芻議新疆金三角地區(qū)嚴(yán)寒氣候?qū)炷羷?dòng)彈性模量的影響*

閆紅偉，院龍，張衛(wèi)華

（新疆應(yīng)用職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 奎屯 833200）

芻議新疆金三角地區(qū)嚴(yán)寒氣候?qū)炷羷?dòng)彈性模量的影響*

閆紅偉，院龍，張衛(wèi)華

（新疆應(yīng)用職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 奎屯 833200）

混凝土的動(dòng)彈性模量是混凝土的重要參數(shù)之一，是研究混凝土凍融破壞的主要指標(biāo)。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)混凝土彈性模量的研究對(duì)多集中在 28d 齡期。本文結(jié)合新疆金三角地區(qū)嚴(yán)寒氣候特點(diǎn)，研究了其混凝土在 28d 齡期后動(dòng)彈性模量的影響，為通過(guò)動(dòng)彈性模量的變化來(lái)研究結(jié)構(gòu)的安全準(zhǔn)備了理論基礎(chǔ)。

嚴(yán)寒氣候；動(dòng)彈性模量；研究

1 研究目的和意義

新疆地處我國(guó)西北邊陲，不但地域遼闊，擁有豐富的資源，還是重要的通道和戰(zhàn)略要地。特別是“一帶一路”發(fā)展戰(zhàn)略的提出，更是將新疆的交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和城鎮(zhèn)化建設(shè)帶入了黃金發(fā)展期。作為質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的建筑材料——混凝土成了最為廣泛使用的建筑材料，特別是在橋梁、涵洞、護(hù)坡、路緣石、硬化水渠等工程中都有大量應(yīng)用?，F(xiàn)有的關(guān)于凍融循環(huán)后混凝土性能的有關(guān)報(bào)道，多是混凝土試件齡期不超過(guò) 28d 的室內(nèi)凍融循環(huán)試驗(yàn)，且研究區(qū)域多是北方寒冷地區(qū)[1-3]，新疆雖說(shuō)屬于北方地區(qū)，但新疆有其自身的特點(diǎn)，如地域遼闊、氣候差異大。因此，現(xiàn)有混凝土凍融試驗(yàn)的研究對(duì)新疆各地缺少針對(duì)性和指導(dǎo)性。本文以混凝土的動(dòng)彈性模量為切入點(diǎn)，研究在新疆金三角地區(qū)，混凝土在 28d 齡期以后，嚴(yán)寒氣候?qū)炷羷?dòng)彈性模量的影響?？梢詮浹a(bǔ)學(xué)術(shù)研究在混凝土受凍融影響下 28d 齡期后的動(dòng)彈性模量變化的空白，能夠?yàn)橄乱徊酵ㄟ^(guò)動(dòng)彈性模量的變化來(lái)判定結(jié)構(gòu)的安全和預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的剩余安全使用年限準(zhǔn)備理論基礎(chǔ)。

2 試驗(yàn)方案

水泥采用新疆某企業(yè)生產(chǎn)的強(qiáng)度等級(jí)為 32.5 的復(fù)合硅酸鹽水泥；細(xì)骨料采用奎屯某砂場(chǎng)生產(chǎn)的機(jī)制砂，通過(guò)測(cè)定，細(xì)度模數(shù)在中砂范圍內(nèi)，石粉含量為 2.7%；粗骨料采用奎屯某采石場(chǎng)生產(chǎn)的河卵石，粒徑為 5～40mm，含泥量為 0.6%。

2.2 試驗(yàn)方法

試件混凝土強(qiáng)度等級(jí)為 C20，混凝土的配合比見(jiàn)表 1，混凝土試件的成型方法采用振動(dòng)臺(tái)法，試件形狀采用棱柱體，尺寸為 150mm×150mm×400mm。試驗(yàn)齡期為 28d、180d、365d，確保室外混凝土試件經(jīng)歷一個(gè)嚴(yán)寒的冬季，以此來(lái)研究嚴(yán)寒氣候?qū)炷羷?dòng)彈性模量增長(zhǎng)的影響。試件混凝土的制作采用單臥軸強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)制作，采用混凝土振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)成型，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù) 28d 后取出，根據(jù)文獻(xiàn)[4,5]中測(cè)定試件動(dòng)彈性模量的公式，即：

Ed＝13.244×10-4×WL3f2/a4

式中：Ed——混凝土動(dòng)彈性模量，MPa；

W——試件的質(zhì)量，kg，精確到 0.01kg；

L——試件的長(zhǎng)度，mm；

f——共振頻率，Hz；

a——正方形截面試件的邊長(zhǎng)，mm。

計(jì)算試件的動(dòng)彈性模量。試驗(yàn)用混凝土配合比見(jiàn)表 1。

2.1 原材料

表 1 試件混凝土的配合比

然后將該批試件分為兩部分，一部分置于室外，接受新疆金三角地區(qū)嚴(yán)寒氣候的影響；一部分置于室內(nèi)，避免接受金三角地區(qū)嚴(yán)寒氣候的影響，經(jīng)過(guò) 180d 和 365d，分別測(cè)定置于室內(nèi)和室外的混凝土試件的動(dòng)彈性模量，分析研究試驗(yàn)結(jié)果。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 室內(nèi)外混凝土試件動(dòng)彈性模量變化的試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)不同齡期和不同條件下的混凝土試件進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表 1 和表 2 所示，用帶直線和數(shù)據(jù)標(biāo)記的散點(diǎn)圖表示如圖 1 和圖 2 所示。

圖 1 室外混凝土試件在不同齡期時(shí)的動(dòng)彈性模量

圖 2 室內(nèi)混凝土試件在不同齡期時(shí)的動(dòng)彈性模量

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）從圖 1 可以看出，室外混凝土試件在 28d 齡期時(shí)，動(dòng)彈性模量平均值為 33.27GPa，測(cè)值中的最大值或最小值與平均值之差均不超過(guò)平均值的 15% 時(shí)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)有效，標(biāo)準(zhǔn)差為 1.83，離散程度小，說(shuō)明這一批混凝土試件的力學(xué)性質(zhì)相同；當(dāng)室外混凝土試件為 180d 齡期時(shí)，動(dòng)彈性模量平均值為 33.95GPa，標(biāo)準(zhǔn)差為 5.12，當(dāng)室外混凝土試件為 365d 齡期時(shí)，動(dòng)彈性模量平均值為 34.17GPa，標(biāo)準(zhǔn)差為 5.62，說(shuō)明這一批混凝土試件的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生比較大的波動(dòng)。結(jié)合新疆金三角地區(qū)夏季酷熱少雨、冬季嚴(yán)寒積雪較長(zhǎng)的氣候特點(diǎn)，這一批混凝土試件在室外經(jīng)歷一個(gè)完整的氣候周期的過(guò)程中，在溫度較高的階段，部分相對(duì)密實(shí)的混凝土試件（編號(hào)為 3、4、5、7、13、15）接觸到雨水或者冰雪融水后，混凝土動(dòng)彈性模量有了部分增長(zhǎng)，即使在嚴(yán)寒的冬季受到凍融后，動(dòng)彈性模量沒(méi)有降低或者有很小的降低，另一部分相對(duì)空隙較多的混凝土試件（編號(hào)為 1、6、8、9、10、11、12）即使接觸到雨水或者冰雪融水后，混凝土動(dòng)彈性模量有了部分增長(zhǎng)或者零增長(zhǎng)，但在嚴(yán)寒的冬季，受到凍融作用后，混凝土動(dòng)彈性模量有了較大的降低。

從圖 1 還可以看出，180d 齡期的混凝土試件動(dòng)彈性模量與 28d 齡期的混凝土試件動(dòng)彈性模量相比，有 60% 的試件動(dòng)彈性模量是降低的，365d 齡期的混凝土試件動(dòng)彈性模量與28d 齡期的混凝土試件動(dòng)彈性模量相比，有 60% 的試件動(dòng)彈性模量是降低的，365d 齡期的混凝土試件動(dòng)彈性模量與 180d齡期的混凝土試件動(dòng)彈性模量相比，有 66.7% 的試件動(dòng)彈性模量是降低的，這說(shuō)明混凝土試件在室外受新疆金三角地區(qū)惡劣天氣的影響后，大部分試件的動(dòng)彈性模量是降低的，并且隨齡期的增長(zhǎng)而加劇。

（2）從圖 2 可以看出，當(dāng)室內(nèi)混凝土試件在 28d 齡期時(shí)，動(dòng)彈性模量平均值為 34.14GPa，測(cè)值中的最大值或最小值與平均值之差均不超過(guò)平均值的 15% 時(shí)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)有效，標(biāo)準(zhǔn)差為 0.84，離散程度小；當(dāng)室外混凝土試件為 180d 齡期時(shí)，動(dòng)彈性模量平均值為 34.77GPa，標(biāo)準(zhǔn)差為 1.15；當(dāng)室外混凝土試件為 365d 齡期時(shí)，動(dòng)彈性模量平均值為35.56GPa，標(biāo)準(zhǔn)差為 1.25；以上數(shù)據(jù)說(shuō)明這一批混凝土試件的力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定且在 28d 后隨之齡期增長(zhǎng)有非常小的增加，這是因?yàn)槭覂?nèi)混凝土試件動(dòng)彈性模量隨齡期仍有緩慢的增長(zhǎng)，又不受惡劣環(huán)境的侵蝕，故性質(zhì)穩(wěn)定。

表 1 室外混凝土試件在不同齡期時(shí)的動(dòng)彈性模量 GPa

表 2 室內(nèi)混凝土試件在不同齡期時(shí)的動(dòng)彈性模量 GPa

（3）由圖 1 和圖 2 可知，混凝土試件的動(dòng)彈性模量受惡劣天氣影響后會(huì)有較大的波動(dòng)，且 60% 混凝土試件的動(dòng)彈性模量會(huì)有降低，離散的程度隨齡期的增長(zhǎng)而嚴(yán)重。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)試驗(yàn)研究了新疆金三角地區(qū)嚴(yán)寒氣候?qū)炷猎?28d 齡期后動(dòng)彈性模量的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)混凝土不受該地區(qū)嚴(yán)寒氣候的影響時(shí)，它的動(dòng)彈性模量是有微小的增長(zhǎng)的，且離散程度很小，但當(dāng)混凝土受該地區(qū)嚴(yán)寒氣候影響后，大部分混凝土的動(dòng)彈性模量會(huì)降低，且隨著齡期的增長(zhǎng)而降低增加。通過(guò)試驗(yàn)可以預(yù)計(jì)，金三角地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)，受?chē)?yán)寒氣候多年作用以后，動(dòng)彈性模量會(huì)降低到危害結(jié)構(gòu)的安全，具體經(jīng)過(guò)多長(zhǎng)時(shí)間尚需更多的研究。

[1] 張士萍，鄧敏，唐明述．混凝土凍融循環(huán)破壞研究進(jìn)展[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008,26(6)∶ 990-993．

[2] 唐光普，劉西拉，施士升．凍融條件下混凝土破壞面演化模型研究[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006,5(12)∶ 2572-2578．

[3] 覃麗坤，宋玉普，陳浩然，等．凍融循環(huán)對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005,24(增刊)∶ 5048-5053．

[4] GB/T50082—2009．普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S]．

[5] JTG E30-2005．公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程[S]．

Discussion on the inf l uence of the cold climate on concrete dynamic modulus of elasticity in Golden Triangle Area of Xinjiang

Yan Hong Wei, Yuan Long, Zhang Weihua
(Xinjiang Vocation&Technical College of Application, Xinjiang Kuitun 833200)

Concrete dynamic elastic modulus is one of the important parameters of concrete, is the main index of concrete freeze-thaw damage. At present, the domestic study of concrete elastic modulus to the more concentrated in less than 28 d age stage, combining with the characteristics of cold climate in golden triangle area of xinjiang, this paper studied the age of concrete at 28 d after the inf l uence of dynamic elastic modulus, by the change of dynamic modulus of elasticity prepared theoretical basis to study the safety of the structure.

the cold climate; the dynamic modulus of elasticity; research

閆紅偉（1986—），男，新疆奎屯，碩士，主要從土木工程教學(xué)及研究。

新疆應(yīng)用職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：XYZY2015YJ006。

［通訊地址］新疆奎屯市北京西路 62 號(hào) 新疆應(yīng)用職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系（833200）