在应用FIB模型规范的成熟度函数来预测含有掺合胶凝材料的自密实混凝土的强度时

时间:2026年2月7日
来源:Journal of Building Engineering

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该研究提出两种基于fib模型代码的方法来确定混凝土中SCMs的表观活化能,通过扩展s参数并引入温度与年龄的函数关系,改进了传统模型在高温养护下的预测精度,并验证了其在高强自密实混凝土中的应用有效性。

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阿伊曼·阿尔穆特拉卡(Ayman Almutlaqah)| 阿卜杜拉·阿尔沙赫拉尼(Abdullah Alshahrani)| 里卡多·马达莱纳(Riccardo Maddalena)| 西瓦库马尔·库拉塞加拉姆(Sivakumar Kulasegaram)
卡迪夫大学工程学院,英国卡迪夫,CF24 3AA

摘要

fib模型代码最初是为了根据混凝土的28天强度来估算其早期抗压强度而开发的。最近,它被用作一个成熟度函数,用于预测含有外加胶凝材料(SCMs)的混凝土在不同养护温度下的强度,这被称为fib模型代码的成熟度函数。然而,尽管之前的研究使用了不同的成熟度函数来计算表观活化能,fib模型代码只为所有材料指定了一个固定值(33.3 kJ/mol)。这一限制凸显了在fib模型代码框架内计算表观活化能的指导需求的必要性。
本研究提出了两种使用fib模型代码确定表观活化能的新方法。在第一种方法中,fib模型代码中的参数最初是基于水泥类型和强度等级的,现在扩展了其对混凝土强度的养护温度影响,从而能够计算表观活化能。在第二种方法中,表观活化能被表示为养护温度和混凝土龄期的函数。这些方法提高了fib模型代码成熟度函数在更广泛混凝土混合物中的可靠性和适用性。
所提出方法的可行性和准确性通过使用含有各种SCMs的高强度自密实混凝土(SCC)混合物进行了实验验证,并利用了已发表的数据。

引言

自密实混凝土(SCC)是一种高度可操作的混凝土,它可以在自身重量下流动并压实,无需振动,即使在钢筋密集的情况下也是如此[1]、[2]。其优异的流动性和结构性能使其在实践中得到越来越多的应用[1]、[3]、[4]。
然而,为了实现SCC的新鲜性能所需的较高粘合剂含量引发了人们对大体积构件中热量产生和温度升高的担忧[4]。为了解决这个问题并提高可持续性,通常会使用外加胶凝材料(SCMs)作为部分水泥替代品,以改善后期性能并减少环境影响[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。
就硬化状态而言,混凝土的抗压强度通常被视为其整体性能的指标,因为它与水泥水化的程度密切相关,并且经常用于估算其他机械性能[11]、[12]、[13]。早期强度的发展尤为重要,因为它决定了诸如模板拆除和加载等关键施工决策[14]、[15]。混凝土在早期阶段的强度增长速率受到多种参数的影响,如混凝土的组成、粘合剂类型、配比和添加的SCMs类型、外加剂以及养护温度[14]、[16]。在较高温度下养护的混凝土在早期会更快地获得强度,而低温则会延迟强度发展[17]。因此,在预测混凝土强度时应该考虑温度对早期强度提升的影响,以避免诸如Lew等人报告的失败情况[18],即在模板拆除时混凝土强度不足。
成熟度函数提供了一种经济且实用的方法,用于考虑时间和温度对强度发展的综合影响[19]。在这些方法中,混凝土的温度历史被转换为参考温度下的等效龄期,然后将其与强度相关联[19]、[20]。尽管大多数成熟度方程最初是为传统波特兰水泥混凝土校准的,但它们已成功用于描述在不同温度下含有外加胶凝材料的混凝土的强度发展[17]、[21]、[22]、[23]、[24]。随着混凝土技术的进步,包括自密实混凝土和其他特殊混合物的发展,已有几项研究应用和评估了基于成熟度的预测方法,无论是否含有SCMs[25]、[26]。 fib模型代码主要是为了建立标准温度(20°C)下养护的混凝土抗压强度与混凝土龄期之间的关系而引入的[27]。Vollpracht等人[28]后来通过引入阿伦尼乌斯型等效龄期,将这一表达式改编为成熟度函数,这里称为fib模型代码的成熟度函数。该模型已被证明能够合理地预测含有水泥、粒化高炉矿渣(GGBS)和粉煤灰(FA)的传统混凝土在不同养护温度下的强度发展,尤其是在早期阶段,尽管其准确性在后期会下降[28]。准确性的降低归因于高早期养护温度对后期强度的不利影响,这种现象被称为交叉效应,正如Verbeck之前所报告的[29]。此外,Soutsos等人[30]将fib表达式应用于含有高达70% GGBS作为水泥替代品的不同等级的混凝土,并得出结论,在早期阶段的预测是令人满意的。
尽管fib模型代码之前已被用作描述混凝土强度发展的成熟度函数,但这些研究中的表观活化能通常是从其他成熟度函数获得的。这种做法与建议不符,即用于强度估算的成熟度函数也应一致地用于确定相同混凝土的表观活化能[21]。这些限制凸显了需要一个基于fib的连贯程序来评估活化能的必要性。因此,为了提高fib模型代码成熟度函数的可靠性和适用性,本研究提出了一种直接从fib框架确定表观活化能的新方法,并试图将这种方法的有效性扩展到含有SCMs的高强度SCC。
本文的工作目的是为在fib模型代码框架内确定适当表观活化能值提供指导。研究表明,计算出的表观活化能可以区分不同胶凝系统在抗压强度发展方面的行为。此外,还提出了一种改进的基于fib的模型,以更准确地考虑养护温度对含有SCMs的高强度SCC强度发展的影响。

部分摘录

活化能

表观活化能被定义为克服引发化学反应所需的能量阈值[31]。当系统被加热时,分子的动能增加,更多的分子能够克服这一阈值。因此,反应速率随温度的升高而增加。阿伦尼乌斯提出了以下方程来描述反应速率随温度的变化[31]:
其中是在混凝土温度T(1天或下的恒定反应速率

材料和实验描述

使用了符合(EN 197-1) [52]要求的波特兰水泥(PC),其抗压强度等级为52.5 MPa(CEM I 52.5 N),以及外加胶凝材料,如粒化高炉矿渣(GGBS)、粉煤灰(FA)、稻壳灰(RHA)和硅灰(SF),它们的比重值分别为3.15、2.4、2.4、2.2和2.1。所使用的RHA具有高碳含量(即高灼烧损失指数)和蜂窝状颗粒结构;因此,它需要在400°C下进一步处理6小时

基于值的表观活化能

估算混凝土强度的第一步是计算表观活化能值。在这种提出的方法中,引入了值,用于在不同温度下养护的含有不同SCMs的混凝土,以确定表观活化能。如前所述,ASTM [19]和TPE [39]都要求确定阿伦尼乌斯图的斜率来定义活化能。这表明需要根据参数来确定

结论

fib模型代码最初是为了根据28天强度估算混凝土的早期抗压强度而引入的,后来扩展为成熟度函数。本研究进一步发展了该模型,以实现表观活化能的一致确定,并改善了含有SCMs的混凝土在不同养护温度下的强度预测。提出了两种不同的方法来确定fib模型代码内的表观活化能

CRediT作者贡献声明

阿卜杜拉·阿尔沙赫拉尼(Abdullah Alshahrani):调查、正式分析、数据整理。阿伊曼·阿尔穆特拉卡(Ayman Almutlaqah):撰写——初稿、可视化、验证、调查、正式分析、数据整理、概念化。西瓦库马尔·库拉塞加拉姆(Sivakumar Kulasegaram):撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、方法论。里卡多·马达莱纳(Riccardo Maddalena):撰写——审阅与编辑、监督、方法论

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