粉煤灰掺量对简化权重成熟度法预测准确性的影响

The Amount of Fly Ash Influence to Prediction Accuracy Using the Simplified Weighted Maturity Method

摘要: 本文结合东部过境高速公路连接线工程，应用简化权重成熟度预测粉煤灰混凝土早期抗压强度，研究表明，(预测值/实测值)均值1.00，变异系数6.5%，预测准确性高；在水胶比0.45和胶凝材料400 kg/m³固定的情况下，不同粉煤灰掺量的强度预测公式的斜率相同、截距不同，粉煤灰掺量每增加10%，截距减少5 MPa。

Abstract: In this paper, the early compressive strength of fly ash concrete is predicted in the Shenzhen east-ern transit expressway connecting line project, using the Simplified Weighted Maturity Method. The result of the study shows that: the mean value (predicted value/measured strength) is 1.00; the C.V is 6.5% and the prediction accuracy is high. Under the condition of W/B 0.45 and cementitious material 400 kg/m³, the slope of the strength prediction formula for different fly ash concrete is same and the intercept is different. When fly ash content increases 10%, the intercept reduces 5 MPa.

1. 前言

简化权重成熟度法基于荷兰权重成熟度法，为推广方便，紧密结合国内的标准和设备，进行了简化和改进。在前期研究中，通过温度测量简化前后的数据对比和C值验证，已证明了该方法简化的合理性[1] ；通过该方法在无掺合料的水泥混凝土 早期抗压强度预测的应用，表明预测准确性高。但简化成熟度法预测粉煤灰混凝土强度准确性如何，粉煤灰掺量与预测公式截距、斜率的关系，如何影响预测准确性，有待分析研究。如果获知粉煤灰掺量与简化权重成熟度法预测公式的内在规律，可以通过某一基准公式，在固定胶凝材料用量和水胶比情况下，根据粉煤灰掺量的不同进行修正，无疑将大大减少建立强度预测公式的工作量，对工程的简化权重成熟度法大规模应用具有现实意义。本文将结合东部过境高速公路连接线工程，针对上述问题进行研究。

2. 简化权重成熟度法[2]

简化权重成熟度法结合国内现有的标准，采用100 mm立方体试块，体积比较小，成型工作量小；利用现有的设备，不用增加新投资；无需实测硬化温度，直接按国外资料确定胶凝材料C值，可利用现有的历史数据，如商品混凝土的质量控制数据、施工中的混凝土温度记录等，简单方便。

主要方法流程包括：1) 成型5组共15块100 mm立方体试块，记录加水时间、成型时间和温度，其中2组55℃湿热养护在72 h内的6个不同龄期进行抗压试验。另外3组20℃喷雾养护，分别在1 d、3 d、5 d、7 d、10 d、14 d、21 d进行抗压试验。试块中心点温度无需实际测量。2) 根据混凝土中的硅酸盐水泥P.I占总胶凝材料的质量百分数，确定水泥的C值；质量百分数大于65%时，C值为1.3；50%~64%时，C值为1.4；35%~49%时，C值为1.5；20%~34%时，C值为1.6。3) 确定C值后，根据不同龄期和养护温度计算权重成熟度，进行回归分析，建立混凝土强度预测公式。4) 强度预测公式建立后，根据其应用及混凝土标准差确定安全值，得到校正后的公式。只要实测现场结构混凝土的同条件养护温度，根据某龄期内的温度历史，计算权重成熟度，代入预测公式即可预测该龄期的混凝土抗压强度。

3. 原材料与配合比

结合深圳市交通公用设施建设中心科研项目“东部过境高速公路连接线工程(隧道混凝土结构耐久性关键技术的研究与应用)”，采用深圳常用的混凝土原材料，主要性能：1) 广州珠江“粤秀”P. II 42.5R水泥，28 d抗压强度58.5 MPa；2) 粉煤灰，妈湾F类II级，细度24.7%，需水量比103%，烧失量1.39%，三氧化硫0.62%；3) 碎石，5~31.5 mm连续粒级，花岗岩，表观密度2640 kg/m³，松散堆积密度1410 kg/m³，空隙率47%，含泥量0.5%；4) 砂，细度模数为2.5，III区中砂，表观密度为2600 kg/m³，松散堆积密度1420 kg/m³，空隙率45%，含泥量2.6%，泥块含量1.0%；5) 外加剂：江苏博特的PCA^®(I)羧酸高性能减水剂，减水率均在30%以上。

混凝土配合比的胶凝材料总量固定为400 kg/m³，水胶比为0.45，粉煤灰掺量分别为0%、10%、20%、30%、40%，如表1所示。

4. 试验结果分析

根据原材料广州珠江“粤秀”牌P.II 42.5R硅酸盐水泥，其硅酸盐水泥P.I占水泥总质量百分数为95%，混凝土配合比的总胶凝材料中水泥和粉煤灰用量进行计算，得到混凝土的硅酸盐水泥P.I占总胶凝材料的质量百分数，确定TD-1~TD-4混凝土的C值为1.3，TD-5混凝土的C值为1.4。

按简化成熟度法，根据55℃湿热养护和20℃标准养护的抗压试验龄期计算权重成熟度，与对应的抗压强度进行回归分析，分别建立强度预测公式，如图1所示。

Table 1. Concrete mixtures (kg/m3)

表1. 混凝土配合比(kg/m³)

Figure 1. The simplified weighted maturity method regression analysis

图1. 混凝土的权重成熟度与抗压强度回归分析图

相同配合比的混凝土取样成型后，采用与施工现场条件完全相同的同条件养护，采用温度记录仪实测温度，温度和权重成熟度的对数随龄期的变化如图2~6所示。根据不同龄期内的温度记录计算的权重成熟度，代入强度预测公式计算强度预测值，并与相同龄期的实测抗压强度进行比较，如图7~11所示。TD-1混凝土的(预测值/实测值)平均值为1.04、变异系数5.4%；TD-2混凝土的(预测值/实测值)均值为1.02、变异系数8.4%；TD-3混凝土的(预测值/实测值)均值为1.01、变异系数2.7%；TD-4混凝土的(预测值/实测值)均值为1.01、变异系数4.9%；TD-5混凝土的(预测值/实测值)均值为0.94、变异系数6.8%。对TD-1~ TD-5混凝土的所有(预测值/实测值)进行统计，(预测值/实测值)均值1.00，变异系数6.5%，可见预测值与实测值相差很小，简化权重成熟度法预测粉煤灰混凝土准确性高。

Figure 2. Actual measurement temperature and weighted maturity under the same condition curing of TD-1

图2. TD-1混凝土同条件养护的温度和权重成熟度变化图

Figure 3. Actual measurement temperature and weighted maturity under the same condition curing of TD-2

图3. TD-2混凝土同条件养护的温度和权重成熟度变化图

Figure 4. Actual measurement temperature and weighted maturity under the same condition curing of TD-3

图4. TD-3混凝土同条件养护的温度和权重成熟度变化图

Figure 5. Actual measurement temperature and weighted maturity under the same condition curing of TD-4

图5. TD-4混凝土同条件养护的温度和权重成熟度变化图

Figure 6. Actual measurement temperature and weighted maturity under the same condition curing of TD-6

图6. TD-5混凝土同条件养护的温度和权重成熟度变化图

Figure 7. Predicted values and measured strength under the same condition curing of TD-1

图7. TD-1混凝土的同条件养护下实测值与预测值对比

Figure 8. Predicted values and measured strength under the same condition curing of TD-2

图8. TD-2混凝土的同条件养护下实测值与预测值对比

Figure 9. Predicted values and measured strength under the same condition curing of TD-3

图9. TD-3混凝土的同条件养护下实测值与预测值对比

Figure 10. Predicted and measured strength values under the same condition curing of TD-4

图10. TD-4混凝土的同条件养护下实测值与预测值对比

Figure 11. Predicted and measured strength values under the same condition curing of TD-5

图11. TD-5混凝土的同条件养护下实测值与预测值对比

由图1中分析，不同粉煤灰掺量的强度预测公式的斜率基本相同，只是截距不同。假设在水胶比0.45和胶凝材料400 kg/m³固定的情况下，不同粉煤灰掺量的强度预测公式的斜率相同、截距不同；粉煤灰掺量每增加10%，截距减少5 MPa。为证明该假设，对TD-1~TD-5的预测公式中的斜率求平均值，得到基准斜率26.944，并以粉煤灰掺量为0的截距−54.551为基准截距，即基准强度预测公式为f1 = 26.944 × lgM − 54.551。根据掺量修正截距，分别得到TD-1~TD-5的修正的强度预测公式(f2 = f1 − 5、f3 = f1 − 10、f4 = f1 − 15、f5 = f1 − 20)如图12所示。分别采用TD-1~TD-5同条件养护下的权重成熟度代入修正的强度预测公式，计算强度预测值，并与实测值进行比较，如表2所示。对表2所有5个混凝土配合比不分龄期的[预测值/实测值]进行计算，结果是均值为1.00、标准差为0.06、变异系数为6.4%，修正的强度预测公式的预测准确性高，证明了该假设成立；即在水胶比0.45和胶凝材料400 kg/m³固定的情况下，强度预测公式的斜率是固定值，与粉煤灰掺量无关，截距随粉煤灰掺量增加10%而减少5 MPa。

5. 结论

1) 简化权重成熟度法预测粉煤灰混凝土早期强度，(预测值/实测值)均值1.00，变异系数6.5%，准确性高。

Figure 12. The prediction formula of modified intercept

图12. 按粉煤灰掺量修正截距的抗压强度预测公式

Table 2. The (predicted value)/(measured strength) of modified intercept

表2. 截距修正后的[预测值/实测值]

2) 在水胶比0.45和胶凝材料400 kg/m³固定的情况下，不同粉煤灰掺量的强度预测公式的斜率相同、截距不同；粉煤灰掺量每增加10%，截距减少5 MPa。

基金项目

深圳市交通公用设施建设中心科研项目“东部过境高速公路连接线工程”(隧道混凝土结构耐久性关键技术的研究与应用)。