C55混凝土彈性模量與抗壓強度相關性試驗研究

趙翔宇

（山西省交通建設工程質(zhì)量檢測中心（有限公司），山西 太原 030006）

1 引言

在混凝土結構變形、裂縫研究計算以及大體積混凝土溫度應力計算中均需先獲得相應混凝土彈性模量。但抗壓強度超過40MPa時，按照日本建筑學會“鋼筋混凝土結構計算規(guī)范”的彈性模量表達式計算時，其值是下降的。利用美國ACI 363委員會研究成果抗壓強度為21~84MPa混凝土的彈性模量計算式，計算出的彈性模量與高強混凝土實際的彈性模量有很大差別[1]。使得混凝土彈性模量在設計和研究應用中變得至關重要，因此本文結合工程實例對C55混凝土彈性模量與抗壓強度相關性及其影響因素進行了系統(tǒng)的研究。

2 C55混凝土原材料及試驗方案

2.1 原材料

（1）水泥

采用P.Ⅱ52.5R水泥，其比表面積，3d,28d抗壓（抗折）強度，初、終凝時間等物理指標均滿足規(guī)范要求，主要性能見表1。

表1 水泥主要性能指標

（2）粗集料

采用5~10mm、10~20mm兩類碎石，其表觀密度為2.61g/cm3，壓碎值指標在3%~5%，篩分結果見表2。

表2 粗集料主要篩孔累計篩余

（3）細集料

含泥量小于等于2%，泥塊含量小于等于1%，細度模數(shù)為2.7，砂的主要指標見表3。

表3 細集料主要性能指標

（4）聚羧酸高性能減水劑

型號為NOF-A（見表4），各項指標均滿足《聚羧酸系高性能減水劑》（JG/T 223—2017）的要求[2]。

表4 聚羧酸高性能減水劑混凝土性能指標

2.2 C55混凝土試驗方案

C55混凝土采用項目批復的設計配合比，并經(jīng)生產(chǎn)配合比驗證，最終確定施工配合比，本文對C55混凝土在標準養(yǎng)生與同條件養(yǎng)生環(huán)境下的彈性模量與抗壓強度相關性進行試驗研究，共計12組試驗數(shù)據(jù)，驗證在混凝土達到28d強度后，通過標準試驗方法和試驗設備檢驗其強度的變化，從而建立數(shù)學回歸模型來驗證其變化規(guī)律，以對混凝土關鍵指標進行控制。

2.3 試驗方法

（1）試驗采用標準養(yǎng)生條件：溫度20℃±2，濕度不低于95%及同條件養(yǎng)生情況下，混凝土強度對應的混凝土彈性模量共計12組進行試驗[4]，設計配合比∶水泥∶砂∶大石∶小石∶水∶減水劑=486∶688∶789∶337∶142∶5.79，彈性模量設計值：不小于3.55×104MPa。

（2）水泥混凝土抗壓彈性模量、抗壓強度均采用標準方法進行試驗，試驗設備壓力機采用TYE-2000型，彈性模量試驗采用TM-2型混凝土彈性模量測定儀。試件符合《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》（JTG 3420—2020）T0551中表T0551-1的規(guī)定。試件每組在同條件制作和養(yǎng)護6根，其中3根用于測定棱柱體軸心抗壓強度，提出彈性模量試驗的加荷標準，另3根則進行彈性模量試驗[3]。

（3）混凝土彈性模量試驗需要注意的事項：試件從養(yǎng)護地點取出后，首先要把試件上下承壓板表面擦拭干凈；在測定混凝土彈性模量時，變形測量儀應安裝在試件兩側(cè)的中線上并對稱于試件的兩側(cè)；應仔細調(diào)整試件在壓力機上的位置，使其軸心與下壓板的中心線對準；混凝土抗壓彈性模量試驗在標準試驗下進行，以三根試件試驗結果的算術平均值為測定值，其判定嚴格按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》（JTG 3420—2020）T 0556-5.2條款執(zhí)行。

2.4 試驗數(shù)據(jù)分析

試驗采用兩種不同養(yǎng)護方法：標準養(yǎng)生和同條件養(yǎng)護方法。具體試驗數(shù)據(jù)見表5。

表5 C55混凝土彈性模量E與抗壓強度試驗結果

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)及其分布趨勢建立回歸擬合公式：y=9.0174x1.4374,R2=0.984（見圖1），回歸統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)見表6，概率輸出數(shù)據(jù)見表7。

圖1 直線擬合圖

表6 回歸統(tǒng)計數(shù)據(jù)

表7 概率輸出數(shù)據(jù)

從以上回歸數(shù)據(jù)分析，試驗回歸數(shù)學模型具有相關性，相關系數(shù)為0.982 9，擬合值為0.956 6，標準誤差為0.453 6，且從回歸數(shù)據(jù)分析得出，混凝土彈性模量與抗壓強度正相關，其在標準養(yǎng)生條件下混凝土強度值較同條件養(yǎng)生環(huán)境下高，同時混凝土彈性模量滿足設計要求，數(shù)據(jù)可靠，且概率百分比排位最大值達95.83%，大于設計的116.6%。分析得出同條件和標準養(yǎng)生條件影響因素：①在施工中同條件養(yǎng)生大多情況受主觀條件影響，使得試件在早期關鍵強度增長期間強度值離散，均衡值相對較差；②現(xiàn)場制件水平、混凝土均勻性較差，粗集料分配不均勻，導致試件強度偏低；③標準養(yǎng)生條件下試件早期強度水化熱均衡，強度增長較快，其值接近設計值，保證率較高；④試件在實驗室制作成型，其成型條件滿足規(guī)范要求，所以強度保證率較高。

2.5 水膠比對C55混凝土彈性模量的影響

在對混凝土彈性模量與抗壓強度相關性研究過程中，為更好地確定彈性模量在不同水膠比狀態(tài)下所表現(xiàn)的物理性能，本項目對水膠比在0.29~0.34范圍下[5]，對應的彈性模量進行定量研究，具體試驗數(shù)據(jù)見表8。

表8 不同水膠比對應混凝土彈性模量試驗結果

通過試驗數(shù)據(jù)說明，C55混凝土彈性模量與水膠比負相關，也就是水膠比越小，彈性模量值越大，反之，水膠比越大，彈性模量值越小。對于普通混凝土也會表現(xiàn)為這樣的反應機理。從混凝土的微觀結構分析其機理，硬化混凝土由水泥膠結漿體、骨料、界面過渡區(qū)3部分組成，而水泥膠結漿體主要由微觀分子及氣孔結構組成，而這些構造對混凝土的強度形成影響很大，特別是結構中水分子的排列起著至關重要的作用。

水膠比在實際施工中要嚴格控制，重點做好以下幾方面的工作：

（1）混凝土拌和（站）設備在使用前要通過有資質(zhì)的計量單位的計量認證，且計量認證周期（半年）不得超過規(guī)范之規(guī)定。

（2）實際施工中要嚴格按照批復的施工配合比組織施工，不得擅自更改配合比。

（3）嚴格控制混凝土配合比中外加劑的摻量和品種，不得隨意更改或更換品牌。

2.6 骨料對抗壓強度及彈性模量的影響

混凝土的抗壓強度主要受骨料及膠凝材料影響，混凝土初期強度主要來源于膠凝材料的強度增長，隨后強度主要由骨料的密實結構及骨料的自身強度來提供，而此時界面過渡區(qū)的影響會顯現(xiàn)出來，在這種作用的共同影響下，混凝土結構抗壓強度與骨料的含量不會成單一趨勢，而是由結構骨料、膠凝材料、界面過渡區(qū)三者決定。彈性模量值與骨料的含量成相關性，也就是說骨料含量越大，混凝土結構的彈性模量值越大，分析其原因主要是結構彈性模量主要來源于結構骨料的彈性模量的結果。

3 結論

綜上，可得以下研究結論：

（1）C55混凝土彈性模量與抗壓強度的冪函數(shù)線性相關，本試驗所采用的高強混凝土彈性模量與抗壓強度關系式表示為：y=9.0174x1.4374R2=0.9829；因此在工程實際應用中要加強混凝土強度的管理，提高其性能以確?；炷临|(zhì)量滿足設計要求，從而有效提高結構的剛度及耐久性。

（2）本試驗中混凝土水膠比大彈性模量小，反之亦然。

（3）骨料對混凝土結構的影響，對混凝土抗壓強度是多元性的，影響因素不是單一的，對于高性能混凝土而言，骨料含量越大，混凝土的彈性模量也越大。