利用成熟度方法预测水泥混凝土路面的早期强度.pdf

公路交通技术2 0 1 2年 1 0月 第 5期T e c h n o l o g y o f Hi g h w a y a n d T r a n s p o r t O c t 2 0 1 2 N o 5 利用成熟 度方法预测水 泥混 凝土路面 的早期强 度 余概宁 ， 孙晓立 ( 1 广东省高速公路有限公司， 广州5 1 0 1 0 0 ； 2 广东华路交通科技有限公司，广州5 1 0 4 2 0 ) 摘要 ： 目前 国内关 于无损预测 水泥混凝土路 面早期 强度 的研 究成果较 少。成 熟度 方法是 一个预 测水 泥混凝 土路 面早期强度的无损试验方法， 然而在我国公路行业未得到有效应用。通过室内试验建立水泥混凝土的成熟度一 强度 曲线 ， 并通过该 曲线预测水 泥混凝土路面合适 的切缝 时机 和开放 交通 时 间。现 场试验 结果表 明， 成 熟度方 法可以较 好地预测水 泥混凝土路 面的早期 强度 ， 且对 于控制 水泥混凝土路 面的早期 裂缝 具有重要的X - 程 实用价值 。 关键词 ： 成熟度方法 ； 水泥混凝土路 面； 成熟度一 强度 曲线 ； 早期 强度 文章编号 ： 1 0 0 9 6 4 7 7 ( 2 0 1 2 ) 0 5 0 0 1 5 0 4 中图分类号 ： U 4 1 6 2 1 6 文 献标 识码 ： A Pr e d ic t i o n o f Ea r ly St r e n g t h o f Ce me n t Co n c r e t e P a v e me n t b y Me a n s o f Ma t u r i t y Me t h o d YU Ga i n i n g S UN Xi a o l i Abs t r a c t ：At p r e s e n t t h e r e a r e f e w r e s e a r c h a c h i e v e me n t s o n n o nd e s t r u c t i v e p r e d i c t i o n o f c e me n t c o nc r e t e p a v e me n t a t h o me Th e ma t u r i t y me t ho d i s a n o n d e s t ruc t i v e t e s t me t h o d f o r p r e d i c t i o n o f e a r l y s t a g e s t r e ng t h o f c e me n t c o nc r e t e p a v e me n t ，b ut h a s n o t be e n e f f e c t i v e l y a p p l i e d i n n a t i o n a l h i g h wa y i n d u s t T hi s pa p e r e s t a b l i s h e s ma t u r i y s t r e n g t h c u r v e o f c e me n t c o n c r e t e v i a i n do o r t e s t a nd p r e d i c t s p r o p e r s e a m c u t t i n g t i me o f c e me n t c o n c r e t e p a v e me n t a n d o p e n i n g t i me t o t r a ffi c v i a t h i s c u rv e S i t e t e s t r e s u l t s s h o w t ha t t h e ma t u r i t y me t h o d c a n b e t t e r pr e d i c t e a r l y s t a g e s t r e n g t h o f c e me n t c o n c r e t e p a v e me n t a n d e x hi bi t s i mpo r t a n t e ng i n e e rin g p r a c t i c a l v a l ue f o r c o n t r o l l i n g e a r l y c r a c ks o f c e me n t c o n c r e t e p a v e me n t Ke y wo r d s ：ma t u rit y me t h o d；e a r l y s t a g e s t r e n gth；ma t u ri t y s t r e n g t h c u r v e ；e a r l y s t r e n g t h 国外将水泥混凝土路面铺筑后 的前 7 2 h定义 为路面的“ 早期” ， 这是 因为路面摊铺后 7 2 h是路面 强度和应力发展的重要时段。在这一时段 ， 强度还 没有完全形成 ， 所 以最有可能产生早期裂缝。大量 研究指出， 如果路面不 出现早期裂缝 ， 则路面使用寿 命超过 3 0年的概率会显著提高。 科学确定切缝时机和开放交通时间是避免或减 少水泥混凝土路面早期裂缝的有效措施。切缝时间 如果过早 ， 切缝会使得水泥混凝土路面出现啃边 ； 反 之 ， 水泥混凝土路面会因为温度应力过 大而出现早 期裂缝 。J T G v 3 o -2 o o 3 ( 水泥混凝土路面施工技术 规范 采用 2 0 0温度小时来确定水 泥混凝 土路 面的 切缝时机。然而水泥混凝土路面早期强度 的增长除 了受环境温度 的影响 ， 还受水灰 比、 外加剂用量 、 风 力和环境湿度等影 响， 采 用温度小 时来确定切缝时 基金项 目： 广东 省交通 厅科技项 目( 2 0 1 0 0 4 0 0 3 ) 收稿 日期： 2 0 1 2 0 4 0 1 作者简介： 余概宁( 1 9 6 3 一 ) ， 男， 广东省吴川市人， 本科， 高工 机具有较强的经验性。 目前 ， 我 国对开放交通 时间 不够重视 ， 导致水泥混凝土路 面经常 由于开放交通 过早而产生微裂缝 ， 最终导致其出现早期破坏。 国内外对混凝土早期 强度进行 了大量研究 ， 比 较常用的方法就是成熟度方法。美 国在对混凝土性 能进行评价时 ， 就采用混凝 土的成熟度指数作为指 标。S HR P计划 中的# 2 0 0 6子项“ 混凝土路 面的温度 效应” 也采用成熟度 方法 ， 并编写 了相应计算机程 序 。该方法在我国建筑行业和水利行业应用较 为广泛 ， 并取得 了较好 的工程效果 。然而 ， 国内 对于成熟度方法预测水泥混凝土路面早期强度 的理 论研究较少 ， 因此研究水 泥混凝土路面成熟度和 弯拉强度之间的关系具有重要的工程应用价值 。本 文通过室 内试 验建立 水 泥混凝 土成熟 度 一 强度 曲 线 ， 并通过试验路现场检验成熟度 一 强度 曲线 的有 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 6 公路交通技术 2 0 1 2生 效性。结果表明， 在水泥混凝土路面施 工前预先建 立成熟度一 强度曲线 ， 可以较好地预坝 0 其早期强度 ， 且在此基础上通过理论分析确定其最佳切缝 时机和 开放交通时问。 1 成熟度理论简介 当某一种混凝土 的组成成分 已知时 ， 混凝土 的 强度增长主要取决 于混凝 土温度 与养护 时间。因 此 ， 英 国学 者 绍 尔 把 两 者 的 乘 积 定 义 为 成 熟 度 ( Ma t u r i t y ) J 。他认为 ， 一定配合 比的混凝土 ， 不管 温度与时间如何组合 ， 只要成熟度相等 ， 其强度也是 相等的。根据以上结论 ， 绍尔给出了以下公式来计 算混凝土的成熟度 ： = ( T T o ) A t 。 ( 1 ) 式中， 为成熟度 ， h ， 也称 为时 间一 温度 系数 ( ) ； A t 为养护时间间隔 ， h或 d ； T为养护时间问 隔 内混凝土的平均温度 ， ； T o 为基准温度 ， 。 是指水泥混凝 土强度不随龄期增长而增 长 的温度 ， 即水泥混凝 土内部水化反应 停止 的温度 。 根据 目前的研究表明 ， 一般在一 1 1 7一 1 0 6 o C， 通常取一 1 0 ， 由此公式 ( 1 ) 可表示为 ： M= ( T + 1 0 ) ( 2 ) 2成 熟度 理论 室 内试 验 利用成熟度理论预测水泥混凝土现场早期强度 前 ， 必须建立水泥混凝土成熟度 和强度之间 的有效 关系。笔者依托广东省阳江一 阳春高速公路工程项 目， 进行了水泥混凝土成熟度 的室 内试验 ， 并 根据室 内试验建立了水泥混凝土的成熟度一 强度曲线。 2 1 室 内试验方法 2 1 1取样 成熟度试验需进行多组混凝土试件的温度监测 和弯拉强度试验 ， 为 了保证试验结果 的准确性和试 件的均匀性 ， 采用拌和楼现场拌 和的水泥混凝土进 行成熟度室内试验。将拌和好 的水泥混凝土倒人弯 拉强度试验试模 中， 试模 尺寸为 1 5 0 m m 1 5 0 mm 6 0 0 m m， 并用振动台成型试件。 2 1 2 试件内部温度监测 为了测试不 同养 护时 间水 泥混凝土试 件 的温 度 ， 温度传感器 布置在抗折试 模 中部 。采用 X P 0 5 频率 ( 温度 ) 读 数仪收集不同时刻各温度传感 器的 温度数据 。本次试验在 3个试模中各布置 1 个温度 传感器 ， 水泥混凝土内部温度取 3个试件温度传感 器的平均值。 2 1 3 试 件 制作 为了建立水泥混凝 土成熟度 和早期强度 的关 系， 在不同养 护时间后进行试 件 的弯拉强度试 验。 试件共 5组 ， 其中 4组用于弯拉强度试验 ， 1 组用于 混凝土温度测试 ， 见表 1 。 表 1 成 熟度试验 的试 件 2 1 4 养护环境 混凝土的养护环境对试件强度 的影 响较大 ， 为 使室 内试验成熟度一 强度 曲线更接 近于施工现场实 际情况 ， 选择将混凝土试件在路面施工 现场进行养 生。试件成型后喷洒养护剂 ， 覆盖薄膜养生。 2 1 5成熟度一 强度曲线绘制 每隔 1 h测试和记 录混凝土试件温度 ， 采用公 式 ( 3 ) 计算不 同时刻试件的时间一 温度系数 ， 并根据 公式 ( 2 ) 进行求 和计算 ， 从而可 以得到不 同养 护龄 期混凝土试件的成熟度。按照表 1的养护龄期进行 试件的弯拉强度试验 ， 得到不同养护龄期试件 的弯 拉强度 ， 然后根据室内试验结果并通过 E X C E L L软 件绘制成熟度一 强度曲线。 ： ( + l 0 ) ( A g e 红 )。 ( 3 ) 式中， 为时 间一 温度系 数 ， 即成 熟度 ； T e m p 为 i 时刻时混凝土试件 的温度值 ； A g e 为 i 时刻的养护龄 期。 2 2 室 内试验结果 使用成熟度理论 预测水泥混凝 土路 面早期强 度 ， 关键是建立该水泥混凝土路面 的成熟度 一 强度 曲线。因为成熟度不是混凝土的特性 ， 成熟 度与混 凝土强度没有公 式化的理论关系 ， 只能根据室 内试 验结果进行 回归分析 。国外研究表 明， 当采用绍尔 公式计算成熟度时 ， 可采用对数模 型进行 回归 ， 即 R= a + b l o g ( )。 ( 4 ) 式 中， R为水泥混凝土 的弯拉强度 ， M P a ； 为绍 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第 5期 余概 宁， 等 ： 利用成熟度方法预测水泥混凝土路 面的早期强度 l 7 尔公式计算得 到不 同养护 龄期 的成熟度 ； a 、 b为 回 归系数 。 在试验 中， 每隔 1 h测试混凝土试件 的内部温 度 ， 然后根据公式( 3 ) 计算不 同时刻试 件的成熟度 ， 并在不同养护时间进行试件 的弯拉强度试验 ， 试验 结果见表 2 。 根据室 内试验结 果建立 成熟度 一 强度 曲线 ， 采 用公式( 4 ) 对试 件的成 熟度一 强度 曲线进行 回归分 析 ， 见图 1 。由图 1可知 ， 回归 曲线与成熟度一 强度 曲线 比较接近 ， 相关 系数 为 0 9 7 ， 回归 系数 a 、 b分 别为一 7 9 1 1和 3 6 1 5 。 3 成熟度理论现场试验 3 1 试 验 方 法 当实验室成熟度 一 强度 曲线 确定后 ， 并且现 场 测得水 泥混凝 土 路面 的成 熟度 数据 ， 即根据 公式 ( 4 ) 计算现场混凝土强度 。为得 到水泥混凝土路 面 现场的成熟度数据 ， 通过温度传感 器测试水泥混凝 土路面 内部温度 ， 并计算其不同时间间隔的成熟度 数据 。 为获得水泥混凝土路面内部 的温度数据 ， 在试 验路段布置了 2个观测点 ， 每个观测点设置 了 3个 温度传感器 ， 每隔 1 h测试水泥 混凝 土路 面的内部 温度。温度传感器布置 的位置非常关键 。为了客观 测试水泥混凝土路面的 内部温度 ， 首先将钢钎 打入 试验路段的水泥稳定基层 ， 然后将温度传感器 固定 在钢钎上 ， 高度为水泥混 凝土路 面的 中部位 置 ， 见 图 2 。 3 2试验结果 每隔 1 h测试水泥混凝 土路 面的内部温 度 ， 然 后通过公式( 3 ) 计算不同龄期水泥混凝 土路面 的成 熟度 ， 并根据公式 ( 4) 预测其 弯拉强度。为 了检验 回归公式的准确性 ， 在路面铺筑后不 同时间段对水 泥混凝土路面进行钻芯取样 ， 并送到工地实验室进 行劈裂试验 ， 成熟度测试结果和试验数据见表 3 。 根据表 3的试验数据建立试验路现场的成熟度 一 强度曲线 ， 并采用 公式 ( 4) 对该 曲线进行 回归分 析 ， 见图 3 。由图 3可知 ， 回归 曲线与成熟度 一 强度 曲线 比较接近 ， 相关 系数 为 0 9 9 ， 回归系数 a 、 b分 别为一 7 6 5和 3 6 2 。比较图 1和图 3可知 ， 室 内试 验和现场试验的回归公式较为接近。 表 2室内试验试件成熟度和弯拉强度 日 窆 越 暖 迥 2 3 4 l o g( )( h) 图 l 室 内成熟度 一 强度 曲线 图2 温度传感器布置 表 3 水 泥混凝土路面预测 强度和实测强度 比较 养护时间 d 成熟度 ( q c h ) 预测弯拉强度 M P a 实测劈裂强度 MP a 换算弯拉强度 MP a 0 5 1 2 3 6 81 7 1 39 91 2 73 4 9 4 00 6 2 2 3 3 3 46 4 5l 5 1 1 1 43 2 2 6 3 0 6 3 2 8 2 55 3 8 0 4 9 5 5 2 6 5 5 4 5 3 5 2 5 1 5 0 4 3 2 1 O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 8 公路交通技术 2 0 1 2年 日 皇 慧 扑 +实测曲线 一预测曲线 图 3 现场成熟度一 强度 曲线与 回归 曲线 4结论 1 )成熟度一 强度曲线的拟合 。 由图 1和图 3可知 ， 采用对数模型可 以较好拟 合水泥混凝土的成熟度 一 强度 曲线 。由现场试验和 室 内试验可知 ， 室 内试验 的拟合 曲线公式与现场试 验 的拟合曲线公式 比较接近 ， 说 明室 内试验确定 的 成熟度一 强度曲线可应用于实际工程中。采用室内 试验确定的指数模型可以较好地预测水泥混凝土路 面的早期强度。但对数模 型公式也存在明显缺点 ， 即随着混凝土成熟度 的增长， 混凝土的强度趋于无 限大， 这和实际情况不符。因此 ， 如果研究水泥混凝 土路面长期强度 的变化 ， 则需采用双曲线模 型或指 数模 型拟合成熟度一 强度曲线 ， 对数模型仅适用于 预测水泥混凝土路面的早期强度。 2 )室内试验和现场试验成熟度的差异 。 由表 2和表 3可知 ， 养护时间相同条件下 ， 水泥 混凝土路面现场的成熟度明显大于混凝土试件 的成 熟度 ， 这主要是 因为虽然试件是在施工现场养生 ， 但 由于水泥混凝 土板 的尺寸明显大于试件 的尺寸 ， 水 泥混凝土板 内聚集大量 在硬化过程 中产 生 的水化 热 ， 从而导致水泥混凝土路 面的内部温度明显高于 试件的内部温度 。 3 )预测强度和实测强度差异的原 因。 由表 2可知， 利用对数模型预测的水泥混凝土 路面弯拉强度与钻芯试件的换算弯拉强度 比较接 近 ， 但仍存在差异 ， 笔者认为造成差异 的主要原因为 以下 2点 。 ( 1 )本文根据 J T G F 3 0 -2 0 0 3 水 泥混凝土路 面施工技术规范 的经验公式将钻芯试件的劈 裂强 度换算为标准小梁试 件的弯拉强度 ， 由于经验公式 本身的局限性 ， 导致根据对数模 型预测弯拉强度和 钻芯试件的换算弯拉强度存在差异。 ( 2 )由图 1和图 3可知 ， 对数模 型虽然能较好 地预测水泥混凝土路面的早期强度 ， 相关系数较大 ， 但毕竟不能与实测结果完全 吻合 ， 从 而导致对数模 型预测的强度与实测结果存在差异。 4 )成熟度理论的实际应用前景 。 成熟度方法是一个预测水泥混凝土路面早期强 度 的较好无损试验方法。美 国非常重视成熟度理论 在水泥混凝 土路面 的应用 。美 国联 邦公路管 理署 ( F HWA) 规定路面开工前 ， 必须预先进行成熟度室 内试验 ， 并建 立成熟 度一 强度 曲线 。考 虑到施工 和 气候 的变异性 ， 必须定期根据实际情况对现有成熟 度一 强度 曲线进行修正。 成熟度一 强度 曲线 确定 以后 ， 通过专业分析 软 件 HI P E R P A V计算水泥混凝土 路面不 同时刻 的拉 应力 ， 在此基础上预测其最佳切缝 时机 和开放交通 时间。如果水泥混凝土路面的拉应力始终小于弯拉 强度 ， 则其不会 出现早期开裂 ； 反之 ， 水泥混凝土路 面将 出现早期开裂。 目前 ， 成熟度理论在我 国主要应 用于建筑和水 运行业 ， 而在公路行业的应用较少 ， 还未编制相关规 范和指南 。由本文研究可 知， 成熟度理论可 以较好 地预测水泥混凝土路面的早期强度 ， 本 文研究成果 如能应用于实际工程 ， 则对 于减少或避免水泥混凝 土路面早期开裂具有重要意义。 参 考 文 献 1 T a r t l n R N a i k Ma t u r i t y o f c o n c r e t e s ： i t s a p p l i c a t i o n a n d l i m i t a t i o n s ，A d v a n c e s i n C o n c r e t e T e c h n o l o g y Z Ot t a wa： CANMET， 1 9 92 2 T e r e n c e C H o l l a n d U s i n g t h e m a t u ri t y m e t h o d t o p r e d i c t c o n c r e t e s t r e n g t h J C o n c r e t e C o n s t r u c t i o n ， 1 9 8 7 ， 3 2 ( 1 0 ) ： 3 1 - 3 5 3 黄玉华， 刘松 混凝土成熟度的原理与应用 J 国 外建材科技， 2 0 0 4 ， 2 5 ( 6 ) ： 1 4 1 6 4 李崇景， 杨大海 新成熟度在推算混凝土2 8 d强度及工 程事故分析方面的应用 J 建筑施工， 2 0 0 3 ， 2 5 ( 2 ) ： 1 31 1 3 2 5 赵炜诚 ， 许志鸿， 孙家伟 预测水泥混凝土路面早期强 度的成熟度方法 J 华东公路， 2 0 0 4， 1 4 6 ： 4 2 4 5 6 P i n t o R C A， H o v e r K C A p p l i c a t i o n o f M a t u r i t y A p p r o a c h t o S e t t i n g T i m e s J A C I Ma t e ri a l s J o u r n a l ， 1 9 9 9， 9 6 ( 6 ) ： 6 8 6 6 9 1 7 张君， 祁锟 ， 张明华早龄期? 昆 凝土路面板非线性 温度场下温度应力 的计算 j 工程 力学， 2 0 0 7， 2 4 ( 1 1 ) ： 1 3 6 - 1 4 5 8 方光秀， 李发千 昆 凝土成熟度新论及新成熟度准则 应用 J 低温建筑技术 ， 2 0 0 2 ( 2 ) ： 2 - 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m