摘要:本文分析了影响高强混凝土试件强度检测结果的主要因素;试件强度与构件混凝土 强度的相关性;提出了构件混凝土强度检验中存在的问题和措施。
关键词:混凝土 试件强度 检验
1.前言
随着混凝土技术的进步和发展,高强混凝土(以下简作HSC)的应用已越来越广。《高强混凝土结构技术规程》(CECS104:99,以下简作《规程》)已于1999年颁布实施,必将进一步推动HSC的设计和应用。由于HSC的强度和质量要求的提高以及大量掺合料的使用,与普通混凝土相比,无论是试件强度检验、构件强度检验,尤其是质量检验验收标准等,均提出了许多新的问题和更高的要求。甚至产生了这样一种概念:配制和生产HSC已不存在太多困难,而如何准确测定评价HSC的强度,己成为急需解决的技术难题。我们在相关试验研究和实际工作中也遇到了许多此类问题。如试件强度远低于或远高于实际构件混凝土强度;构件混凝土强度采用何种无损检测方法准确评价等等。本文主要就此提出相关问题和建议,以期在推广应用HSC的同时,更好地把握和确保工程质量。
2.HSC的试件强度检验
2.1 试件尺寸和平整度
随着HSC强度的不断提高,试验机量程的限制,以及骨料最大粒径一般为25mm,因此,在科学研究和实际工作中不可避免地采用100×100×100(mm)的立方试件。在普通混凝土中,与标准试件150×150×150(mm)的尺寸换算系数为0.95。而HSC中一般均小于此值。且随着强度提高,折算系数下降。《规程》中提出的100mm立方体试件折算成标准尺寸试件的折算系数如表1:
表1
Fcu,10(MPa) K Fcu,10(MPa) K
≤55 0.95 76--85 0.92
56--65 0.94 86--95 0.91
66--75 0.93 >96 0.90
问题的关键在于强度提高何以使折算系数下降。普通混凝土中主要认为是大试件存在内部缺陷概率高,在HSC中同样有这一因素,但还存在更重要的因素,其中最主要的是试件平整度。试件强度越低,塑性越大,可调变形量大,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。因而许多试验结果(清华大学、北京城建集团构件厂等)表明,其折算系数比《规程》提供的值更低(平均强度Fcu,10=70.4MPa,K实=0 90;Fcu,10=60MPa,K实=0.92)。但我们采用相对严格平整的大小试件试验结果表明,C60~C80的混凝土强度折算系数均为0.95。因此,当用小试件结果换算标准尺寸强度时须注意这一问题。虽然我们还很难定量描述试件不平整度对强度影响率,但对HSC强度试件保证足够的表面平整度和平行度是必需的,必要时对试件进行磨平抛光,否则将严重降低强度值,亦即要选用优质的混凝土试模,并做到严格的定期检验和修正。同样对试验机的承压板也应及时检验。
此外,试验操作时的试件偏心受压对HSC的影响率比普通混凝土要大,试件尺寸越小,越易引起偏心,使测试结果偏低。虽然试件表面不平整度、不平行度和偏心受压,均使测试结果偏小,对结构物是安全的,但科学地准确评价HSC的强度,确保测试结果与实际强度的一致性是我们的宗旨。当用小试件折算标准试件强度时更应引起重视。
2.2 试验和养护条件对测试结果的影响
当标准试件的抗压强度大于70MPa时,对部份试验室所拥有的2000kN试验机来说,已达量程的80%以上,对测试结果将有一定影响。这仅仅是问题的一部分。由于不同生产厂家,不同构造型式的试验机刚度不尽一致,同量程试验机对同一批HSC试件测试结果也会有差异,不同量程试验机的测试结果差异就更大。如清华大学的一组试验结果如表2。
表2
试验机标准试件平均强度(MPa)(55组)fcu 100mm立方体试件 平均强度(55组)f′cu fcu/f′cu
长春产5000kN 59.7 68.6 0.87
长春产2000kN 63.8 69.4 0.92
无锡产2000kN 65.1 73.1 0.89
芬兰和日本也用不同试验机对测试结果的影响做过研究。如芬兰采用20台试验机对80MPa HSC试验结果显示,强度最低组与最高组之比为75%;对40MPa的混凝土,其比值升高为85%。日本也同样采用20台不同试验机对100MPa和60MPa的两批HSC进行试验,结果表明强度最低组与最高组之比值分别为69%和76%。所有这些试验资料均说明一个问题:随HSC强度等级的提高,不同试验机对测试结果的影响变得显著,而对低强混凝土的影响相对就较小,这是试验检测中有待研究和引起足够重视的。
养护条件对测试结果的影响。主要指早期养护和温湿度。试件成型后通常经24h后脱模。由于大部分试验室(特别是江南)成型时无恒温、恒湿条件,春夏秋冬四季温差和相对温度差异较大,试模内的24h非旦严重影响HSC的早期强度,也直接影响到28天强度。我们在20℃和10℃,相对湿度80%和75%条件下,配制C60 HSC,测得的结果表明,7天强度相差10%,28天强度差7.5%。而对C20~C30混凝土的影响很小。这是因为HSC的W/B小,早期强度发展快,温度敏感性大。因此,在配制HSC时,如无恒温恒湿条件,则成型后必须立即移入养护室护养,如若无此条件,则尽可能缩短在试模内的时间,提前拆模。并且表面覆盖塑料膜或其它保温保湿措施,严防水份挥发影响强度。
另一方面,我国普通混凝土的标准养护条件是20±3℃,相对湿度90%以上或水中养护。亦即表明相对温度90%以上养护与水中养护对强度影响不大。对HSC来说,由于本身非常致密,后期失水或吸入水份的可能性均较小,特别是当W/B小于0.28时,试件内部处于相对缺水状态,加之HSC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。如水中养护试件经24h空气干燥后,重量几乎不变,但由于应力差减弱,C60HSC的强度提高78%,而C25混凝土强度几乎不变。因为高W/C低强混凝土早期失去的往往是自由水,对强度影响不大,后期继续干燥产生的强度提高,通常认为是软化系数的概念,这一点是有别于HSC的。W/B小于0.4时水中养护试件,经劈裂试验,仅表层20mm左右湿润,内部均较干燥。因此,作者认为,HSC养护最佳湿度条件是90%以上潮湿空气(与普通混凝土一致化)或简单的塑料膜密封养护。
3 HSC试件强度与构件混凝土强度的相关性
前面分析讨论的影响试件强度的因素,总的来说是导致试验结果偏低,这对安全是有益的。但水化热问题,自收缩问题及现场养护条件问题,情况就比较复杂。
3.1 水化热对强度的影响
通常我们把最小截面尺寸大于1m的构件称之为大体积混凝土,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,而对温度升高引起强度的变化问题未加重视。GB50204 92和《规程》中也未提及。对截面尺寸大于0.6m的梁板构件,在普通混凝土中可以说很少对水化热问题引起重视,但对HSC来说,由于水泥用量的增加,水化热引起的温差应力和温度对强度的影响已显得十分重要。有资料表明[1],当水泥用量达400kg/m3时,0.5m厚的试件中心温峰可达45℃(环境温度20℃),虽然温差尚在GB50204 92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天及后期强度显著下降。如环境温度升高,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,高效减水剂的使用也将加剧这一现象,对混凝土强度造成的危害更大。当然,混凝土厚度提高,绝对温度也更高,如1.5m厚时中心温峰可达65℃(水泥400kg/m3,环境温度20℃)。因此,必须注意到试件尺寸小受水化热影响小,从而使试件强度尤其是长期强度高于实际构件强度,特别对采用纯硅酸盐水泥或普通水泥配制的HSC或较大构件尺寸的混凝土更应引起重视。
当采用较高掺量掺合料时,特别是掺用粉煤灰(FA)、矿渣(SG)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实际强度值。但掺硅粉混凝土例外。因此,对HSC而言,截面最小尺寸超过05m的构件就应对水化热问题引起足够重视,且不是简单的控制温差,更重要的是控制绝对温升。其中最有效的办法就是掺用适量FA、SG或沸石粉。
3.2 自收缩对强度的影响
HSC的自收缩值7天可达100×10-6mm以上,人们普遍关心的是对HSC裂缝影响,尤其是早期裂缝,但对强度的影响研究很少。从某种意义上来说,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,对抗压强度影响可能很小,但也正因为钢筋约束使混凝土处于拉应力状态,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抗拉强度时,就会显得不安全。因为试件尺寸小和自由度大,自收缩引起的拉应力几乎可忽略,当以抗压强度折算抗拉强度时也应注意这一问题,但其影响值有多大,有待进一步研究。
3.3 自然养护条件对强度的影响
湿度条件对普通混凝土的强度影响非常显著,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,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HSC来说,关键是早期潮湿养护非常重要,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强度亦有影响,但远不及对HSC来得显著。
(1)硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥配制的HSC(不掺或掺很少量混合材),由于水化热的作用,试件强度往往高于构件混凝土实际强度,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,试件强度将更加偏高。即使冬季施工,当构件尺寸较大时,试件强度仍有可能高于实际构件强度。这是非常值得重视的。
(2)掺大量混合材配制的HSC,情况与上述相反。如大量掺入粉煤灰、普通磨细矿渣或沸石粉配制的HSC,水化热只要不引起较大的温差应力,它将大大有利于混凝土强度的提高,此时试件强度低于构件实际强度,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,则试件强度更低于构件实际强度,可以这样说,20±3℃的标准养护条件,对普通水泥和硅酸盐水泥混凝土是适宜温度,面对高掺量混合材配制的HSC,这一“标准”温度应高得多。认识这一点是非常必要的,它从另一个侧面要求我们在配制HSC时,尽可能多地掺用粉煤灰、矿渣和沸石粉。
4 构件混凝土强度评定
(1)回弹法只能评定C50以下的构件混凝土强度。若要采用这一简单的
方法评定HSC的强度,就必须建立新的测强曲线或研制新型的回弹仪。这是一件很迫切的工作。
(2)超声波法、超声回弹综合法和拔出法的仪器设备,
理论上对HSC也是适用的,但由于弹性模量,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。上海建科院和同济大学已开展了相关
研究〔2〕,但全国各地差异较大,一方面宜建立地方性测强曲线,另一方面需要全国通力合作,建立全国通用曲线。
(3)钻芯法是最值接的评定方法,通常也是最可靠的构件混凝土强度检测法。但在HSC中
应用,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,类似于<C10的混凝土,钻切加工引起损伤,使强度偏低。因此钻芯设备必须有很高的精度。芯样承压面的平整光洁度,当能满足普通混凝土要求时,对HSC
影响可能仍较大,承压面必须严格平整光洁平行。当采用抹平处理时,必须保证抹平材料强度与混凝土强度接近,偏低或偏高均会导致试件强度偏低。因此,对HSC构件强度检测方法、除钻芯法尚能应用外,其余检测方法急需科研院校和仪器设备生产厂家的联合攻关。
5 几点建议(1)HSC的试模必须严格保证足够的尺寸和平面、直角精度,以确保试件质量,必要时磨平抛光,否则使试件强度偏低。试验操作时须特别仔细。
(2)试验机必须保证足够的刚度,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。尽可能采用潮湿养护。
(4)对不掺混合材的HSC,试件强度可能高于实际强度,特别是构件尺寸≥50cm或夏季施工时更要注意其强度修正。
(5)对高掺量混合材HSC,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)对构件尺寸大于50cm的HSC,不但要控制温差,也要特别重视绝对温度对强度的影响。应尽可能多掺混合材降低水泥用量。
(7)回弹法不适于评定C50以上混凝土的强度。建议研制新型回弹仪,建立新的地方和全国测强曲线。超声波法和拔出法及综合法的应用,也需建立新的测强曲线。
(8)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。