高性能混凝土彈性模量與抗壓強度試驗研究

姚利郎

（山西省交通建設工程監理總公司，山西 太原 030012）

1 概述

在混凝土工程施工過程中，除了抗壓強度和坍落度為施工主要控制指標外，經常還要用到彈性模量指標，尤其跨度較大的預應力混凝土現澆結構，混凝土施加預應力時，通常要求進行抗壓強度和彈性模量雙參數控制?？箟簭姸仁腔炷敛牧系幕A力學指標，它與混凝土的抗折、抗彎拉、抗剪等力學性能密切相關，混凝土的強度分級即以抗壓強度為基準，是進行配合比設計的主要控制指標。彈性模量屬于混凝土重要的力學性能指標，其反映混凝土所受應力與所產生應變之間的關系。彈性模量是計算鋼筋混凝土結構變形、裂縫擴展和大體積混凝土溫度應力必須的參數之一。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，試驗證明高性能混凝土應力應變曲線，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欣诮Y構經受變形后復位，彈性極限是結構發生宏觀開裂的起點，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、環境溫度、齡期等條件影響，具有明顯的地域特征。現行主要技術標準及研究，多為28 d齡期混凝土材料成熟后的標準，而混凝土形成過程（早齡期）的力學性能研究相對欠缺。結合某寺溝口大橋現澆剛構工程的實施，通過試驗分析混凝土從混合料拌合到新型復合材料形成過程中力學性能指標抗壓強度和彈性模量的發展規律，以及齡期、環境溫濕度對力學性能發展的影響規律[3]。期望實現保證工程施工過程安全，提高混凝土的耐久性。

2 試驗方案

2.1 原材料、配合比及相關技術參數

a）水泥 威頓牌P.O 42.5級水泥，化學成分及物理性能見表1。

表1 水泥化學成分及物理力學性能

b）礦物摻合料 河津龍輝建材I級粉煤灰，山西誠盛建材S95級礦粉，具體指標見表2。

表2 礦物摻合料指標 %

c）砂 細度模數為2.82，Ⅱ區中砂，級配良好。

d）碎石 5～20 mm連續級配，其中5～10 mm摻量 30%，10～20 mm摻量 70%，壓碎指標為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，設計坍落度 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 試件組批數量

抗壓強度采用150×150×150立方體試件，彈性模量采用150×150×300棱柱體試件，根據混凝土質量檢驗評定標準，一個檢驗批樣本容量應為3組混凝土試件，試驗采用數理統計分析方法，統計樣本數一般不少于10個，結合混凝土施工檢驗一般為3個一組習慣，考慮試驗過程可能出現異常值需要剔除，本次試驗研究，每種方案抗壓強度制取3×4=12個試件，彈性模量制取3×（4+1）=15個試件，其中一組進行軸心抗壓強度試驗，確定彈性模量試驗加荷參數。

2.3 試件齡期及養護方式

齡期選用 3 d、5 d、7 d、28 d、56 d，養護方式選擇標準養護（溫度20℃±2℃，濕度RH95%）和現場養護（條件與結構所處理濕度相同）。

2.4 儀器設備選擇

壓力機為YAW-2000D紹興肯特全自動壓力試驗機，彈模試驗加荷設備采用WWE-1000E紹興肯特萬能材料試驗機，微變形測量裝置選用圓盤形。

2.5 混凝土靜力彈性模量試驗方法按公路水泥及水泥混凝土試驗規程（JTG E40—2005)試驗，過程要點

a）試驗試件中隨機取一組3個試件，試驗確定彈性模量試驗加荷參數。

b）千分表通過微變形裝置安裝在試件兩側的中線上并對稱于試件的兩端，調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。

c）均勻加荷至試驗應力，卸荷進行不少于兩個循環預壓，至前后變形差不大于0.000 02L(L=150 mm)，并驗證左右表變形相對誤差不大于20%。

d）均勻速率加荷至試驗應力，保持恒載60 s并在以后的30 s內記錄兩側千分表讀數，而后與加荷速率相同卸荷至基準應力0.5 MPa保持恒載60 s并在以后的30 s內記錄兩側千分表讀數。

e）移去變形測量裝置，進行試件軸心抗壓強度檢測。

3 試驗結果與分析

3.1 可疑數據判別

對于試驗樣本數較小的試驗數據，采用格拉布斯準則對可疑數據進行判別，剔除異常數值，試驗置信水平取P=1-α=1-0.05=0.95，顯著水平取α=0.05，試驗次數以n=10為基準，臨界值G（0.05，10）查表為2.176，樣本最大殘差滿足Vd＞k*σ，則對應數值判為異常值剔除，備用試件補齊，逐個剔除異常值。

3.2 試驗數據分析

a）標準養護抗壓強度、彈性模量試驗匯總與分析見表4。

表4 標準養護試件抗壓強度、彈性模量試驗匯總

b）秋冬季同條件抗壓強度、彈性模量試驗匯總與分析見表5。

試驗項目寺溝口大橋在山西河津市，試驗時間為 2013年 10月 24日—2013年 12月 19日，其3 d、5 d、7 d、28 d、56 d 齡期試驗時間分別為 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度、彈性模量試驗匯總

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度、彈性模量試驗匯總與分析見表6。

試驗在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 齡期試驗時間分別為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見圖2。

表6 春夏季同條件抗壓強度、彈性模量試驗匯總

圖2 4月20日—6月29日日平均氣溫曲線

4 試驗結論

a）高性能混凝土的抗壓強度和彈性模量隨齡期延長有增大趨勢，但在不同時段增長率不同。

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

c）7 d后抗壓強度和彈性模量可以達到其28 d標準值的90%以上，而3 d彈性模量可以達到28 d值的85%。由此對高性能混凝土的預應力雙控施工，應重點考慮抗壓強度。

d）高性能混凝土28 d彈性模量隨環境溫度、濕度條件不同，可以達到設計標準值的118%～126%，證明彈性模量安全儲備較高。