高强混凝土的试件强度及检验.doc

高强混凝土的试件强度及检验提要 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。 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。 2HSC的试件强度检验 21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100100100(mm)的立方试件。在普通混凝土中，与标准试件150150150(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1Fcu,10(MPa)KFcu,10(MPa)K550.9576-850.9256-650.9486-950.9166-750.93960.90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， C60C80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)fcufcu/fcu长春产5000kN59.768.60.87长春产2000kN63.869.40.92无锡产2000kN65.173.10.89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C20C30混凝土的影响很小。 这是因为HSC的WB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203，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WB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7-8，而C25混凝土强度几乎不变。因为高 WC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。WB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。3HSC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。GB5020492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400kgm3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400kgm3，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10010-6mm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，203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