用于地下工程掺粉煤灰混凝土长龄期抗压强度计算的方法与流程

本发明涉及混凝土建筑工程设计计算、安全评价和服役寿命研究以及粉煤灰掺量影响研究
技术领域：
，具体的说是一种用于地下工程掺粉煤灰混凝土长龄期抗压强度计算的方法。
背景技术：
：地下工程近些年来高速发展，规模越来越大，结构也越来越复杂，对其安全性、寿命的要求也越来越高。在进行复杂结构设计计算、安全评价和服役寿命研究时，需要计算该工程混凝土全龄期抗压强度。混凝土全龄期抗压强度，可以通过一系列混凝土抗压试验获得若干龄期的试验值，对这些试验值统计分析获得全龄期抗压强度计算公式。这样做，全龄期抗压强度计算值精度高，但试验时间长、费用高，对于小型工程和大型工程的初步设计、施工过程实时优化是困难的，混凝土种类多的大型工程也是难以全面做到的。为此，朱伯芳院士针对地面大体积混凝土(对级配)通过大量室内试验提出了rc28计算的经验公式(见《大体积混凝土温度应力与温度控制》)和全龄期抗压强度计算公式：rc28＝arc28(c/w-b)(1)rc(τ)＝rc28[1+mln(τ/28)](2)式中：rc28—28d龄期混凝土的抗压强度，mpa；c-水泥用量，kg/m3；w-用水量，kg/m3；rc28-28d龄期水泥强度(软练法)，mpa；a、b-试验系数，见《大体积混凝土温度应力与温度控制》；rc(τ)—龄期τ的混凝土抗压强度，mpa；τ—龄期，d；m—系数，与水泥品种有关。系数m，推荐中国水利水电科学研究院的试验结果：矿渣硅酸盐水泥，m＝0.2471；普通硅酸盐水泥，m＝0.1727；普通硅酸盐水泥，掺60％粉煤灰，m＝0.3817。由于各工程中的水泥、砂石骨料、外加剂等差异极大，各有关规范对于混凝土大多是以28d龄期为设计龄期，为满足工程设计与施工基本要求，一般都会进行混凝土配合比优化和28d龄期抗压强度试验。现行《水工混凝土结构设计规范》推荐各种强度等级混凝土的标准值、试验值，并在附录中对应矿渣硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥推荐7d、60d、90d与28d强度关系的计算系数(表1)。表1混凝土不同龄期的抗压强度比值注：表中强度比值是以28d龄期强度为基础，适合c30以下混凝土，对于c30以上混凝土强度比值必须通过试验确定。近些年，围绕着地下工程对高强、抗冲耐磨、抗渗、抗冻、防裂等要求的高性能混凝土研制，混凝土性能不断改良优化。如高性能外加剂掺入混凝土用水量减少，强度提高，施工性能改善，使得以上式(1)计算rc28值误差增大；粉煤灰掺入，而且地下工程大多在10％～30％，使得混凝土全龄期抗压强度发展过程改变，上述式(2)推荐m值都不能再适用，表1中的比值也不再适用。而且表1只适合c30以下混凝土，地下工程特别是大型水电站的泄洪洞等大多是c30以上高强混凝土，有的甚至达到c70(小浪底泄洪洞)，表1完全不能适用。另外，地下工程中的机组蜗壳、岩锚梁、泄洪洞底板衬砌甚至边墙衬砌混凝土，为了减少施工期温度裂缝，尽可能采用泵送混凝土；而泄洪洞边顶拱等结构则大多采用泵送施工，级配少，水泥用量大，外加剂多，混凝土性能及其演变规律已经与泵送混凝土完全不一致。综合以上情况说明，目前全龄期抗压强度的计算方法，已经不能适合现代地下工程高性能混凝土抗压强度全龄期计算，不能满足设计计算、安全评价和服役寿命研究等需要，特别是掺粉煤灰及其不同粉煤灰掺量混凝土地下工程结构的设计计算、安全评价和服役寿命研究等，也不能反映区分泵送与泵送混凝土胶凝材料及其用量、外加剂等显著区别带来的影响。因此，迫切需要区别泵送、泵送类别，提出基于现代地下工程掺粉煤灰混凝土试验成果得出的新全龄期抗压强度计算公式和方法。技术实现要素：本发明克服了以上
背景技术：
部分所涉及的现有技术的不足，提供一种用于地下工程掺粉煤灰混凝土长龄期抗压强度计算的方法。考虑到现有技术的上述问题，根据本发明公开的一个方面，本发明采用以下技术方案：一种用于地下工程掺粉煤灰混凝土长龄期抗压强度计算的方法，包括：步骤一、分析计算确定掺粉煤灰混凝土设计龄期抗压强度；步骤二、获取掺粉煤灰混凝土28d龄期抗压强度；步骤三、计算掺粉煤灰混凝土全龄期抗压强度。为了更好地实现本发明，进一步的技术方案是：根据本发明的一个实施方案，所述步骤一为根据设计规范和粉煤灰混凝土性能试验成果，分析确定混凝土设计龄期抗压强度计算取值；或者，对于小型工程和没有进行混凝土性能试验的情况，根据地下工程具体结构部位设计混凝土强度等级和有关设计规范确定混凝土设计龄期抗压强度；对于有全面的设计指标性能试验的情况，根据试验成果和有关规范计算确定混凝土设计龄期抗压强度。根据本发明的另一个实施方案，所述步骤二计算掺粉煤灰混凝土28d龄期抗压强度：当混凝土设计龄期为28d时，混凝土28d龄期抗压强度rc28等于设计龄期抗压强度；当混凝土设计龄期为90d时，由式(3)计算rc28：rc90＝11.3515+(0.8568+0.0044α)rc28(3)式中，rc28和rc90为混凝土28d和90d龄期抗压强度，单位mpa；在只进行了混凝土7d龄期抗压强度试验的情况下，则按式(4)计算计算rc28：rc28＝5.7811+(1.0482+0.0102α)rc7(4)式中，rc7、rc28为混凝土7d、28d龄期抗压强度，单位mpa；α为混凝土中粉煤灰掺量与总胶凝材料的比值的百分数。本发明还可以是：根据本发明的另一个实施方案，所述步骤三计算掺粉煤灰混凝土全龄期抗压强度：是将龄期τ和28d混凝土的抗压强度rc28代入式(5)计算得到；式中：rc(τ)—龄期τ的混凝土抗压强度，mpa；rc28—龄期28d混凝土的抗压强度，mpa；α—混凝土中粉煤灰掺量与总胶凝材料的比值的百分数；τ—龄期，d。与现有技术相比，本发明的有益效果之一是：本发明的一种用于地下工程掺粉煤灰混凝土长龄期抗压强度计算的方法，其通过大量实际地下工程掺粉煤灰混凝土抗压强度试验成果的统计分析，能合理反映地下工程混凝土抗压强度与龄期的关系、典型龄期抗压强度之间的关系，以及粉煤灰掺量的影响，可以迅速高精度计算地下工程掺粉煤灰混凝土全龄期抗压强度，完全可以应用于实际工程设计计算、安全评价和服役寿命研究，以及粉煤灰掺量影响研究等，特别是初步设计和现场实时计算分析；且计算公式简单，使用方便。附图说明为了更清楚的说明本申请文件实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术的描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是对本申请文件中一些实施例的参考，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的情况下，还可以根据这些附图得到其它的附图。图1为地下电站机组蜗壳掺20％粉煤灰c25混凝土全龄期抗压强度曲线示意图。图2为地下电站机组蜗壳掺25％粉煤灰c25混凝土全龄期抗压强度曲线示意图。图3为泄洪洞衬砌不同粉煤灰掺量c9040泵送混凝土全龄期抗压强度曲线示意图。图4为地下工程混凝土抗压强度统计表。具体实施方式下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。为了解决上述
背景技术：
的问题，本发明以中国长江三峡集团公司组织开发建设的三峡永久船闸和右岸地下电站、溪洛渡水电站、向家坝水电站、白鹤滩水电站、乌东德水电站等特大型地下工程掺粉煤灰混凝土250余组试验结果为基础，采用如下技术方案进行研究。一种用于地下工程掺粉煤灰混凝土长龄期抗压强度计算的方法，包括如下步骤：(1)分析计算确定掺粉煤灰混凝土设计龄期抗压强度；(2)计算掺粉煤灰混凝土28d龄期抗压强度；(3)计算掺粉煤灰混凝土全龄期抗压强度。对于具体的地下工程(包括其全部结构部位)，设计人一般都要根据有关设计规范、建筑物的级别、运行期工程结构安全性和防渗、抗冻、抗侵蚀、抗冲耐磨等要求，确定具体结构部位混凝土的技术指标，包括设计龄期(大多28d，也有的是90d、180d)抗压强度和满足抗渗、抗冻、抗侵蚀、抗冲刷等耐久性要求。技术设计阶段，设计人或者是设计人主导委托专门科研人，还要对具体结构部位的混凝土，根据设计技术指标，采用工程原材料进行混凝土配合比优化，进行混凝土有关设计指标性能试验，推荐施工配合比。在施工过程中，施工单位一般再参考推荐施工配合比，进行28d抗压强度和施工性能试验，在28d抗压强度满足设计要求的前提下确定施工配合比。上述步骤(1)分析计算确定掺粉煤灰混凝土设计龄期抗压强度，是与设计人共同根据有关设计规范和混凝土性能试验成果，分析确定掺粉煤灰混凝土设计龄期抗压强度计算取值。对于小型工程和没有进行混凝土性能试验(如可研设计阶段)的情况，根据地下工程具体结构部位设计混凝土强度等级(包括设计龄期)和有关设计规范计算确定混凝土设计龄期抗压强度(由于抗压强度试验值都是标准立方体压缩试验值，因此该值可以取配置强度)；在有全面的设计指标性能试验的情况，根据试验成果和有关规范计算确定混凝土设计龄期抗压强度。在此之前，对于具体的地下工程(包括其全部结构部位)，设计人一般都要根据有关设计规范、建筑物的级别、运行期工程结构安全性和防渗、抗冻、抗冲耐磨等要求，确定具体结构部位粉煤灰混凝土的技术指标，包括设计龄期(大多28d，也有的是90d、180d)、抗压、抗渗、抗冻、抗冲耐磨等强度等级。技术设计阶段，设计人或者是设计人主导委托专门科研人，还要对具体结构部位的粉煤灰混凝土，根据设计技术指标，采用工程原材料进行混凝土配合比优化，进行混凝土有关设计指标性能试验，推荐施工配合比。在施工过程中，施工单位一般再参考推荐施工配合比，进行28d抗压强度和施工性能试验，在28d抗压强度满足设计要求的前提下确定施工配合比。上述步骤(2)计算掺粉煤灰混凝土28d龄期抗压强度，是根据步骤(1)计算确定的掺粉煤灰混凝土设计龄期抗压强度计算。当混凝土设计龄期为28d时，混凝土28d龄期抗压强度rc28等于设计龄期抗压强度；当有28d龄期抗压强度rc28试验值时，可以取28d龄期抗压强度rc28试验值；当混凝土设计龄期为90d时，由式(1)计算rc28；rc90＝11.3515+(0.8568+0.0044α)rc28(3)式中，rc28和rc90为混凝土28d和90d龄期抗压强度，单位mpa；α为混凝土中粉煤灰掺量与总胶凝材料比值的百分数。如果只进行了混凝土7d龄期抗压强度试验(如施工期)时，可以按式(2)计算计算rc28：rc28＝5.7811+(1.0482+0.0102α)rc7(4)式中，rc7、rc28为混凝土7d、28d龄期抗压强度，单位mpa；α为混凝土中粉煤灰掺量与总胶凝材料比值的百分数。上述步骤(3)计算掺粉煤灰混凝土全龄期抗压强度，是将龄期τ、28d掺粉煤灰混凝土的抗压强度rc28和混凝土中粉煤灰掺量α代入式(3)计算得到式中：rc(τ)—龄期τ的混凝土抗压强度，单位mpa；rc28—龄期28d混凝土的抗压强度，单位mpa；α-混凝土中粉煤灰掺量与总胶凝材料比值的百分数；τ—龄期，单位d。上述步骤(2)的式(3)、式(4和步骤(3)的式(5)根据如下列举的技术方案获得。中国长江三峡集团公司开发建设的三峡水利枢纽、溪洛渡水电站、向家坝水电站、白鹤滩水电站、乌东德水电站，在进行其中的特大型地下工程建设过程中，进行了250余组地下工程掺粉煤灰混凝土试验，抗压强度统计列于附图4所示表格。上述步骤(2)的式(3)掺粉煤灰混凝土90d龄期与28d龄期抗压强度关系，是对附图4所示表格的试验成果中掺粉煤灰混凝土90d龄期与28d龄期抗压强度进行线性统计(图1)分析获得的。上述步骤(2)的式(4)掺粉煤灰混凝土28d龄期与7d龄期抗压强度关系，是对附图4所示表格的试验成果中掺粉煤灰混凝土28d龄期与7d龄期抗压强度进行线性统计(图2)分析获得的。上述步骤(3)的式(5)掺粉煤灰混凝土抗压强度与龄期的关系，是将附图4所示表格的试验成果中掺粉煤灰混凝土7d、28d、90d、180d、360d龄期抗压强度，转化为rc/rc28与ln(τ/28)的关系进行线性统计(图3)分析获得的。实例1：水电站地下厂房岩壁吊车梁混凝土溪洛渡水电站地下厂房机组蜗壳最大宽度27.69m，蜗壳进口直径7.20m。蜗壳混凝土施工采取从下往上分层浇筑，浇筑层厚度约为1.50～2.0m，上升速度为0.3～0.5m/h。蜗壳混凝土设计考虑为28天二级配c25混凝土。可研设计阶段进行结构设计时，采用有限元法计算施工期至运行期各阶段动静力作用下的安全性，因此需要进行全龄期抗压强度的计算。(1)分析计算确定混凝土设计龄期抗压强度可研设计阶段，没有进行混凝土性能试验。根据《水电站设计规范》，地下电站机组蜗壳采用c25混凝土(设计龄期28d)。根据《水工混凝土试验规程(sl352-2006)》附录a，混凝土的配制强度fcu,0＝fcu,k+tσ(6)式中：fcu,0为混凝土的配制强度，mpa；fcu,k为设计龄期的设计抗压强度，mpa；t为保证率系数，由给定的保证率p选定；σ为混凝土抗压强度标准差，mpa。根据《水工混凝土结构设计规范》第4.1.2条:混凝土强度等级应按立方体抗压强度标准值确定，……,在28d龄期用标准试验方法测得的具有95％保证率的抗压强度。由《水工混凝土试验规程(sl352-2006)》表a.2.2，95％保证率的t值1.645；由表a.2.4查得c25混凝土抗压强度标准差4.0mpa。代入式(6)计算得混凝土的配制强度31.58mpa。所以混凝土28d设计龄期抗压强度为31.58mpa。(2)计算混凝土28d龄期抗压强度根据步骤(1)计算确定的混凝土28d设计龄期抗压强度为31.58mpa。当混凝土设计龄期为28d时，混凝土28d龄期抗压强度rc28等于设计龄期抗压强度31.58mpa。(3)计算混凝土全龄期抗压强度将龄期τ和28d混凝土的抗压强度31.58mpa以及混凝土中粉煤灰掺量α代入式(5)，即可计算溪洛渡水电站机组蜗壳c25掺粉煤灰混凝土全龄期抗压强度。考虑到后期进行了掺20％和25％粉煤灰混凝土抗压强度试验，计算掺20％和25％粉煤灰混凝土典型龄期抗压强度值列于表2、表3，全龄期抗压强度分别示于图1、图2。表1机组蜗壳c25掺粉煤灰混凝土典型龄期抗压强度单位：mpa表2机组蜗壳掺20％粉煤灰c25混凝土典型龄期抗压强度单位：mpa龄期(天)7289018036072010801440计算值22.9331.5838.8743.1947.5251.8454.3756.17试验平均值23.8833.744.4451.98误差(％)4.06.312.516.9修正计算值24.4733.7041.4846.0950.7155.3258.0259.94修正后误差-2.50.06.711.3表3机组蜗壳掺25％粉煤灰c25混凝土典型龄期抗压强度单位：mpa龄期(天)7289018036072010801440计算值22.6231.5839.1243.6048.0852.5655.1857.04试验值21.432.237.9误差(％)-5.71.9-3.2修正计算值23.0732.2039.8944.4649.0353.5956.2658.16修正后误差-7.80.0-5.3(4)误差分析在技术设计阶段，设计单位对机组蜗壳c25混凝土进行了配合比优化及其性能试验，粉煤灰掺量及其典型龄期抗压强度试验结果列于表4，同时将20％、25％不同粉煤灰掺量抗压强度示于图1和图2。表4地下电站机组蜗壳c25混凝土抗压强度试验结果根据图1和图2、比较表2～表4，抗压强度式(5)计算值和试验值误差，都是试验值大于计算值，最大误差16.5％。原因在于，可研设计阶段没有进行混凝土性能试验，取设计龄期的抗压强度等于配制强度(计算值)，而工程中为安全起见，实际配置混凝土的强度都大于计算配制强度，即试验强度大于计算配制强度。当然，这样取值计算混凝土全龄期抗压强度也是偏于安全的。如果采用28d龄期试验值代入式(5)计算混凝土全龄期抗压强度，则误差很小(见表2、表3修正值和修正后误差)，最大相对误差6.2％。误差分析结果表明，本发明方法是科学的，计算公式精度高，在采用规范推荐计算配制强度代入式(5)计算混凝土全龄期抗压强度，误差稍大些，偏于安全；采用28d龄期试验值代入式(5)计算混凝土全龄期抗压强度，精度高。实例2：泄洪洞衬砌混凝土某水电站为大(一)型，泄洪洞为ⅰ级建筑物。泄洪洞无压段衬砌混凝土设计强度等级为c9040混凝土。在进行衬砌结构衬砌运行期安全性计算分析时需要进行全龄期抗压强度的计算。(1)分析计算确定混凝土设计龄期抗压强度泄洪洞建成后需要相当长时间才投入使用，因而采用90d龄期设计，混凝土强度等级c9040。鉴于泄洪洞安全运行的重要性，在招标设计过程中进行了衬砌混凝土配合比优化和全面的设计指标性能试验，其中不同粉煤灰掺量c9040泵送混凝土抗压强度试验结果列于表5。根据试验成果计算确定混凝土设计龄期抗压强度时，对其中掺20％、25％粉煤灰两组有90d龄期抗压强度值的，混凝土90d设计龄期抗压强度直接取试验值48.7mpa、54.1mpa；对于掺30％粉煤灰只有7d、28d龄期抗压强度值的试验值，取28d龄期抗压强度试验值38mpa代入式(3)计算设计龄期抗压强度为48.93mpa。表5泄洪洞衬砌不同粉煤灰掺量c9040混凝土抗压强度试验结果(2)计算混凝土28d龄期抗压强度混凝土设计龄期为90d，对于其中掺20％、25％粉煤灰两组将90d设计龄期抗压强度48.7mpa、54.1mpa代入式(3)计算得28d龄期抗压强度分别为39.53mpa、44.22mpa；对于30％粉煤灰混凝土直接采用28d龄期抗压强度38mpa。(3)计算混凝土全龄期抗压强度将龄期τ、28d混凝土的抗压强度和对于粉煤灰掺量代入式(5)，即可计算溪洛渡泄洪洞不同粉煤灰掺量c9040泵送混凝土全龄期抗压强度，典型龄期抗压强度值列于表6，全龄期抗压强度示于图3。表6泄洪洞衬砌c9040混凝土典型龄期抗压强度单位：mpa龄期(天)728901803607201080144020％粉煤灰28.7039.5348.6554.0659.4864.8968.0670.3125％粉煤灰31.6844.2254.7861.0567.3373.6077.2779.8730％粉煤灰26.8538.047.3952.9658.5464.1167.3769.68(4)误差分析表4和图3结果表明，抗压强度式(5)计算值和试验值误差很小，最大误差6.3％。以上实例计算分析结果表明，本发明计算公式简单，能合理反映地下工程掺粉煤灰混凝土抗压强度与龄期的关系、典型龄期抗压强度之间的关系，以及粉煤灰掺量的影响，可以迅速高精度计算地下工程掺粉煤灰混凝土全龄期抗压强度，完全可以应用于实际工程设计计算、安全评价和服役寿命研究等，特别是初步设计和现场实时计算分析。本发明的保护范围并不限于地下工程掺粉煤灰混凝土全龄期抗压强度计算，通过适当调整和变形，完全可以在类似工程特别是地面工程结构中得到应用。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行某些公式结构的变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则发明的意图也包含这些改动和变形在内。本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属
技术领域：
的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。当前第1页12