度对实际强度的影响就越小;试件强度越高,材料脆性越大,可调变形量越小,表面不平整度和不平行度对实际强度的影响就越大。通常情况下,小试件的表面平整度和平行度均高于大试件,有些试验结果显示的折算系数比《规程》中的值更低。例如,平均强度Fcu, 0 = 70. 4MPa, K实=0. 90; Fcu, 0 = 60 MPa, K实= 0. 92。但我们采用平整度相对严格的大、小试件的对比试验结果表明, C 60～C 80混凝土的强度折算系数均为0. 95。因此,当用小试件的强度结果换算标准尺寸强度时须注意这一问题。虽然目前还很难定量描述试件不平整度对强度的影响率,但保证高强混凝土试件的表面平整度和平行度是非常重要的,否则将严重降低强度值。对试验机的承压板和混凝土试模,也应定期检验。此外,试验操作时的试件偏心受压对高强混凝土的影响也要比普通混凝土大,试件尺寸越小,越易引起偏心,易使测试结果偏低。
1. 2 养护条件对测试结果的影响
我们在室温20 ℃和10 ℃、相对湿度80 %和75 %条件下配制C 60高强混凝土,测试结果表明,7 d强度相差10 %, 28 d强度相差7. 5 %,而对C 20～C 30混凝土的影响很小。这是因为高强混凝土的W /B 小,早期强度发展快,对温度比较敏感。因此,在配制高强混凝土时,若无恒温恒湿条件,则成型后必须立即移入养护室养护;若无养护室,则应尽可能缩短在试模内的时间,提前拆模,并且在试体表面覆盖塑料膜或采取其他保温保湿措施,严防水分挥发。对高强混凝土来讲,由于其本身非常致密,后期失水或吸入水分的可能性均较小,特别是当W /B <0. 28时,试件内部处于相对缺水状态,加之高强混凝土自收缩较大,故水中养护产生的表层湿胀易加重试件内外的应力差,导致试件强度降低。例如,水中养护试件经24 h空气干燥后, C 60高强混凝土的强度提高7 %～8 % ,而C 25混凝土的强度几乎不变。这是因为强度等级较低的混凝土早期失去的往往是自由水,对强度影响不大,后期继续干燥强度提高,这一点有别于高强混凝土。如W /B < 0. 4的水中养护试件,经劈裂试验,仅表层20 mm左右湿润,内部均较干燥。因此,我们认为,高强混凝土养护的最佳湿度条件是90 %以上的潮湿空气,以与普通混凝土试件的养护条件保持一致。
2 试件强度与构件混凝土强度的相关性
2. 1 水化热对强度的影响
对于截面最小尺寸> 1 m 的大体积混凝土构件,必须采取有效措施控制水化热引起的内外温差。其主要目的是防止温差裂缝的产生,但通常对由于温度升高而引起的强度变化未予重视, GB50204—2002《混凝土结构施工及验收规范》中也未涉及。对于截面最小尺寸> 0. 6 m的梁板构件,在普通混凝土中很少对水化热问题引起重视,但对高强混凝土来讲,由于水泥用量的增加,水化热引起的温差应力以及温度对强度的影响已显得十分重要。有资料表明,当水泥用量达400 kg/m3 时, 0. 5 m厚的试件的中心温峰可达45 ℃ (环境温度20 ℃时) ,虽然温差尚在GB 50204—2002《混凝土结构施工及验收规范》允许范围内,但对硅酸盐水泥或普通水泥配制的混凝土而言,足以使28 d及后期强度显著降低。如果环境温度升高或水泥用量进一步增加,一方面绝对温升将显著提高;另一方面,温峰出现的时间更早,对混凝土强度造成的危害更大。高效减水剂的使用将加剧这一现象。因此,必须注意到试件尺寸小所受水化热的影响小,从而使试件强度尤其是长期强度高于实际构件强度的现象,特别是对采用硅酸盐水泥或普通水泥配制高强混凝土或混凝土构件尺寸较大时更应引起重视。当采用较高掺量掺合料时,特别是掺用粉煤灰、矿渣粉或沸石粉时,情况则完全相反。因水化热对这类混凝土的早期和后期强度均十分有利,试件强度就会小于构件混凝土的实际强度值。但掺硅粉混凝土例外。因此,对高强混凝土而言,构件截面最小尺寸> 0. 5 m时就应对水化热问题引起足够重视,不仅要控制温差,更重要的是控制绝对温升,最有效的办法是掺用适量的粉煤灰、矿渣粉或沸石粉。
2. 2 自收缩对强度的影响
高强混凝土的自收缩值7 d可达100 ×10- 6mm以上,但人们普遍关心的是对高强混凝土裂缝(尤其是早期裂缝)的影响,而对强度影响的研究很少。从某种意义上讲,在钢筋混凝土构件中,自收缩引起的微裂纹(假如存在)在钢筋等约束条件下,对抗压强度的影响可能很小,但也正因为钢筋约束而使混凝土处于拉应力状态,会对抗拉强度产生较大影响。此时,若以试件劈拉强度或轴拉强度来推算构件混凝土的抗拉强度就显得不安全。因为试件尺寸小和自由度大,自收缩引起的拉应力几乎可以忽略,当以抗压强度折算抗拉强度时也应注意这一问题。
2. 3 自然养护条件对强度的影响
湿度条件对普通混凝土强度的影响非常显著,对尺寸相对较大的构件,常出现表层混凝土强度低于内部强度的现象。主要是水灰比大、孔隙多及失水过早、过多所致。试件的尺寸相对较小,若不经潮湿养护,也有可能导致试件强度低于实际构件强度。对高强混凝土来讲,早期的潮湿养护非常重要,而后期因混凝土较致密、很难失水,湿度条件对强度的影响相对较小。温度条件对普通混凝土的强度也有影响,但远不及高强混凝土显著。
(1)硅酸盐水泥或普通水泥配制的高强混凝土。
(不掺混合材或掺量很少) ,由于水化热的作用,试件强度往往高于构件混凝土的实际强度,表层强度高于内部强度,这在夏季施工时尤为显著。当试件采用标准养护(非现场养护)时,试件强度更为偏高。即使是冬季施工,当构件尺寸较大时,试件强度仍有可能高于构件的实际强度。
(2)掺大量混合材配制的高强混凝土情况则相反。
如大量掺入粉煤灰、磨细矿渣粉或沸石粉配制的高强混凝土,只要水化热不引起较大的温差应力,将有利于混凝土强度的提高。此时试件强度低于构件的实际强度,内部强度则高于表层强度,冬季施工、现场自然养护时更显著。夏季施工时,若试件采用标准养护,则试件强度更是低于构件的实际强度。可以这样讲,温度(20 ±2) ℃的标准养护条件,对于普通水泥和硅酸盐水泥混凝土是适宜的,而对高掺量混合材配制的高强混凝土,这一温度应高得多。
3 构件混凝土强度的评定
回弹法只能评定C 50以下的构件混凝土强度。若要采用这一方法评定高强混凝土的强度,就必须建立新的测强曲线或研制新型的回弹仪。超声波法、超声回弹综合法和拔出法采用的仪器设备,理论上对高强混凝土也是适用的,但由于弹性模量及拉、剪强度与抗压强度的非同步增长,故需尽快建立相应的测强曲线。上海建筑科学研究院和同济大学已开展了相关研究,但由于全国各地的差异较大,一方面宜建立地方性的测强曲线,另一方面应建立全国性的通用曲线。钻芯法是最直接的强度评定方法,通常也是最可靠的构件混凝土强度检测方法。但应用于高强混凝土中,钻机钻取芯样时必须有非常优异的稳定性,一旦钻机颤动,表面出现波纹状,将使芯样强度严重降低。因此,钻芯设备必须有很高的精度。当芯样承压面的平整光洁度能满足普通混凝土要求时,对高强混凝土的影响可能仍较大,必须保证承压面平整、光洁、平行。采取抹平处理时,必须保证抹平材料的强度与混凝土强度接近,若偏低或偏高均会导致试件强度偏低。目前,对于高强混凝土构件的强度检测方法,除钻芯法尚能应用之外,其余检测方法急需科研院校和仪器设备生产厂家联合攻关。
4 高强混凝土的质量控制
4. 1 原材料的选择与应用
(1)指定专人定期检查、测定各种原材料的质量,特别是原材料进料、储存、计量应全方位监控。
(2)配制C 60级高强混凝土不需要特殊的材料,但必须对本地区所能得到的所有原材料进行优选,除应有优良的性能指标外,还必须保证质量稳定,即在一定时期内(至少在施工期内)主要性能没有太大的波动。
(3)强度等级C 80或C 80以上的高强混凝土,在水泥水化时不可避免地会在内部形成细微的毛细
孔。为确保混凝土强度,必须采取措施将毛细孔填满,以增加混凝土的密实性。因此,需要在混凝土配比中掺加超细活性颗粒,使其在水泥浆微细空隙中水化,减少和填充毛细孔,达到增强和增密的作用。
(4)高强混凝土要求低水灰比、高坍落度,这就需要掺加高性能的外加剂。目前,混凝土外加剂的
品种较多,但高性能复合型外加剂在国内尚不多见,故应通过对比试验确定。
4. 2 混凝土配比方案优选
(1)高强混凝土正式生产前应进行试配,选择不同的配比和投料顺序,确定优选方案。
(2)试配必须严格模拟实际生产条件,在原材料发生变动时应再次试配。
(3)搅拌必须均匀,采用强制式搅拌机,较普通混凝土的搅拌时间增加50 %。
4. 3 工时质量控制
在试验室配制符合质量要求的高强混凝土比较容易,而在整个施工过程中稳定质量水平则较为困难。一些在通常情况下不太敏感的因素,在低水灰比情况下会变得相当敏感,这就要求在整个施工过程中必须注意各种因素的影响,并且根据其变化随时调整配合比和各种工艺参数。
(1)严格控制水灰比。骨料的含水量应在用水量中扣除,每天需测定骨料含水量,每次配料时应测定砂子的含水量,严禁额外加水。
(2)探测混凝土拌合物温度,必要时测定混凝土水化热,以控制温升。
(3)合理安排工艺和工序,计算各阶段所需时间,合理地缩短从混凝土搅拌到浇捣完毕的时间。
(4)对操作人员进行技术交底,完善各项记录。
5 几点建议
(1)高强混凝土的试模必须严格保证其尺寸和平面、直角精度,以确保试件质量,必要时可将试件
磨平抛光,否则会使试件强度偏低。试验操作时须特别仔细。
(2)试验机必须有足够的刚度,应尽可能采用较大量程的试验机,以免使测试结果偏大。
(3)加强早期保湿养护或提早拆模,防止早期失水。应尽可能采用潮湿养护。
(4)对于不掺混合材的高强混凝土,试件强度。可能高于实际强度,特别是构件最小尺寸≥50 cm或夏季施工时更要注意其强度修正。
(5)对混合材掺量高的高强混凝土,试件强度往往低于构件强度,冬季施工或采用标准养护时更
应引起重视。
(6)对构件最小尺寸≥50 cm的高强混凝土,不但要控制温差,还要特别重视绝对温升对强度的影
响。应尽可能多掺混合材,降低水泥用量。
(7)回弹法不适于评定C 50以上混凝土的强度。建议研制新型回弹仪,建立新的地方性和全国
性的测强曲线。超声波法、拔出法及综合法的应用,也需建立新的测强曲线。
(8)采用钻芯法评定构件混凝土强度时,要求芯样具有更高的光洁度和平整度,抹平材料应具有
相应的强度值。
作者
张雷(1974 - ) ,男,河南平顶山人,工程师, 2006年1月毕业于西南科技大学土木工程专业,现攻读重庆大学土木工程与建筑材料专业工程硕士学位,从事建设工程质量检测工作。
