帶水準混凝土彈性模量測定裝置研制與應用

黃禮維

（中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066）

0 引言

在江習高速公路（重慶江津到貴州習水）的建設中，橋梁工程預制T梁和現澆箱梁均對混凝土彈性模量進行了設計要求，為3.45×104MPa，并且進行預應力張拉時彈性模量不小于設計值的90%。江習高速公路的預制T梁總設計量在2600多片，現澆箱梁也達到了500多聯，按照設計混凝土彈性模量試驗將達到6200多組（28d齡期和預應力張拉齡期各一組）以上，混凝土彈性模量試驗檢測頻率高、檢測過程復雜，耗時長，試件制作齡期28d后進行試驗，容易出現3個試件數據超過規范要求導致試驗結果無效，造成現場施工無檢測數據指導，導致施工成本增加和工期延長，所以如何快速精準檢測出混凝土彈性模量數據是進度控制關鍵點之一。為解決該問題，開發研制出帶水準混凝土彈性模量測定裝置，本文對結構與原理進行闡述，并介紹其使用方法。

1 混凝土彈性模量測試過程

混凝土彈性模量測試過程主要分為測軸心抗壓強度值、對中、調整、預壓、測試和再測軸心抗壓強度6個步驟：

（1）測試軸心抗壓強度用于計算后續加載值；

（2）在試件上劃線標記安裝基準線，將檢測裝置安裝于試件基準線上，水平安裝牢固后，對中放置于壓力機上；

（3）在壓力機上進行勻速加載讀取千分表初讀數及終讀數，計算初、終讀數超限則調整對中過程，重復上述步驟直至初、終讀數符合要求；

（4）按照勻速加載的速率進行預壓，預壓不少于2次；

（5）開始測試試驗，在預壓基礎上卸載至初始荷載，穩壓后讀取千分表初始讀數，勻速加載至終荷載穩壓后讀取千分表終讀數；

（6）松開檢測裝置，勻速加載至試件破壞，重復上述步驟直至試驗完成。

2 傳統彈性模量測定裝置存在的問題

目前市場上所用彈性模量測定裝置由試驗員在試件上測量標距劃線定位，將上下支架安裝在定位處，由于上下支架由8個緊定螺釘進行固定，在這個過程中由于試驗員難以同時進行固定，造成上下支架之間標距不能精準至150mm，標距的不準確將直接影響試驗結果的大??；上下支架在安裝完成后的不平行直接導致試驗時對中步驟不滿足規范要求，試驗員將再次卸下裝置重新組裝，這樣耗時費力也不能精準測量出混凝土的彈性模量。

3 帶水準混凝土彈性模量測定裝置的結構

針對上述存在的問題，研制了帶水準混凝土彈性模量測定裝置，創新加入圓水準器設計，在緊固安裝裝置過程中可以隨時觀察水平狀態，減少對中失誤及重復拆裝工作；采用定位板直接定位標距150mm，減少了傳統劃線標記的過程；采用機械式千分表進行讀數，數據穩定可靠，同時在支架上可以360°任意旋轉安裝，解決了傳統千分表方向不能任意調整的弊端。

3.1 裝置的整體設計

開發研制的帶水準混凝土彈性模量測定裝置是測定混凝土彈性模量的專用設備，適用于混凝土彈性模量試驗檢測。主要由固定架（上環及下環、圓水準器、緊固螺釘）、讀數系統（千分表支架、千分表、接觸桿）、定位裝置（定位板、定位螺釘、定位栓、底板）三個部分組成。帶水準混凝土彈性模量測定裝置設計三維效果見圖1。

圖1 帶水準混凝土彈性模量測定裝置設計三維效果圖

3.2 固定架設計與加工

根據現行國家及行業規范，混凝土彈性模量試件尺寸 一 般 為150mm×150mm×150mm、100mm×100mm×300mm、200mm×200mm×400mm的圓柱體或相應的棱柱體試件，綜合以上因素確定固定支架的內徑為222mm能夠基本滿足檢查需要，采用緊固螺母固定，在固定架的上環及下環創新加入圓水準器，采用對稱設計，可以在定位板軸線水平面上確保固定架的水平狀態，確保固定架的安裝效率和使用效果。

固定架加工采用20mm厚、18mm寬耐腐蝕、不易銹蝕及變形的高強度不銹鋼材制成外徑258mm（內徑222mm）的上環和下環，然后用同樣材質不銹鋼制作8根Ф10mm長度不小于85mm緊定螺釘。在上環和下環厚度方向0°、90°、180°、270°分別打孔能夠緊固Ф10mm螺釘的螺母，與8根緊定螺釘能夠配套使用；然后在上環厚度方向45°和225°開孔Ф5mm，預留定位板上面的定位孔，在下環厚度方向45°和225°開孔Ф8mm，與定位螺釘配套的螺孔。在上環寬度方向165°和345°預留Ф10mm固定千分表支架孔，在下環寬度方向165°和345°預留Ф8mm固定接觸桿孔。在上環和下環寬度方向135°和315°方向安裝四個Ф12mm×8mm的圓水準器孔。固定架設計及加工圖見圖2。

圖2 固定架設計及加工圖（單位：mm）

3.3 讀數系統的設計與加工

千分表支架創新采用深U型設計，可以使千分表在支架上360°任意旋轉，可以根據試件在壓力機中心位置任意調整千分表方向便于讀取數據；根據規范要求讀數裝置可以采用指針式或應變式數字顯示，根據現場檢測需要和讀數準確性考慮采用機械式千分表作為讀數系統測試數據，其性能穩定性優于數顯式千分表。

加強項目監管實現多方位。全年制定出臺東北四省區節水增糧行動、農村飲水安全等管理制度21項。對23個省份的飲水安全和25個省份的小農水重點縣進行了稽察和督促整改，通過“飛行”檢查、專項督導、信息化跟蹤、約談通報，以及強化農村水利項目稽察、督促整改等措施，進一步強化重點項目和關鍵環節的有效監管。強化績效考核，不斷完善小農水重點縣、飲水安全和灌區改造等項目績效考核辦法，并兌現獎懲，有力促進了地方資金落實和項目規范建設。

加工選用千分表精確度為I級、量程為0～1mm、精度為0.001mm。接觸桿由上盤Ф15mm，下接Ф8mm螺桿，與下環寬度方向165°和345°預留Ф8mm固定接觸桿孔配套使用。千分表支架由兩個深U型組成，材質與上下環一致，全長108mm，厚9mm，寬24mm，上與上環寬度方向165°和345°預留Ф10mm孔固定，下用于固定千分表。讀數系統設計及加工圖見圖3。

圖3 讀數系統設計與加工圖（單位：mm）

3.4 定位裝置的設計與加工

定位裝置根據檢測過程的需要，較傳統標記劃線方法簡化操作過程，采用定位板加定位螺栓的方式，定位栓橫向中心線與定位螺釘橫向中心線距離設計為150mm，能夠有效快速準確定位出標距150mm，節約標距定位過程時間。

定位裝置加工定位板2塊，采用與上下環一致的不銹鋼材質，定位板寬25mm，高235mm（包括了底板厚度），厚4mm，定位板下焊接長48mm，寬12mm的底板，能夠讓定位板更能穩固。在定位板離地高75mm處開孔Ф8mm螺孔，與下環厚度方向45°和225°開孔Ф8mm對齊。在定位板離地高225mm處焊接一個Ф5mm定位栓，與上環厚度方向45°和225°開孔Ф5mm的配套使用。定位螺釘2個，采用與上下環一致的不銹鋼材質，螺釘Ф8mm長度不大于20mm，與定位板離地高75mm處開孔Ф8mm螺孔，與下環厚度方向45°和225°開孔Ф8mm螺孔均能配套使用[1]。定位裝置設計與加工圖見圖4。

圖4 定位裝置設計及加工圖（單位：mm）

4 使用方法

4.1 組裝

首先將8根緊定螺釘擰入上環和下環預留螺母孔內，使連接緊密，定位板定位栓與上環預留孔連接，不能留有縫隙；定位板與下環預留孔用定位螺釘連接，連接緊密牢固，將千分表支架固定在上環預留孔處，將接觸桿固定在下環預留孔處，將千分表安裝在千分表支架上面，千分表可以在支架上360°旋轉，且安裝牢固，千分表指針活動自由，圓水準器安裝在上環及下環對稱位置處，將圓水準器四周密封處理，裝置內有較多開孔處及焊接處，進行打磨處理。整個裝置進行去棱角工藝處理，防止劃傷試驗人員，完成后在裝置表面噴涂一層烤漆，防止氧化銹蝕，同時可增加外觀美觀度[2-3]（見圖5）。

圖5 組裝實體圖

4.2 使用

組裝完成后，取出一組試件6個，將其中3個做軸心抗壓強度用于計算加載荷載值，從剩余3根試件任意選擇1根試件將表面擦拭干凈，將裝置8根緊定螺釘松開后從上往下套入試件；用圓水準器進行調平，然后8根緊定螺釘對稱緩慢擰入，隨時觀察圓水準器是否處于居中狀態，待擰緊8根緊定螺釘后松開定位板上的定位螺釘；取下定位板，測量標距L=150mm，兩側千分表對稱水平安裝，安裝完成后將試件加裝置一起放置于壓力機中心位置，調整兩側千分表方向，便于讀取數據；開始加載至初始荷載值F0，并持續穩壓60s后立即讀取兩側千分表讀數E10、E20，然后以0.6±0.4MPa/s的連續加載速度加載至1/3軸心抗壓強度對應的荷載值Fa，并持續穩壓60s后立即讀取兩側千分表讀數E1、E2；E10、E20與E1、E2均未超過其平均值的20%，開始進行預壓，以上述恒定速率加壓至初始荷載值F0，持續穩壓60s后再以恒定速率加壓至荷載值Fa，試驗加壓過程中應隨時觀察圓水準器居中狀況，持續穩壓60s后卸載至初始荷載值，至少重復上述預壓步驟兩次以上；正式試驗開始，在上述預壓最后一次后，保持穩壓60s后立即讀取兩側千分表讀數E10、E20，再以上述恒定速率加壓至荷載值Fa，保持穩壓60s后立即讀取兩側千分表讀數E1、E2，讀數完成后立即松開裝置，以上述恒定速率加載至試件破壞，記錄破壞荷載，剩余2根試件按照上述步驟完成試驗。通過公式（1）計算出單根混凝土彈性模量，取3根混凝土彈性模量平均值作為最終結果。

式中：

EC——混凝土抗壓彈性模量，MPa；

F0——初始荷載（0.5MPa對應的荷載值），N；

L——標距（一般為150mm），mm；

A——試件承壓面積，mm2；

Δn——最后一次加荷變形平均值（E1+E2）/2-(E10+E20)/2），mm。

5 圓水準器及定位板的作用

傳統檢測裝置沒有圓水準器，檢測過程中裝置安裝難以調整水平，出現反復拆裝調整，造成檢測用時長；同時在檢測過程中不能有效觀察試件形變方向，有時因偏心受壓無法察覺導致試件被直接壓壞，從而不能有效檢測出該組試件的彈性模量值，造成現場無實測數據可以參照。新研制帶水準混凝土彈性模量測定裝置安裝了圓水準器，在裝置安裝過程中可以隨時觀察水平情況，在緊固過程根據水準氣泡的方向進行微調，確保能夠一次將裝置安裝于測試試件上，同時在檢測過程中可以觀察試件受力變形情況，防止偏心受壓等情況，安裝圓水準器后直接降低重復安裝次數，提升混凝土彈性模量檢測結果有效性。

定位板能夠準確定位測量標距150mm，減少了傳統方法中的人工劃線、安裝等步驟，且定位的準確性和便捷性較傳統方法有較高的提升。通過現場試驗論證，以定位板的方法進行標距，其檢測結果準確性較傳統方法提升10%以上，安裝過程速度較傳統方法減少耗時5min以上，為整個混凝土彈性模量測定提供了良好的基礎條件。

6 使用效果對比

將帶水準混凝土彈性模量測定裝置用于江習高速公路預應力混凝土彈性模量檢測工作中，通過近300組混凝土彈性模量試驗，采用1人獨立操作，全部一次標距合格，僅3組試驗重新對中一次，平均耗時約55min，較傳統方法平均耗時120min能夠節約時間一半以上，本裝置檢測混凝土彈性模量效率提高，檢測精度也明顯提高。

對傳統檢測設備與帶水準混凝土彈性模量測定裝置檢測過程進行對比，見表1。

表1 新舊方法檢測對比表

帶水準混凝土彈性模量測定裝置在江習高速公路工程和西藏加查水電站中成功應用（見圖6和圖7），為工地試驗室及時檢測出混凝土彈性模量參數提供了有力支撐，最終按照預期工期和要求順利完成預應力混凝土施工，且混凝土彈性模量指標檢測全部及時完成。帶水準混凝土彈性模量測定裝置既可以測量棱柱體試件，也可以同時測量圓柱形試件，能直接測試直徑100～200mm的混凝土試件，測量試件尺寸較傳統設備范圍大，檢測混凝土彈性模量過程標距準確、速度快、精度高，操作簡便，外觀大方，在檢測行業具有一定推廣意義。

圖6 江習高速立方體試件檢測混凝土彈性模量

圖7 加查水電站大直徑圓柱體試件檢測

7 結束語

帶水準混凝土彈性模量測定裝置的成功研制，解決了傳統混凝土彈性模量設備及檢測過程存在的不足，其優點主要有以下幾點：裝置既可以作為試驗檢測設備使用，也可作為教學儀器使用；定位板底板尺寸滿足試驗時不與試件接觸，又能在教學時保持裝置“站立”的作用；圓水準器安裝角度和尺寸，在定位及對中中均能夠起到關鍵作用，在試驗時還可以作為變形方向的參考；接觸桿可以自由上下旋轉，在千分表固定后直接調節接觸桿就能做到千分表快速定位歸零；定位板在快速精準定位后，保證標距150mm的準確度，同時提高試驗數據的準確度；千分表支架U型設計能夠滿足千分表在任何角度范圍旋轉，保證千分表安裝不受限制；該裝置制作成本低，試驗檢測速度快，效率高，能間接降低檢測成本。