关于混凝土同条件养护的若干问题

[摘　要] 　本文通过对GB50204-2000《混凝土结构工程施工质量与验收规范》中附录D《结构实体检验用同条件养护混凝土试件的强度检验》的分析,结合相关理论,在阐述同条件养护理论基础上,讨论它与标准条件养护、混凝土结构实体强度的差别及原因。

[关键词] 　同条件养护; 　标准养护; 　龄期; 　成熟度

1 　前言

    为了客观地反映施工过程中混凝土强度的真实情况,在GB50202-2000《混凝土结构工程施工质量与验收规范》中规定了结构实体检验用同条件养护混凝土试件的强度检验。所谓同条件养护试件是在混凝土浇筑对应的结构构件或结构部位由监理、施工等各方商定,制备至少3 组以上混凝土试件,拆模后置于靠近相应结构构件或结构部位的适当位置并采取与相应结构构件或结构部位相同的养护方法,在等同条件自然养护到一定等效养护龄期(与标准养护条件下28天龄期试件强度相等的原则) 进行强度试验。此强度值反映了相应结构构件或结构部位的真实混凝土强度。本文在阐述同条件养护理论基础上,讨论它与标准条件养护、混凝土结构实体强度的差别及原因。

2 　同条件养护的理论基础

    对于某一特定的混凝土,由于其配合比已定,故其强度的发展主要取决于水泥水化程度,即取决于养护温度、湿度以及养护龄期。对于湿度已定的环境,可以认为主要取决于养护温度和龄期。国外学者认为,一定条件下,混凝土强度可用混凝土成熟度来评价。成熟度可表示为养护时间与温度的函数,其表达式为:

M = Σai×T (1)

式中　M ———混凝土成熟度, ℃·d ;

ai ———混凝土养护时间,d 或h ,国内习惯上用d ;

T ———混凝土养护温度, ℃。

    在湿度相同的条件下,对于同一配合比的混凝土,理论上相同的成熟度对应相同的强度。对于试验室中标准养护的混凝土,由于养护温度为(20±2) ℃,养护时间为28d ,故其成熟度应为(560±56) ℃·d ,或504 ℃·d～616 ℃·d。

3 　同条件养护混凝土的适用范围

    按GB50204 - 2000《混凝土结构工程施工质量与验收规范》中附录D 结构实体检验用同条件养护试件强度检验的规定,同条件养护等效龄期可按日平均温度逐日累计到600 ℃时所对应的龄期,0℃及以下的龄期不计入;等效养护龄期不应少于14 天,也不应大于60天( 其相应的日平均温度分别为42.9 ℃和10 ℃———笔者注) 。若按等效龄期为600 ℃计,相当于在21.43 ℃温度中养护28天。0 ℃及以下的龄期不计入,主要考虑到0 ℃及0 ℃以下水泥水化基本停止。

    等效养护龄期不应少于14 天意味着养护日平均温度不高于42.9 ℃,而不应大于60天意味着养护的日平均温度不低于10℃。

4 　同条件养护与标准条件养护混凝土试件强度的关系

    4.1 　GB50204 - 2000《混凝土结构工程施工质量与验收规范》中附录D 中规定:“同条件养护试件的强度代表值应根据强度试验结果按现行国家标准《混凝土强度检验评定标准》GBJ 107的规定确定后,乘折算系数取用;宜取为1110 ,也可根据当地的试验统计结果作适当的调整。”对于折算系数1.10 ,主要考虑自然养护条件的相对湿度较低,结构强度约相当于标准养护试件强度的90%。混凝土标准养护条件是温度为(20±2) ℃,相对湿度≥95% ,但在自然条件下,这种湿度很难达到,即使在潮湿的南方,相对湿度达到95%的日子也不多见,不用说干燥的秋冬季,也更不用说天气干燥的北方了。众所周知,只有在饱水状态下,水泥的水化速度才是最大的,养护的相对湿度越低则混凝土强度越低。图1 为养护条件对混凝土强度的影响。

    从图可见,若以完全潮湿养护28天强度为100%系列4) ,那么7天潮湿养护后空气中养护(系列3) 和3天潮湿养护后空气中养护(系列2)以及完全空气中养护(系列1) 的混凝土强度分别为92%、83%和55%(该图未具体说明空气养护的温度和相对湿度- 笔者注) 。工地现场混凝土结构一般不可能28天潮湿养护,即使采用潮湿养护(浇水、蓄水,混凝土表面湿砂、锯沫、麻袋、土工布或塑料薄膜覆盖等) ,其养护周期一般只有7 天左右,与标准养护相比,时间仍较短且潮湿养护的连续性也难于保证,而其余21 天多在大气中自然养护。严格地说,同条件养护混凝土的强度应区别相对湿度不同的地区、同一地区相对湿度不同的季节,对应不同的折算系数,因此应通过科学研究,找出不同地区、不同季节同条件养护试件强度与标准养护混凝土强度的关系,对折算系数予以修正。

    4.2 　现有的研究资料表明,在相同成熟度的情况下,不同养护温度的混凝土试件强度也不尽相同。图2为不同养护温度对混凝土强度的影响。从图可见,在相同成熟度的情况下,低温养护(30u) 混凝土强度高于高温养护(70u和110u) 的混凝土强度。Verbeck和Helmuth认为,在温度比较高的情况下,初始水化速率快,已离开水泥颗粒的水化产物还来不及扩散,也没有足够的时间使其在内部均匀沉淀。因此水化产物在水泥颗粒周围聚集,减慢了以后的水化速率。另外,水化产物只填充水泥颗粒表面,大部分空隙仍保持原来的状态而留下较多的孔隙,即水泥浆体结构的胶空比小,水泥浆体结构不均匀。相反,养护温度低虽然水化慢,但水化产物有充分时间扩散到远处的毛细空隙,使水泥浆体结构均匀致密,后期水化也不受影响,因此形成均匀的水化产物结构,强度更高。

    4.3 　水泥的组成(包括颗粒粒级分布、矿物组份) 、混合材种类(包括品种、粒级分布、活性) 和掺量,外加剂的引入等对同条件养护混凝土试件的强度也有一定程度的影响,可惜未见相关的报导。根据水泥化学原理,掺混合材的水泥或混合材作为独立组份加入混凝土,只有在充分水份条件(潮湿环境) 下才能发挥其强度,而如前所述同条件养护的湿度条件远比标准养护差,因此理论上其同条件养护试件强度应低于硅酸盐水泥或不掺混合材混凝土,其折算系数应大些;需要说明的是, 如对于相同的养护条件(如完全潮湿环境) ,较高的养护温度又能促进混合材的二次水化反应。笔者曾对一定条件下不同养护温度、成熟度与强度关系作了一些试验性探索,数据表明由于上述混凝土组份变化的原因(水泥、混凝土技术发展必然会出现的多元性) ,某些因素更成为主导因素,各因素的作用叠加而影响成熟度与强度的关系,这里不再详述。

5 　同条件养护混凝土试件与相应部位结构混凝土的关系

    比较同条件养护混凝土试件与结构实体的混凝土,虽然配合比、搅拌工艺和养护温度(不考虑水化热引起的温升) 相同,但在混凝土的浇筑、捣实成型乃至养护方面(虽然规范要求采取相同的养护方法,但这里主要指其所能达到的养护效果) 还存在较大差别,因而两者的强度也存在一定差异。对同条件养护混凝土试件, 按标准规定的制作方法(GB/T50081-2002) ,在相对很小的试模体积内完全能充分均匀与密实。但对结构实体的混凝土则不仅如此。对板块结构,如楼面,在垂直方向厚度小,一般100mm左右,浇捣方便,更易形成均匀密实的混凝土,而且硬化后的混凝土养护方便(浇水、覆盖或蓄水等) ,因此与同条件试件的养护条件相近,故结构实体混凝土强度应与同条件养护混凝土试件强度相近。而对于竖向结构构件,如柱、剪力墙等,由于垂直方向长而水平截面小,配筋率相对较高,混凝土浇筑中拌合物在垂直方向自由落体以及与模板、钢筋碰撞难免会导致离析,同时振捣较为困难,易发生漏振或过振,对于需分层浇筑的,在结合面也易造成离析分层,造成结构总体上均匀性比同条件养护试件差;从养护看,侧面养护条件明显不及楼面和同条件养护混凝土试件,所以,总体上竖向结构构件实体强度可能比同条件养护混凝土试件强度偏低。值得关注的是,水泥的水化热对大体积混凝土强度的影响,水泥的水化热会使混凝土内部温度远远高于大气温度,例如2.5m厚的硅酸盐水泥混凝土内部温升高达40℃,而掺30%粉煤灰后的温升也可达30℃,即大体积混凝土内的养护温度比同条件养护混凝土试件高30℃。在相同的龄期,大体积混凝土的成熟度要比同条件养护的大,其强度自然会比同条件养护试件高,对于掺矿物掺合料的大体积混凝土更是如此(原因如前4.3 所述) ,故在同一等效养护龄期,大体积混凝土(特别是掺矿物掺合料) 结构实体强度要高于同条件养护试件的强度。

6 　结语

    6.1 　同条件养护试件的强度基本上反映了结构实体相应部位的强度,但与标准养护条件的试件强度有一定差异,也不完全等同于结构实体混凝土的强度。

    6.2 　同条件养护试件的强度与标准养护条件的试件强度的差异主要在于养护湿度不同的缘故。

    6.3 　同条件养护试件的强度与结构实体混凝土强度的差异主要因拌合物的浇筑、捣实和养护条件不尽相同所致。

    6.4 　大体积混凝土(特别是掺矿物掺合料) 中,由于水化热导致混凝土内部养护温度升高,结构实体强度可能高于同条件养护试件的强度。