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混凝土成熟度的原理与应用陈朝阳1刘松2（1.河北省建筑科学研究院；2.武汉理工大学）摘要：本文介绍了砼成熟度的概念，其发展过程及原理，阐述成熟度概念在施工中的应用方法，即用图表法或回归分析法求得养护温程（等效龄期）与砼可能达到的强度的关系曲线。同时提出在自然条件下，估算混凝土已达到的强度；对于不同养护温度情况下，可以用等效龄期表达出相当于20℃养护温度下的历时时间。关键词：成熟度度时积水泥水化砼强度等效龄期养护温程混凝土拌合物经振捣成型以后,在充分的保温养护之下逐渐硬化,其强度的增长既取决于它的内在因素又决定于外部条件。组成原材料的品质、比例是它的内在因素,而养护温度与硬化时间,则是它的外部条件。当某一种混凝土的原材料、组成比例为已知时,其强度的增长主要由温度与时间决定。因此,早在1951年,英国学者绍耳(A.Saul)就把二者的乘积称为成熟度（度时积）。他认为:一定配合比的砼,不管温度与时间如何组成,只要成熟度相等,其强度大致相同[1]。因此,对于一种已知的混凝土而言,可以根据它的养护历程——养护温度与硬化时间来估算砼已达到的强度。成熟度规则在工程实践中有重要意义,因为混凝土工程的施工和后续工序的安排,往往受混凝土强度发展的制约,尤其是在冬季施工时,施工人员需要及时了解混凝土强度的发展情况。例如当采用蓄热养护工艺时,混凝土冷却到0℃前是否已具有足够的早期抗冻能力；当采用人工加热养护时,在停止加热前混凝土是否已达到稳定的强度；当采用综合养护时,混凝土的预养时间是否足够等。施工现场留置同条件试件作抗压强度试验,固然可以解决一部分问题,但由于施工的变化等原因所做的试件很难与结构保持完全相同的强度,如果采样不当时,其代表性就较差,又由于模板未拆,也不能使用任何非破损方法进行测试,相比之下,运用成熟度规则来估算强度,是一种方便有效的方法[2]。1﹑成熟度原理、表达式的提出与发展经过国内外大量学者的长期研究和工程实践证明了绍耳(A.Saul)成熟度概念的正确性。GeertDeSchutter[3]等人通过化学热力学、数学模型的方法证明了水泥水化程度与硅酸盐水泥成熟度的概念等价，水泥水化程度是最基本的方法，但对于硅酸盐水泥来说，水泥成熟度和水泥水化程度预测混凝土强度是同效的，为成熟度概念的提供了理论依据。H.Kada-Benameur、E.WirquinB.Duthoit.[4]等人对硅酸盐水泥的水化热进行了详细的研究，提出了不同温度下的活化能。DoctorofPhilosophy[5]在其博士论文中也对水泥水化程度与水泥成熟度间的关系做了详细的论述。1.1绍耳成熟度公式从50年代初期以来，先后发表了许多有关温度与时间关系的不同的砼成熟度的公式，从1970~1971年大多数成熟度公式都由迈尔浩亚搜集并整理成书，贝尔也曾试验过四参数成熟度公式。1953年,SG、Bergstrom与Ngkanen按照Saul等人的成熟度概念,对一系列抗压强试验的结果进行了归纳之后得出下式[1]：M=Σ(ti+10)at(1)式中：M—成熟度(℃h)；t—养护温度(℃)；at—温度为t的持续养护时间(h)；图1.绍耳(A.Saul)成熟度规则的示意图1.2阿累尼乌斯成熟度公式贝夫在瑞典所进行的试验指出：在低温养护条件下，绍耳公式对砼成熟度的描述是十分有限的。1960年,L.E.Copetanol等人提出,可根据水泥的水化程度来表达混凝土的成熟度,费斯本—汉森和彼得森建议使用公式（2）来计算砼成熟度[2]。tRTEkMk)exp(−=（2）式中：Tk—砼养护的开尔文温度（K）；E—水泥活化能，R—气体常数；k—常数；t—温度Tk为的持续养护时间(h)。它建立在阿累尼乌斯热力学基础上，这个公式对砼的养护温度适应范围为-10℃~80℃。砼中水泥水化是一个放热反应，阿累尼乌斯公式考虑了水泥水化过程中的活化能的作用。既然水化为放热反应，则每一个温度都对应一个稍有不同的活化能E。当然，不同型号的水泥，组成不同，活化能也不同。按照阿累尼乌斯公式，如果养护温度是常数，则：=20t20MtMT⋅综合公式（2）在T＝20℃时，M20=ktRE⋅−)293exp(因此t20＝[]tREkRTEkK⋅−−)293exp()exp(故tTREtK⋅−=12931(exp20或＝20tdtTREtK∫−0)12931(exp（3）公式（3）将砼的实际成熟度值转换成标准养护温度20℃下的等效龄期，即非标准养护温度下的砼试块达到一定的强度，如果该砼试块标准养护，达到相同强度时所须的时间。如果在取得水泥砼成熟度的数据的同时，得到相应成熟度的砼试块的强度值就可以建立成熟度-强度曲线。大量文献研究了绍耳公式与阿累尼乌斯公式的准确性，研究表明：阿累尼乌斯公式计算出的砼成熟度－强度曲线分布比较集中，分散性小，特别是在低温情况下，而且阿氏公式在很大的温度范围内吻合性极好，而绍耳公式建议使用于相对温度较高的条件下[1]。但在实际施工中，由于使用绍耳公式相对方便，目前施工中大多数采用的是绍耳成熟度公式或其修正公式[6]。1.3修正后的绍耳成熟度公式由于绍耳成熟度公式在低温条件下，存在较大的误差，许多学者提出了对绍耳成熟度公式进行修正。我国于1986年首先由北京建工总公司组织研究，提出了综合蓄热法的成熟度计算公式，嗣后新疆建筑科研所对各种水泥、各种外加剂和各种施工工艺条件下的成熟度进行研究，发现不管具体条件如何，混凝土均有一个统一的、通用的成熟度规则，但适用范围有所区别。在我国JGJ104－97中采用的成熟度公式为[7]：正温养护条件下：M=Σ(t+10)at（不掺防冻剂）（4）负温养护条件下：M=ΣK(t+15)at（掺防冻剂）（5）式中：M—成熟度(℃h)；t—养护温度(℃)；at—温度为t的持续时间(h)；K—系数，其值随水泥的类型而定。规程还给出了利用成熟度推算强度的公式：Mbeaf−⋅=（6）式中：f—混凝土抗压强度（G/Pa）a，b—系数M—混凝土养护的成熟度（℃h）方光秀，李发千，郑文忠[8]等人经过多年试验和实践,引入了温度影响系数Ki、值，并提出新成熟度的概念，将绍耳成熟度公式修正如下：∑=+=NiiiiLtTKM1)10(（7）式中：—新成熟度（℃.d）LMiK—温度影响系数公式（7）亦即新成熟度的提出使绍耳的成熟度准则将再度在工程领域得以推广。在混凝土的养护和强度发展过程中，随着混凝土新成熟度ML的增长，其强度（通常指抗压强度）也将随之增强。李发千等人认为新成熟度是决定混凝土强度的唯一因素，新成熟度的计算非常便捷，其值是由混凝土的养护温度，养护温度影响系数，在养护温度下的养护时间三者的乘积再求和所得到的，它的前提是混凝土养护和强度的发展处于湿润环境。李崇景[9]等人还推出了普通硅酸盐水泥混凝土，矿渣硅酸盐水泥混凝土以及混凝土后期相对强度计算公式：普通硅酸盐水泥混凝土早期强度公式：331.01,76.10LcuMf=式中：—新成熟度，LMLM≤840（℃.d）—相对强度（某龄期强度与28d强度的百分比，公式以百分数计），f1,cuf1,cu≤100矿渣硅酸盐水泥混凝土早期强度公式：625.02487.1,LMfcu=式中符号同上，840（℃.d），LM≤2,fcu≤100如测得砼的早期强度，就可以实测早期强度推算28d强度，公式如下：对普通硅酸盐水泥混凝土有：）（，标准养护强度试块抗压强度，，%1280fcufdfcukcu=28d强度=331.0,2937.91,,−=LkcuMffcukfcu（8）对矿渣硅酸盐水泥混凝土有：28d强度=559.0,122.432,,−=LkcuMffcukfcu（9）2﹑成熟度应用方法据有关资料介绍,成熟度应用方法有以下几种：2.1测定成熟度曲线并预测早期强度混凝土成熟度曲线的早龄期阶段近似直线，已是国内外许多专家的共识[6]。因此通过建立的成熟度-强度曲线就可以预测混凝土的早期强度。2.2用于非破损测强（1）取实际使用的水泥，骨料和外加剂，按实际配合比（包括掺用外加剂配制成砼，按标准方法成型4组抗压试件,在20℃标准条件下养护,分别在龄期1d、2d、3d和7d时试压,得强度值f1、f2、f3、f7。然后选用以下任一方法建立龄期—强度曲线。郭志福、何金林[10]指出砼标养强度发展曲线是确定砼强度的标准，它必须符合施工条件，结果准确可靠[2、5]。A.图解法：在坐标纸上点上数据并连接成曲线,即得该种砼的成熟度—强度曲线。图2.成熟度－强度曲线B.计算法：将试验结果回归分析拟合成公式（6）或（8），（9）的曲线方程（2）根据实测砼的时间—温度关系(此温度可自定),用公式T=Σmt·at计算已达到强度的等效龄期,即相当于在20℃条件下的养护时间。式中：mt—温度为t的等效系数,其余符号同前。（3）根据等效龄期,可选用以下任一方法计算已获得的强度：A.图解法：在龄期—强度曲线上找到与等效龄期对应的点,查得强度值；图3.等价龄期－强度曲线B.计算法：将等效龄期值T代入拟合的龄期～强度曲线方程,算出强度值。以上几种方法中,方法(1)建立了温度为20℃养护制度的龄期与强度关系。方法(2)、(3)是实测不同温度建立的龄期与强度关系。但是,在实际施工中,温度为变量,不可能是一个定值,为此应用已建立的等效龄期概念,来推求由不同温度养护时间换算的相当于20℃下养护的等效时间(或龄期),即前述的T=Σmt*at，其中，mt可采用如下的经验公式求出。mt=0.273+0.0224t+0.00706t2[2]2.3用于砼冬期施工大量资料均将成熟度用于冬期施工中。因为可以用水泥砼成熟度来估算强度，在冬季施工中特别有用，所以国外均将此法列入有关规程。我国北京建工总公司，新疆建筑科研所对各种水泥、各种外加剂和各种施工工艺条件下的成熟度规则进行了大量的研究，并且还相继开发了成熟度的实地检测设备，如玻璃棒式成熟度计、智能型成熟度巡回检测仪等，美国james公司运用阿累尼乌斯公式原理开发出精度更高的成熟度测定仪，为成熟度规则运用于实际工程提供了技术手段。不论用仪器还是人工计算，通过成熟度可以测得各点的砼即时强度和构件总体的综合评定强度，随时掌握砼强度增长情况。对保证砼工程质量、加快工程进度、缩短工期、提高设备周转率，提高经济效益，具有很大的现实意义。3.结语总之，成熟度概念在水泥混凝土施工中具有重要的地位，尤其是在低温施工环境下和无损检测方面。但是成熟度公式还没有统一，至少在低温施工条件下，这说明虽然Saul的成熟度概念是正确的，但使用过程中有其经验与猜测性一面，而非解于纯理论公式。参考文献1.T.R.Naik冬季条件下养护混凝土的成熟度研究.低温建筑技术.1995第1期2.李恩阳.混凝土成熟度在施工中的应用.西北水资源与水工程.1996第七卷第四期3.GeertDeSchutter.Applicabilityofdegreeofhydrationconceptandmaturitymethodforthermo-visco-elasticbehaviourofearlyageconcrete.Cem.Concr.Comp.2004(26)437-4434.H.Kada-Benameur,E.WirquinB.Duthoit.Determinationofapparentactivationenergyofconcretebyisothermalcalorimetry.Cem.Concr.Comp.2000(30)301-3055.DoctorofPhilosophy.InvestigationoftheMaturityConceptasaNewQualityControl/QualityAssuranceMeasureforConcrete.May1998TheUniversityofTexasatAustin6.傅沛兴.冬期施工准确推测混凝土早期强度的方法.建筑技术.第23卷7.王怀春等.混凝土成熟度测定仪及其应用.低温建筑技术.1994第3期8