CN101975848A

CN101975848A - 评估混凝土强度的方法

Info

Publication number: CN101975848A
Application number: CN2010102526032A
Authority: CN
Inventors: 许永和; 廖晓敏; 周云; 鲁文嘉
Original assignee: Shanghai Construction Group Co Ltd
Current assignee: Shanghai Construction Group Co Ltd
Priority date: 2010-08-13
Filing date: 2010-08-13
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2030-08-13
Also published as: CN101975848B

Abstract

本发明提出一种评估混凝土强度的方法，在标准养护条件下，拟合混凝土试块强度与龄期的关系式。根据模拟施工现场的混凝土的温度历程对混凝土试块进行温度匹配养护，并实测其在多个测试龄期的实测强度。结合试算过程假设的活化能的参数值，根据测试龄期，计算等效龄期，再将等效龄期带入所拟合的强度与龄期关系式，得到计算强度值。利用最小二乘法计算实测强度与计算强度之间的误差，回归分析得到二者误差最小时的活化能的参数值。根据活化能的参数值和施工现场混凝土温度监测数据，施工现场的混凝土的强度值能够通过所拟合的关系式计算得到强度值。本发明的方法中对强度的评估考虑了材料的自身特性和使用环境，普适性提高。

Description

评估混凝土强度的方法

技术领域

本发明属于混凝土质量监测领域，涉及一种评估混凝土强度的方法。

背景技术

目前混凝土材料强度性能的现场评估主要采用同条件养护法。由于试件尺寸局限、人为操作等影响，在施工现场成型的混凝土抗压强度与实际混凝土构件行呀强度差异较大。特别是对于大体积混凝土而言，大体积混凝土内部最高温度可达60℃，甚至更高，高温持续时间长。因此，在大体积混凝土硬化早期，混凝土实质上是高温硬化过程，相当于“准蒸养”状态。就水泥水化速率与温度关系而言，温度越高水化反应速率越快，同样，温度高也使矿物掺合料的活性增加，大体积混凝土实际抗压强度远远高于同龄期同条件养护条件下的强度值。而采用超声回弹、钻芯取样等方法只在混凝土结构浇筑28天后才进行，属于事后评估，无法做到混凝土质量的实时监测，存在明显的不足。

混凝土的强度发展主要与材料本身及所处温、湿度条件、龄期等密切相关。1951年，英国学者绍耳首度提出了成熟度的概念，他认为当混凝土的原材料、配比确定时，强度的发展主要由温度及时间决定。只要成熟度相等，混凝土的强度大致相同，而这一理论也渐渐得到了混凝土领域内的普遍认同。

目前成熟度的计算方法，主要有绍耳公式法及等效龄期法。

1.绍耳(A.Saul)把时间与温度的乘积称为成熟度(度时积)。他提出了绍耳公式计算混凝土的成熟度：

M_(t)＝∑(T-T₀)×Δt

由于参数T₀取值固定，计算较为简单。但是Saul公式在实际应用中存在一些问题，其最大的缺陷是对材料的自身特性考虑不足，不同研究人员得出的T₀值差异较大，且该计算方法的适用温度范围较窄，预测精度较差。

2等效龄期法是在Arrhennius方程的基础上提出的，等效龄期t_e的计算公式如下：

t_{e} = {&Integral;}_{t_{0}}^{t} \exp [\frac{- E_{a}}{R} (\frac{1}{T} - \frac{1}{T_{s}})] dt,

其中，E_a为活化能，R为气体常数，值为8.3144J/(mol·K)，T为为时间段t₀到t内的平均温度，单位为K，T_s为基准温度，一般取标养温度20℃，即298K。等效龄期法将混凝土的强度增长看作是胶凝体系水化反应程度的体现，引入了活化能E_a的概念。不同于绍耳公式，它考虑了材料自身的特性，提高了强度评估的准确性，适用范围广。

从公式上看，温度历程获取后，成熟度的计算值取决于活化能E_a，因此确定E_a取值是等效龄期法评估的关键。美国材料与试验协会(ASTM)用成熟度法预测混凝土强度标准试验方法(C1074-04 Standard Practice for EstimatingConcrete Strength by the Maturity Method)中混凝土材料的E_a值确定是采用相应的砂浆试块在三种不同温度条件下(模拟预期工程混凝土内部达到的最高温度、最低温度及中间温度情况)进行恒温养护，比较试块在不同温度条件下的强度发展规律确定的。

总体上来说，等效龄期法较绍耳公式评估精度有所提高，但操作较为复杂，需要成型混凝土及砂浆试块，且砂浆在各养护温度下的凝结时间都需要分别测量，龄期的设置太过频繁，例如60℃养护时，砂浆试块的凝结时间较常温大大提前，因此其使用受到了很大的限制，可操作性不强。

发明内容

本发明针对现有技术存在的缺点，建立一种以等效龄期概念为基础，基于温度匹配和统计学的混凝土强度评估方法。该方法实验操作简单，评估精度高。

为了达到上述目的，一种评估混凝土强度的方法，其特征在于，包括如下具体步骤：

成型混凝土试块，混凝土试块与施工现场混凝土的配合比一致；

标准养护条件下，测试混凝土试块在1d，2d，3d，7d，14d，28d等龄期的强度，拟合混凝土试块的强度与龄期的关系式；

根据施工现场的条件，模拟施工现场的混凝土体心的温度历程；

根据温度历程，对混凝土试块进行温度匹配养护，并实测多个测试龄期混凝土试块的实测强度；

针对匹配养护条件下每个混凝土试块的测试龄期，采用公式

计算等效龄期，其中t_e为等效龄期，E_a为活化能，R为气体常数，T为时间段t₀到t内的平均温度，T_s为基准温度，298K；

根据所拟合的混凝土试块的强度与龄期的关系式，将混凝土试块等效龄期带入关系式，计算这些龄期的计算强度；

利用最小二乘法计算匹配养护条件下混凝土试块的每一测试龄期实测强度与计算强度之间的误差，回归分析得到实测强度与计算强度误差最小时的活化能的参数值；以及

对施工现场的混凝土进行温度监测，根据活化能的参数值，计算施工现场的混凝土的等效龄期，将等效龄期带入所拟合的强度与龄期的关系式中，计算混凝土的强度值，其中所拟合的强度与龄期的关系式中的活化能的参数值为回归分析得到的参数值。

进一步说，龄期与强度的关系式为：

f_{(t)} = f_{7 d} \exp {A {(1 - (\frac{7}{t}))}^{B}}

其中，f_(t)是龄期为t时混凝土的强度测试值；f_7d是7d龄期的强度测试值，t为龄期，A、B为拟合参数。

进一步说，拟合混凝土试块的强度与龄期的关系式的步骤，采用具有非线性拟合功能的软件来实现。

进一步说，软件为ORINGIN。

进一步说，模拟混凝土体心的温度历程的步骤中，使用有限元分析软件。

进一步说，其中有限元分析软件为MIDAS。

进一步说，施工现场的条件包括施工现场混凝土构件尺寸、混凝土材料组成、构件对流边界参数、外部环境条件及施工状况等情况。

进一步说，匹配养护条件下实测多个测试龄期混凝土试块的实测强度的步骤中，混凝土试块的强度测试龄期的选择遵照以下原则：

在所选择的测试龄期，混凝土强度不宜超过标准养护28天强度的60％；

测试龄期三个以上。

进一步说，回归分析活化能的参数值时，活化能的参数值取值范围为0kJ/mol～100kJ/mol。

本发明所提出的评估混凝土强度的方法的有益效果如下：

1就成熟度计算方法而言，采用温度匹配养护和统计分析方法，强度的评估充分考虑了材料的自身特性和使用环境，普适性大大提高。

2就实验过程而言，与ASTM标准相比，该方案只需要成型混凝土试块，且只需测试标养条件和匹配养护条件下试块相应龄期的抗压强度，不需要对凝结时间等项目进行检测，操作简单易行，可行性大大提高。

3就E_a的确定过程而言，由ASTM标准追求的繁琐的实验值向统计值转变，由此评估的混凝土强度更接近于实际，评估精度显著改善。

附图说明

图1为实施例中软件模拟的混凝土底板体心温度历程曲线。

图2为实施例中施工现场监测的混凝土的温度曲线。

图3为实施例中根据温度监测数据评估的混凝土强度预测曲线。

图4为本发明评估混凝土强度的方法的步骤流程图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

实施例1

某建筑工程基础底板大体积混凝土标号为C50，混凝土配合比见表1。底板厚度为6m，底面及顶面均为圆形，直径12.5m。春季施工，环境温度20℃，入模温度15℃。表面覆盖两层薄膜，2cm草袋。在混凝土底板中轴某部位进行温度监测，进行混凝土强度评估。

表1底板混凝土配合比

注：水泥为普通硅酸盐水泥(PO)42.5，粗骨料粒径5～25，外加剂为RP325。

图4为本发明评估混凝土强度的方法的步骤流程图。请参考图4，采用本方法混凝土的强度评估步骤如下：

步骤S401，标准养护条件下，拟合混凝土试块强度与龄期的关系式。

使用与实际工程配合比一致的混凝土试块，将之成型。

对混凝土试块采用标准养护，分别测试混凝土1天，2天，3天，7天，14天，28天龄期的强度f。

表1所述的混凝土的测试结果见表2。

表2抗压强度数据采集(单位：MPa)

根据测出的数据，以第7天的强度和龄期关系为基准，拟合强度与龄期关系曲线

在混凝土试块中，测得f_7d为7天龄期的强度值46.4MPa，从而能够得到拟合参数A＝0.636，拟合参数B＝0.615，则该实际工程混凝土所拟合的强度与龄期的关系式：

f_{(t)} = 46.4 \times \exp {0.636 \times (1 - {(\frac{7}{t})}^{0.615})} .

在上述的拟合步骤中，可以采用具有非线性拟合功能的软件，如ORINGIN等。

步骤S402，温度匹配养护条件下，确定混凝土试块活化能的参数值。

在该步骤中，包括以下子步骤：

首先，根据施工现场混凝土构件尺寸、混凝土材料组成，构件对流边界参数，外部环境条件及施工状况等，利用MIDAS等软件模拟混凝土体心7天内的温度历程，见图1。

其次，在实验室中，根据图1的温度历程匹配养护与实际工程混凝土一致的混凝土配合比的混凝土试块，并测试该温度历程下混凝土试块在1天、2天、3天龄期的实测强度f_实测。实测强度的数据见表3。

表3抗压强度数据采集(单位：MPa)

匹配养护的混凝土试块强度的测试龄期的选择遵照以下原则：1)在该龄期，混凝土试块强度不宜超过标准养护28d的强度的60％；2)测试龄期一般三个以上。如大体积混凝土测试龄期可选择1d，2d，3d三个龄期。

最后，利用统计学原理，在取值范围在0kJ/mol～100kJ/mol区间内回归分析得到活化能E_a参数值。具体步骤细分如下：

步骤一：针对以上选定的测试龄期，根据匹配养护温度历程，计算等效龄期，

计算公式如下：

t_{e} = {&Integral;}_{t_{0}}^{t} \exp [\frac{- E_{a}}{R} (\frac{1}{T} - \frac{1}{T_{s}})] dt,

t_e为等效龄期，E_a为活化能，R为气体常数，T为时间段t₀到t内的平均温度，T_s为基准温度，298K。该公式中所有的温度均为绝对温度。

步骤二：利用步骤S401所拟合的强度与等效龄期关系式

得到该龄期的强度计算值f_计算。

步骤三：采用最小二乘法计算每一测试龄期实测强度f_实测与f_计算之间的误差，回归分析得到各龄期f_实测与f_计算之间差的平方和最小的E_a，即得到f_实测与f_计算误差最小时的E_a。E_a的参数值用在所拟合的强度与龄期的关系式中。

例如表3所述的混凝土试验件，利用回归分析软件，试算其E_a结果为46.8kJ/mol。

步骤S403，施工现场强度评估。

对施工现场的混凝土中需要进行强度评估的部位进行温度监测。本实施例中的温度为测试了施工现场的混凝土底板中轴的某测点，温度曲线见图2，利用混凝土现场温度监测数据及步骤S402中确定的活化能E_a＝46.8kJ/mol，计算混凝土的等效龄期，计算公式：

t_{e} = {&Integral;}_{t_{0}}^{t} \exp [\frac{- E_{a}}{R} (\frac{1}{T} - \frac{1}{T_{s}})] dt,

再根据步骤S401拟合的强度与等效龄期关系式：推算出混凝土的强度值。该实施例等效龄期及强度数据如表4所示。将表4的数据绘出工程混凝土的强度预测图如图3所示。

表4现场温度监测数据及等效龄期、强度现场评估数据

时间/h	监测温度/℃	绝对温度/K	等效龄期/h	预测强度/MPa
					0	20.3	293.3	0	0
6	21.8	294.8	6.426059	0.8
					12	27.1	300.1	14.42395	5.0
18	35.7	308.7	26.74434	12.3
					24	45.5	318.5	47.93921	22.2
30	52.3	325.3	81.60845	32.5

36	58.9	331.9	129.7014	41.6
					42	62.8	335.8	192.6629	48.9
48	66.2	339.2	268.2187	54.4
					54	66.6	339.6	351.169	58.5
60	68.1	341.1	438.0495	61.6
					66	68.2	341.2	528.3659	64.0
72	68.5	341.5	619.5597	65.9

至此，本发明已经完整揭露了评估混凝土强度的方法，根据实验室模拟混凝土实体的温度历程匹配养护，并测量某测试龄期的混凝土的强度，从而能够得到等效龄期计算式，根据工程现场温度监测数据，计算被测部位混凝土的等效龄期，将之带入所拟合的强度与龄期关系式，即能够得到实际工程混凝土在某一时间的强度值。

与已知技术相比较，本发明具有以下优点：

1、就成熟度计算方法而言，采用温度匹配养护和统计分析方法，混凝土强度的评估充分考虑了材料的自身特性和使用环境，普适性大大提高。

2、就实验过程而言，与ASTM标准相比，本发明中的方法只需要成型混凝土试块，且只需测试标养条件和匹配养护条件下试块相应龄期的抗压强度，不需要对凝结时间等项目进行检测，操作简单易行，可行性大大提高。

3、就E_a的确定过程而言，由ASTM标准追求的繁琐的实验值向统计值转变，由此评估的混凝土强度更接近于实际，评估精度显著改善。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims

1.一种评估混凝土强度的方法，其特征在于，包括如下具体步骤：

成型混凝土试块，所述混凝土试块与施工现场混凝土的配合比一致；

标准养护条件下，测试所述混凝土试块在1d，2d，3d，7d，14d，28d等龄期的强度，拟合所述混凝土试块的强度与龄期的关系式；

根据所述温度历程，对所述混凝土试块进行温度匹配养护，并实测多个测试龄期所述混凝土试块的实测强度；

针对匹配养护条件下每个所述混凝土试块的测试龄期，采用公式

根据所拟合的混凝土试块的强度与龄期的关系式，将所述混凝土试块等效龄期带入所述关系式，计算这些龄期的计算强度；

利用最小二乘法计算匹配养护条件下所述混凝土试块的每一测试龄期所述实测强度与计算强度之间的误差，回归分析得到所述实测强度与计算强度误差最小时的活化能的参数值；以及

对施工现场的混凝土进行温度监测，根据所述活化能的参数值，计算施工现场的混凝土的等效龄期，将所述等效龄期带入所拟合的强度与龄期的关系式中，计算所述混凝土的强度值，其中所拟合的强度与龄期的关系式中的活化能的参数值为回归分析得到的参数值。

2.根据权利要求1所述的评估混凝土强度的方法，其特征在于，所述龄期与强度的关系式为：

f_{(t)} = f_{7 d} \exp {A (1 - {(\frac{7}{t})}^{B})}

3.根据权利要求1所述的评估混凝土强度的方法，其特征在于，所述拟合所述混凝土试块的强度与龄期的关系式的步骤，采用具有非线性拟合功能的软件来实现。

4.根据权利要求3所述的评估混凝土强度的方法，其特征在于，所述软件为ORINGIN。

5.根据权利要求1所述的评估混凝土强度的方法，其特征在于，所述模拟混凝土体心的温度历程的步骤中，使用有限元分析软件。

6.根据权利要求5所述的评估混凝土强度的方法，其特征在于，其中所述有限元分析软件为MIDAS。

7.根据权利要求1所述的评估混凝土强度的方法，其特征在于，所述施工现场的条件包括施工现场混凝土构件尺寸、混凝土材料组成、构件对流边界参数、外部环境条件及施工状况等情况。

8.根据权利要求1所述的评估混凝土强度的方法，其特征在于，匹配养护条件下实测多个测试龄期所述混凝土试块的实测强度的步骤中，所述混凝土试块的强度测试龄期的选择遵照以下原则：

测试龄期的个数为三个以上。

9.根据权利要求1所述的评估混凝土强度的方法，其特征在于，所述回归分析活化能的参数值时，所述活化能的参数值取值范围为0kJ/mol～100kJ/mol。