戈壁地区不同养护方式下混凝土桥墩回弹强度与试块强度试验研究

(1.甘肃省交通运输厅，兰州 730050；2.兰州交通大学 土木工程学院，兰州 730070)

1 研究背景

20世纪以来，随着我国基础交通事业的不断发展，西北地区的交通建设达到了高峰期，钢筋混凝土结构因其独特的优点在建设当中被大量使用。西北地区大多伴有大温差、干寒、强风的戈壁气候特点，在此地区施工的混凝土结构养护难度大，早期强度难以上升，严重破坏了混凝土构件的耐久性。在桥梁交通工程中，混凝土强度现场检测以回弹法为主，多年实践经验表明，标准养护试块抗压强度、同条件养护试块抗压强度都达到设计要求，而回弹强度却偏小，这是由于回弹强度换算没有地区和专用测强曲线，一般都依据统一测强曲线进行换算，换算后的回弹强度偏低，因此回弹法检测出的混凝土构件强度存在一定的误差。这种误差将导致施工单位在施工过程对混凝土强度的判断出现误差，而不同养护方式下混凝土回弹强度与混凝土试块强度也没有经验可循，这将有可能使结构的安全性存在潜在的危险。

熊静[1]、魏连雨等[2]对回弹法评定混凝土抗压强度的主要影响因素及测强曲线变化进行了详细的研究分析， 主要影响因素有：材料方面，包括水泥品种、骨料和外加剂等；施工技术方面，包括成型方法、养护方式、碳化深度等；试验操作方面，包括测试方法、回弹方向、测试面、测试人员和仪器等。李志祥[3]、高航[4]分别对包头及合肥2个地区的测强曲线进行了研究和验证；王磊等[5]、王有宗[6]对回弹法和钻芯法检测劣化桥梁混凝土强度相关性进行了研究，钢筋锈后和长期服役混凝土回弹测强与钻芯取样测强存在正相关性，回弹测强稍小于钻芯取样获得的实际混凝土强度；章征等[7]对混凝土桥墩施工期水化热及表面抗裂影响因素进行了详细的研究；孙高飞[8]对混凝土回弹强度差异的原因分析与控制要点进行了详细研究；张戎令等[9]、李舟等[10]、周立霞[11]对特殊环境下养护方式对混凝土强度发展的影响进行了分析；舒志坚[12]详细分析了早期养护对混凝土早期强度的影响规律。而对大温差、干寒、强风戈壁地区不同养护方下混凝土桥墩回弹强度及试块强度的发展规律及差异性研究较少。因此，本文对不同养护方式下C35混凝土桥墩及同条件养护试块、标准养护试块抗压强度随龄期增长的发展规律进行了测试和研究，提出它们的历时变化曲线表达式，为正确指导检测混凝土构件强度提供参考。

2 试 验

2.1 工程背景

白明高速主线起点为内蒙与甘肃交界的白疙瘩，终点为甘肃与新疆交界的明水附近。BM01合同段起讫桩号：K1808+000—K1822+000，全长13.92 km，共设置大、中桥3座，涵洞14道，通道10处。设计采用高性能混凝土，设计年限100 a，标段内风速≥7 m/s，常年有强风，昼夜温差大，湿度常年低于30%。

2.2 原材料及配比分析

桥墩混凝土强度等级为C35，混凝土水灰比为0.40，水泥为P.Ⅱ 42.5，满足体积安定性要求，水泥实测性能指标见表1[13-14]；粗骨料最大粒径为31.5 mm，性能指标见表2；砂率为38%，细度模数为0.28，细骨料性能指标见表3；水质分析的各项指标均满足混凝土用水标准，具体指标见表4。配合比为水∶水泥∶细骨料∶粗骨料=0.40∶1∶1.73∶2.39，实测混凝土强度为44.43 MPa，坍落度120 mm[15-16]。

2.3 试验方案

(1)本文选择了3种养护方式——大气养护(YS)(拆模后进行洒水养护1 d，然后放置于戈壁地区不养护)、土工布包裹养护(YT)、橡塑板包裹养护(YX)对桥墩进行养护，YS,YT,YX 3种养护方式保湿保温效果逐渐增强。

(2)对不同养护方式下的混凝土桥墩在不同龄期(3，5，7，14，28，56 d)时进行强度回弹，每次回弹6组。对以上几个龄期的同条件试块和标准养护(BY)的试块进行强度测试，同时测试龄期28 d时的劈裂抗拉强度，记录强度变化规律。对不同养护方式下混凝土的强度变化规律进行公式拟合和验证。

(3)2016年4月，每种养护方式下每个龄期养护6块同条件试块，共制作156块试块。制作试验桥墩(柱式墩：高1.6 m，直径1.4 m)3个。

(4)2016年6—8月对其他标段实体桥墩进行了各种养护方式下回弹强度及试块强度的数据统计，此数据用于后期拟合公式验证。

2.4 试验方法

(1)强度测试方法：参与试验的各组混凝土试验桥墩都是根据表2—表4的原材料一次性制作而成。根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)测试混凝土桥墩强度。回弹强度采用《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》(JGJ/T 23—2011)统一测强曲线。

(2)所有试块及试验桥墩均养护14 d，养护结束后将所有试块及桥墩置于大温差、干寒戈壁环境中，而标准养护下的试块养护28 d。

(3)戈壁环境相关参数：大温差、干寒、强风气候环境，平均温度8 ℃，最低气温1 ℃，湿度<30%，平均风速>6 m/s。

表1 水泥性能指标Table 1 Cement performance indicators

表2 粗骨料性能指标Table 2 Coarse aggregate performance indicators

表3 细骨料性能指标Table 3 Fine aggregate performance indicators

表4 水的性能指标Table 4 Water performance indicators

3 试验结果及分析

3.1 试验结果

3.1.1 混凝土抗压强度

分析表5可知，BY与YS，YT，YX养护下的强度有较大的差异，而不同养护方式下回弹强度与试块强度存在较大的差异。以标准差及变异系数为参考可知，不同养护方式下混凝土强度收敛于龄期60 d左右。

表5 不同养护方式下混凝土各龄期抗压强度Table 5 Compressive strength of concrete at different ages cured by different methods

3.1.2 混凝土抗拉强度

混凝土劈裂抗拉强度与轴心抗拉强度的转化系数为0.9，因此轴心抗拉强度=劈裂抗拉强度×0.9。

根据表6可知，按照BY，YX，YT，YS的顺序，混凝土在龄期28 d时轴心抗拉强度逐渐减小，最大2.78 MPa，最小2.06 MPa，这与混凝土抗压强度的变化规律相似。以BY养护下的抗拉强度为基准，YX，YT，YS分别是它的91.3%，86.70%，74.10%。

表6混凝土28d龄期时的抗拉强度

Table6Tensilestrengthofconcreteat28dage

养护方式劈裂抗拉强度/MPa轴心抗拉强度/MPaBY3.092.78YX2.832.54YT2.682.41YS2.302.06

3.2 结果分析

3.2.1 抗压强度分析

分析图1可知，按照BY,YX,YT,YS的顺序，混凝土不同龄期的抗压强度逐渐减小，呈现出阶梯型变化。混凝土龄期3 d时，BY，YX，YT，YS的强度分别为32.15，28.98，27.72，24.55 MPa，从此数据可知混凝土在养护3 d时，龄期3 d时强度可达到标准养护28 d龄期时强度的70.14%，说明早期养护对于混凝土尤为重要，同时不同养护方式的优劣性在混凝土早期就可体现出来。混凝土28 d龄期时，BY，YX，YT，YS的强度分别为44.77，40.25，37.46，34.87 MPa，以BY养护下强度为基准，YX，YT，YS分别是它的89.90%，83.67%，77.89%。产生此现象的原因是，按照BY，YX，YT，YS的顺序，养护方式的保温保湿效果逐渐变差，导致早期混凝土水化程度不同，而且在养护结束后混凝土置放于大温差、干寒戈壁环境下会导致混凝土水化反应受到阻碍或者发生冻胀破坏。由于YS养护无任何保温保湿措施，因此受到大温差、干寒环境的影响更为严重，导致其在28 d龄期时强度小于标准强度。

图1混凝土抗压强度变化规律
Fig.1Curvesofconcrete’scompressivestrength

根据图2可知，YX，YT，YS养护下强度之间没有明显梯度变化，两者之间的差值处于3～9 MPa之间。但是，试块强度与回弹强度的差值随着龄期的增加不断减小，这就说明混凝土的强度越高，回弹的误差就越小，回弹值就越接近试块强度。从图2可知，除去龄期5 d及7 d时YS与YT这2个值的变化，可以发现养护方式越好，回弹强度与试块强度之间的差值就越小，这就说明回弹强度与养护方式优劣呈现正相关。混凝土龄期3 d时，YX，YT，YS养护下试块强度与回弹强度的差值分别为8.86，8.47，6.77 MPa。而龄期28 d时分别为5.29，4.63，3.82 MPa，分别比龄期3 d时减小了40.29%，45.55%，43.57%。

图2混凝土试块强度与回弹强度的差值
Fig.2Differencebetweenconcreteblockstrengthandreboundstrength

3.2.2 抗拉强度分析

混凝土的拉压比是混凝土抗裂性重要指标之一，拉压比越高，混凝土抗裂性越好。根据图3可知，按照BY，YX，YT，YS的顺序，混凝土的拉压比逐渐减小，说明按照上述顺序混凝土的抗裂性逐渐减弱。以BY养护下的拉压比为基准，YX，YT，YS分别是它的100.00%，98.43%，92.19%。这是因为按照BY，YX，YT，YS的顺序，养护方式的保温保湿效果逐渐减弱，从而导致混凝土早期受到外界环境的影响增大，早期可能出现各类收缩裂缝，甚至受到大温差的影响，使得混凝土发生冻胀破坏。

图3混凝土抗拉强度及拉压比
Fig.3Ratiooftensilestrengthtocompressivestrengthofconcrete

根据图1及图3可知，YT养护下的混凝土强度及拉压比明显高于YS，这是因为2种养护方式之间的保温性能存在差异性，使得混凝土在早期受到大温差的影响有所不同，导致其水化反应速度不同，因此强度存在差异。说明在大温差、干寒戈壁地区混凝土的保温养护对于保证其各项性能良好是非常重要的。

3.3 公式拟合

根据表5的数据，对不同养护方式下混凝土在不同龄期时的强度进行了曲线拟合，拟合模型选择对数变化形式，基本的数学模型为

y=c+dln(lnx)

。

(1)

对式(1)进行化简，得

y=a(ln(blnx))

。

(2)

式中：y为某个龄期下的混凝土强度(MPa)；x为混凝土龄期(d)；a，b，c，d为常数。

根据式(2)进行拟合，具体拟合的曲线及公式分别见图4和表7。

图4混凝土试块强度、回弹强度拟合曲线
Fig.4Fittedcurvesofblockstrengthandreboundstrengthofconcrete

根据表7可知，所有拟合公式相似度R2>0.950，因此所有强度拟合曲线均满足要求。

3.4 混凝土桥墩强度应用及误差分析

后期的强度数据是在其他施工标段搜集得到的，只搜集到龄期7 d及龄期28 d时不同养护方式下桥墩的回弹强度及试块强度，因此只选用了这2个龄期的强度进行了误差分析，具体数据见表8。

根据表8可知：BY养护下计算值与实际值的误差较其他养护要小，这是因为BY养护保湿保温效果相对稳定，因此混凝土强度的误差较小；最大相对误差为7.65%，最小相对误差为0.81%，说明曲线拟合的计算值与实测值的误差较小，因此可以使用拟合的曲线进行混凝土强度的预测和分析。

表7 不同养护方式下混凝土强度公式的相关参数(C35)Table 7 Parameters of C35 concrete strength formula under different curing methods

表8 试块强度、回弹强度的实际值与计算值的误差Table 8 Errors between actual values and calculated values

4 结 论

(1)大温差、干寒、强风的戈壁地区不同养护方式下混凝土桥墩回弹强度与试块强度的差值随着龄期的增加不断减小，说明混凝土的强度越高回弹的误差就越小，回弹值就越接近试块强度。同时，养护方式越好，试块强度与回弹强度的差值就越小，两者的差值处于3～9 MPa之间。

(2)本文得出了大温差、干寒、强风的戈壁地区自然养护、土工布养护、橡塑板养护、标准养护下混凝土试块及桥墩回弹强度变化的拟合曲线。经分析和验证，拟合曲线误差较小，可以用来预测混凝土强度的发展规律。同时，给出了不同养护方式下混凝土在龄期28 d时抗拉强度与抗压强度之间的转换系数，因此可利用公式计算的抗压强度来推算其抗拉强度。

(3)大温差、干寒、强风戈壁地区，按照自然养护、土工布养护、橡塑板养护、标准养护的顺序混凝土抗压强度逐渐增大，土工布养护、橡塑板养护、标准养护下28 d龄期时强度达到40 MPa，而自然养护小于标准强度35 MPa。

(4)大温差、干寒、强风戈壁地区，按照自然养护、土工布养护、橡塑板养护顺序混凝土，28 d龄期时抗拉强度逐渐增大，拉压比也逐渐增大，说明按照此顺序混凝土的抗裂性逐渐增强。

(编辑：罗 娟)