基于改进成熟度法的混凝土构件建筑成本优化研究

1  研究方法及内容

成熟度法基于混凝土强度与其水化温度相关的原理，假定混凝土试件在达到相同的成熟度指数时达到相同的强度，用于实时估计现场混凝土的强度变化，为确定拆模时间提供依据。本研究收集了我国天津市的天气数据，利用每月的日平均温度计算混凝土达到所需强度的时间。

采用成熟度法进行混凝土抗压强度计算前，提出以下假设：（1）结构内部的温度等于结构表面的温度；（2）楼板厚度为30 cm；（3）使用普通混凝土，水化热不会对计算结果产生显著影响。此外，统计了2021年天津市不同月份的温度和水泥类型条件下所需的拆模时间。同时，就不同水泥类型（包括普通硅酸盐水泥和快速硬化水泥）对成熟度法计算混凝土抗压强度的影响进行了定量分析。

1.1  天气数据收集

本研究所用的气象数据来自中国气象局，所呈现的数据是不同月份的平均极端日温度，如天津市1月份的最高平均气温为9.7℃（大约在下午4点），最低平均气温为2.6℃（大约在凌晨4点），这表明天津市1月份的平均气温在2.6℃到9.7℃之间变化。二次函数及等效拆模龄期计算如图1所示。

图1  二次函数及等效拆模龄期计算

1.2  基于成熟度法的抗压强度函数

1月份到5月份天津市的温度分布情况如图2所示。

图2  1月份到5月份天津市的温度分布情况

2  结果分析与讨论

函数系数和活化能值见表1。首先根据式（1）基于日温度变化及水泥类型计算出等效拆模龄期值，分别达到设计抗压强度的50 %、70 %、85 %所需的拆模龄期时间。同时，在施工现场测得实际环境下，混凝土分别达到设计抗压强度的50 %、70 %、85 %所需的拆模龄期值。

表1  函数系数和活化能值

分析结果表明，采用成熟度法可显著缩短拆模龄期。在实际拆模时，混凝土强度已达到设计强度的85 %，甚至远超85 %，满足了拆模要求，计算得出的拆模龄期能有效缩短工期，降低建筑成本。

气温较高时（如春天和夏天），实际施工按照GB 50870—2013《建筑施工安全技术统一规范》要求的拆模龄期大于本研究基于成熟度法计算得到的拆模龄期。在气温较低的冬季，有时实际施工按照规范要求的拆模龄期太短，混凝土强度还未满足强度要求，可能引起安全问题。因此，在低温环境下进行施工时，应当适当增加拆模龄期。

提高周围环境温度有利于混凝土的硬化。但值得注意的是，由于有些混凝土需要稍低的温度来释放水化热，在许多情况下，混凝土温度升高有可能会导致混凝土构件损伤。因此，对于在硬化过程中温度显著升高的混凝土，本研究提出的方法估计的拆模时间可能存在偏差，这在大体积混凝土结构中尤为明显。

此外，混凝土如果养护不当，湿度变化较大，同样会降低混凝土的强度。在低温环境下，混凝土中水化可能会发生完全滞留，不经过升温的特殊养护，混凝土结构达不到设计强度。因此，本研究提出的方法在计算拆模时间时，需要考虑低温环境的影响，选择合适的成熟度函数。

对于不同的水泥类型，分析表明，对于含快速硬化水泥的混凝土，可以更快地拆除模板，同时此时能够保证施工的安全性，降低时间成本。

因此，在气候较冷的时，可使用快速硬化水泥来缩短工期，节约建筑成本；在气候较暖时，可使用普通硅酸盐水泥，有效节约建筑成本。

3  结论

为了确定合理的拆模时间，优化建筑成本，基于反映混凝土构件的活化能对成熟度法进行了修改，同时，在不同的天气条件下，分别通过改进成熟度法确定了结构构件的温度及抗压强度，并得出以下结论。

（1）成熟度法可以预测出合理、安全的拆模龄期，为实际施工提供指导并有效控制建筑成本。

（2）在计算拆模龄期指导下，建议在气温较高时，适当缩短拆模龄期控制建筑成本。在低温环境下施工时，应适当增加拆模龄期，保证施工安全，或使用快速硬化水泥来缩短工期，节约建筑成本。

（3）对于含快速硬化水泥的混凝土，可以更快地拆除模板，降低时间成本的同时保证安全施工。在气候较暖时，可以使用普通硅酸盐水泥，在减小时间成本的前提下节约建筑成本。