高性能混凝土彈性模量與抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究

姚利郎

（山西省交通建設(shè)工程監(jiān)理總公司，山西 太原 030012）

1 概述

在混凝土工程施工過程中，除了抗壓強(qiáng)度和坍落度為施工主要控制指標(biāo)外，經(jīng)常還要用到彈性模量指標(biāo)，尤其跨度較大的預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，混凝土施加預(yù)應(yīng)力時(shí)，通常要求進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和彈性模量雙參數(shù)控制?？箟簭?qiáng)度是混凝土材料的基礎(chǔ)力學(xué)指標(biāo)，它與混凝土的抗折、抗彎拉、抗剪等力學(xué)性能密切相關(guān)，混凝土的強(qiáng)度分級(jí)即以抗壓強(qiáng)度為基準(zhǔn)，是進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)的主要控制指標(biāo)。彈性模量屬于混凝土重要的力學(xué)性能指標(biāo)，其反映混凝土所受應(yīng)力與所產(chǎn)生應(yīng)變之間的關(guān)系。彈性模量是計(jì)算鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)變形、裂縫擴(kuò)展和大體積混凝土溫度應(yīng)力必須的參數(shù)之一。普通混凝土屬于彈塑性材料，隨施加荷載的混凝土齡期不同，彈性模量隨之變化，試驗(yàn)證明高性能混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線，直至破壞幾乎為直線，其彈性極限比普通混凝土有大幅度提高[1]?；炷猎趶椥苑秶?，有利于結(jié)構(gòu)經(jīng)受變形后復(fù)位，彈性極限是結(jié)構(gòu)發(fā)生宏觀開裂的起點(diǎn)，高彈性范圍保證了混凝土的使用耐久性[2]。

混凝土的性能受到材料組成、環(huán)境溫度、齡期等條件影響，具有明顯的地域特征。現(xiàn)行主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及研究，多為28 d齡期混凝土材料成熟后的標(biāo)準(zhǔn)，而混凝土形成過程（早齡期）的力學(xué)性能研究相對(duì)欠缺。結(jié)合某寺溝口大橋現(xiàn)澆剛構(gòu)工程的實(shí)施，通過試驗(yàn)分析混凝土從混合料拌合到新型復(fù)合材料形成過程中力學(xué)性能指標(biāo)抗壓強(qiáng)度和彈性模量的發(fā)展規(guī)律，以及齡期、環(huán)境溫濕度對(duì)力學(xué)性能發(fā)展的影響規(guī)律[3]。期望實(shí)現(xiàn)保證工程施工過程安全，提高混凝土的耐久性。

2 試驗(yàn)方案

2.1 原材料、配合比及相關(guān)技術(shù)參數(shù)

a）水泥 威頓牌P.O 42.5級(jí)水泥，化學(xué)成分及物理性能見表1。

表1 水泥化學(xué)成分及物理力學(xué)性能

b）礦物摻合料 河津龍輝建材I級(jí)粉煤灰，山西誠(chéng)盛建材S95級(jí)礦粉，具體指標(biāo)見表2。

表2 礦物摻合料指標(biāo) %

c）砂 細(xì)度模數(shù)為2.82，Ⅱ區(qū)中砂，級(jí)配良好。

d）碎石 5～20 mm連續(xù)級(jí)配，其中5～10 mm摻量 30%，10～20 mm摻量 70%，壓碎指標(biāo)為19.4%。

e）外加劑 山西鐵力TL-A型聚羧酸高效減水劑，減水率28%。

f）混凝土配合比為 C50，設(shè)計(jì)坍落度 140～160 mm，入模坍落度160 mm，具體配合比見表3。

表3 C50混凝土配合比 kg

2.2 試件組批數(shù)量

抗壓強(qiáng)度采用150×150×150立方體試件，彈性模量采用150×150×300棱柱體試件，根據(jù)混凝土質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)檢驗(yàn)批樣本容量應(yīng)為3組混凝土試件，試驗(yàn)采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法，統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)一般不少于10個(gè)，結(jié)合混凝土施工檢驗(yàn)一般為3個(gè)一組習(xí)慣，考慮試驗(yàn)過程可能出現(xiàn)異常值需要剔除，本次試驗(yàn)研究，每種方案抗壓強(qiáng)度制取3×4=12個(gè)試件，彈性模量制取3×（4+1）=15個(gè)試件，其中一組進(jìn)行軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，確定彈性模量試驗(yàn)加荷參數(shù)。

2.3 試件齡期及養(yǎng)護(hù)方式

齡期選用 3 d、5 d、7 d、28 d、56 d，養(yǎng)護(hù)方式選擇標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)（溫度20℃±2℃，濕度RH95%）和現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)（條件與結(jié)構(gòu)所處理濕度相同）。

2.4 儀器設(shè)備選擇

壓力機(jī)為YAW-2000D紹興肯特全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)，彈模試驗(yàn)加荷設(shè)備采用WWE-1000E紹興肯特萬能材料試驗(yàn)機(jī)，微變形測(cè)量裝置選用圓盤形。

2.5 混凝土靜力彈性模量試驗(yàn)方法按公路水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程（JTG E40—2005)試驗(yàn)，過程要點(diǎn)

a）試驗(yàn)試件中隨機(jī)取一組3個(gè)試件，試驗(yàn)確定彈性模量試驗(yàn)加荷參數(shù)。

b）千分表通過微變形裝置安裝在試件兩側(cè)的中線上并對(duì)稱于試件的兩端，調(diào)整試件在壓力機(jī)上的位置，使其軸心與下壓板的中心線對(duì)準(zhǔn)。

c）均勻加荷至試驗(yàn)應(yīng)力，卸荷進(jìn)行不少于兩個(gè)循環(huán)預(yù)壓，至前后變形差不大于0.000 02L(L=150 mm)，并驗(yàn)證左右表變形相對(duì)誤差不大于20%。

d）均勻速率加荷至試驗(yàn)應(yīng)力，保持恒載60 s并在以后的30 s內(nèi)記錄兩側(cè)千分表讀數(shù)，而后與加荷速率相同卸荷至基準(zhǔn)應(yīng)力0.5 MPa保持恒載60 s并在以后的30 s內(nèi)記錄兩側(cè)千分表讀數(shù)。

e）移去變形測(cè)量裝置，進(jìn)行試件軸心抗壓強(qiáng)度檢測(cè)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 可疑數(shù)據(jù)判別

對(duì)于試驗(yàn)樣本數(shù)較小的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用格拉布斯準(zhǔn)則對(duì)可疑數(shù)據(jù)進(jìn)行判別，剔除異常數(shù)值，試驗(yàn)置信水平取P=1-α=1-0.05=0.95，顯著水平取α=0.05，試驗(yàn)次數(shù)以n=10為基準(zhǔn)，臨界值G（0.05，10）查表為2.176，樣本最大殘差滿足Vd＞k*σ，則對(duì)應(yīng)數(shù)值判為異常值剔除，備用試件補(bǔ)齊，逐個(gè)剔除異常值。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

a）標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)抗壓強(qiáng)度、彈性模量試驗(yàn)匯總與分析見表4。

表4 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件抗壓強(qiáng)度、彈性模量試驗(yàn)匯總

b）秋冬季同條件抗壓強(qiáng)度、彈性模量試驗(yàn)匯總與分析見表5。

試驗(yàn)項(xiàng)目寺溝口大橋在山西河津市，試驗(yàn)時(shí)間為 2013年 10月 24日—2013年 12月 19日，其3 d、5 d、7 d、28 d、56 d 齡期試驗(yàn)時(shí)間分別為 11 月1日—4日、11月18日—23日、11月1日—8日、10月24日—11月21日、10月24日—12月19日。期間日平均氣溫在0.5℃～16℃，日均氣溫平均值為7.2℃，空氣濕度為35%～45%。日平均氣溫變化曲線見圖1。

表5 秋冬季同條件抗壓強(qiáng)度、彈性模量試驗(yàn)匯總

圖1 10月24日—12月19日日平均氣溫曲線

c）春夏季同條件抗壓強(qiáng)度、彈性模量試驗(yàn)匯總與分析見表6。

試驗(yàn)在2014年4月20日—2014年6月29日期間完成，其中 3 d、5 d、7 d、28 d、56 d 齡期試驗(yàn)時(shí)間分別為4月20日—23日，4月20日—25日，5月12日—19日，5月12日—6月9日，5月4日—6月29日，期間日平均氣溫在14℃～30℃，日均氣溫平均值為22.9℃，空氣濕度為50%～60%。日平均氣溫變化趨勢(shì)見圖2。

表6 春夏季同條件抗壓強(qiáng)度、彈性模量試驗(yàn)匯總

圖2 4月20日—6月29日日平均氣溫曲線

4 試驗(yàn)結(jié)論

a）高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨齡期延長(zhǎng)有增大趨勢(shì)，但在不同時(shí)段增長(zhǎng)率不同。

b）在3 d之前的早齡期，彈性模量增長(zhǎng)率明顯大于抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率，7 d后彈性模量與抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率趨于一致。

c）7 d后抗壓強(qiáng)度和彈性模量可以達(dá)到其28 d標(biāo)準(zhǔn)值的90%以上，而3 d彈性模量可以達(dá)到28 d值的85%。由此對(duì)高性能混凝土的預(yù)應(yīng)力雙控施工，應(yīng)重點(diǎn)考慮抗壓強(qiáng)度。

d）高性能混凝土28 d彈性模量隨環(huán)境溫度、濕度條件不同，可以達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值的118%～126%，證明彈性模量安全儲(chǔ)備較高。