混凝土足尺实体结构模型与试块强度差异研究

王 明 王晓宣 李志强

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

0 引 言

混凝土作为一种人工材料至今诞生已经有上百年的历史了，其重要性也更加突显.目前无论什么类型建筑的施工都离不开混凝土的参与.所以保证混凝土结构的质量就显得尤为重要.我们一般通过测量混凝土强度作为判别结构质量好坏的一种方法.同时对混凝土强度的检验方式也有很多，目前根据检测对象的区分可以分为两大类.首先是在结构实体直接使用无损或者破损手段进行检测，比如使用回弹仪进行强度推定、芯样强度代表等方法.第二个就是借助压力机对试块进行破坏性试验从而获得抗压强度，虽然混凝土试块抗压强度的测定操作非常简单方便，但是有些人认为通过试块抗压强度代表对应的结构强度这种方法不是很认可，程亮[1]认为现场制作试块时可能会使用到处于调试阶段的混凝土，而且有些公司没有雇佣专门负责的专业技术人员进行试块制作以及前期养护阶段可能没有按期洒水这些都会对最终的强度产生影响.因此究竟哪一种方法获得的强度数据能够更好的反应其代表的构件的实际真实强度，同时它们之间的差异是否显著.

1 试块强度

1.1 标准养护强度

标准养护强度就是将试块放置于标准养护室内进行养护，养护条件控制在20 ℃左右，温度上下浮动不得超过2 ℃.湿度控制在95%以上的条件下.仅仅通过以上标养试块的养护条件我们就能清楚地看出来：结构实体与标养试块之间的差异.标养试块没有经过像实体结构的施工过程，比如混凝土的泵送浇筑，振捣成型以及模板的拆除，同时对于实际施工中各个构件的受力状态也无法进行比对.而这些都对最终成型的混凝土结构强度有着影响.试块最终的强度数据仅仅是反映了我们用来施工的商品砼拌合物的质量是否满足了我们实际的施工需要.

1.2 同条件养护强度

同条件指的就是将试块放置于与结构实体相同的养护条件下进行养护.这种方式相比标养试块因为与实体结构之间不同因素相应减少，所以使得同条件试块更加可信.

2 试验方案

2.1 原材料

试验所用到的原材料都是取自当地普遍使用的材料.

(1)水泥.

实验室用PO42.5普通硅酸盐水泥，其各项基本性质都符合GB175-2007标准的要求.

(2)粗骨料.

试验使用的是由卵石破碎为粒径5～25 mm的碎石作为粗骨料.

(3)细骨料.

试验采用的是河沙，其级配是Ⅱ区中砂.

(4)掺合料.

试验主要使用Ⅱ级粉煤灰.

(5)水.

试验使用当地的常用的饮用水.

2.2 试验设计

2.2.1 试件制作

该试验制作的结构模型高度为2.00 m，宽度2.00 m，顶板与侧墙的厚度分别为150 mm和200 mm.试验共设计了C20、C30、C50和C60共四个强度等级，均采用自然养护方式(如图1所示)，试验龄期为28～360 d,同时制作边长为150 mm的立方体试块，试块分为两种养护方式：标准养护以及同条件养护.

图1 混凝土足尺实体结构模型

2.2.2 实验设备

我们使用WHY-2000型压力机，其作用是进行抗压强度试验进而获得试块所代表的的抗压强度.

我们使用钻芯机钻取结构实体的芯样，获得的芯样将会再切割、打磨等工序通过压力机获得芯样抗压强度值.

2.2.3 强度试验

本试验旨在进行实体模型与试块之间的强度差异.本次试验统一钻取标准100 mm直径的芯样，各个等级模型在达到每个龄期后钻取3个芯样.其中芯样强度值可以通过压力机获得的压力值比上相应的受压截面积，这样我们就能够求得每个芯样的抗压强度.同样地立方体试块的强度也是通过以上的方法求得.

试验中的加载速度都按照规范要求进行，其中试块与芯样的破坏形式几乎都是呈典型的漏斗形式，这是我们最理想的状态.

3 试验分析

3.1 各种方法随龄期增长强度发展情况

从图2到图5四种强度下不同强度之间对比我们能够很容易的得出结论：随着养护时间的推移，无论哪种方式测得的强度都是呈现出渐渐增长的趋势.

图2C20下三种强度对比图3C50下三种强度对比

我们来看上面的四张图，在标养条件时强度变化趋势线相对平缓，这说明标养情况下试块强度后期强度增长缓慢.其原因可能是标养情况下，适宜的养护温度能够保证水化反应的进行，而过低的温度使得水化这一化学反应变缓甚至停止.同时水化离不开水的参与，95%以上的湿度保证了水分的持续供给，以上两个因素使得水化反应能够持续进行，使得试块的早期强度得以迅速增长，试块的强度能够很快的达到材料的设计强度，接下来的强度增长便会放缓因此就呈现图形所示的形状.

图4C30下三种强度对比图5C60下三种强度对比

芯样强度相比之下就变化很大，每段曲线斜率都比试块的图像要大.可能是存放同条件试块的现场环境较为恶劣，大风和高温都会使得混凝土表面水分的迅速流失影响水化反应的进行，所以试块强度增长较为缓慢从而达到的强度较低.

现场进行同条件试块的制作主要是有两个目的：首先我们通过对同条件试块的强度判断混凝土结构达到的实际强度.第二个就是检测目前结构已经达到设计强度的百分之多少，从而得知结构强度是否已经满足相关规范中的对支撑系统的拆除要求.如果实际过程中在为满足强度要求的情况下提早进行支撑系统的拆除，构件下表面可能会因为强度和刚度的不足产生裂缝.这对工程进度、工程质量以及材料周转费用都至关重要.

我们对单一强度条件下三种方式获得的强度进行对比研究.我们看到28天的养护阶段下，同条件与混凝土结构两者的强度值非常接近，同时在60天以内他们之间的强度差异并不明显，但是自从60天的龄期以后两者的强度开始逐渐产生差异，实体结构开始高于同条件试块，并且伴随试验强度等级越高两者之间的差异越大.同时我们在90天龄以下的实验中可以发现芯样的强度还是不如标养下的试块数值.

对于试块与结构两者之间的差异，我们首先排除粗细骨料以及配合比的影响，因为使用的是相同的原料进行的浇筑与制作.所以个人认为应该是材料中各种离子含量的因素产生的这样差异.

水化反应中需要用到3CaO·SiO2及C3AH6等矿物和Ca2+、OH-等离子.试块由于本身尺寸的因素限制，所以试块中的矿物和离子含量也会不如结构实体.而且在水化反应中3CaO·SiO2会参与早期的化学反应，只有3CaO·SiO2不足时2CaO·SiO2便会参与水化，但是其反应的速率不如3CaO·SiO2.而且结构中的3CaO·SiO2含量肯定远超试块，所以当试块消耗完3CaO·SiO2后，结构实体仍然是3CaO·SiO2参加反应，因此结构强度增长开始大于同条件试块.对于标养下的试块强度高于实体可能是因为以下原因造成的.很多施工现场在结构完成模板拆除后便可能不会再进行喷水湿润养护，而其所处的自然环境的温度与湿度都不利于水化反应的高效进行，而标养下的良好条件都使得水化反应持续进行，能够很好地促进强度增长.

4 结 论

我们通过前面的分析可以明显的看出结构实体同试块得出的强度两者之间还是存在着一定的差异.这种差异在28天龄期的时候我们可以基本忽略，所以实际情况下，我们可以使用试块强度近似的等同于结构实体的强度.但是一旦超过该龄期，试块与结构的差异还是很明显的，因此个人认为当超过该龄期之后建议使用相应的检验方法直接检验结构实体，力求检测结果的准确性.