高性能混凝土弹性模量与抗压强度试验研究

姚利郎

（山西省交通建设工程监理总公司，山西 太原 030012）

1 概述

在混凝土工程施工过程中，除了抗压强度和坍落度为施工主要控制指标外，经常还要用到弹性模量指标，尤其跨度较大的预应力混凝土现浇结构，混凝土施加预应力时，通常要求进行抗压强度和弹性模量双参数控制。抗压强度是混凝土材料的基础力学指标，它与混凝土的抗折、抗弯拉、抗剪等力学性能密切相关，混凝土的强度分级即以抗压强度为基准，是进行配合比设计的主要控制指标。弹性模量属于混凝土重要的力学性能指标，其反映混凝土所受应力与所产生应变之间的关系。弹性模量是计算钢筋混凝土结构变形、裂缝扩展和大体积混凝土温度应力必须的参数之一。普通混凝土属于弹塑性材料，随施加荷载的混凝土龄期不同，弹性模量随之变化，试验证明高性能混凝土应力应变曲线，直至破坏几乎为直线，其弹性极限比普通混凝土有大幅度提高[1]。混凝土在弹性范围，有利于结构经受变形后复位，弹性极限是结构发生宏观开裂的起点，高弹性范围保证了混凝土的使用耐久性[2]。

混凝土的性能受到材料组成、环境温度、龄期等条件影响，具有明显的地域特征。现行主要技术标准及研究，多为28 d龄期混凝土材料成熟后的标准，而混凝土形成过程（早龄期）的力学性能研究相对欠缺。结合某寺沟口大桥现浇刚构工程的实施，通过试验分析混凝土从混合料拌合到新型复合材料形成过程中力学性能指标抗压强度和弹性模量的发展规律，以及龄期、环境温湿度对力学性能发展的影响规律[3]。期望实现保证工程施工过程安全，提高混凝土的耐久性。

2 试验方案

2.1 原材料、配合比及相关技术参数

a）水泥 威顿牌P.O 42.5级水泥，化学成分及物理性能见表1。

表1 水泥化学成分及物理力学性能

b）矿物掺合料 河津龙辉建材I级粉煤灰，山西诚盛建材S95级矿粉，具体指标见表2。

表2 矿物掺合料指标 %

c）砂 细度模数为2.82，Ⅱ区中砂，级配良好。

d）碎石 5～20 mm连续级配，其中5～10 mm掺量 30%，10～20 mm掺量 70%，压碎指标为19.4%。

e）外加剂 山西铁力TL-A型聚羧酸高效减水剂，减水率28%。

f）混凝土配合比为 C50，设计坍落度 140～160 mm，入模坍落度160 mm，具体配合比见表3。

表3 C50混凝土配合比 kg

2.2 试件组批数量

抗压强度采用150×150×150立方体试件，弹性模量采用150×150×300棱柱体试件，根据混凝土质量检验评定标准，一个检验批样本容量应为3组混凝土试件，试验采用数理统计分析方法，统计样本数一般不少于10个，结合混凝土施工检验一般为3个一组习惯，考虑试验过程可能出现异常值需要剔除，本次试验研究，每种方案抗压强度制取3×4=12个试件，弹性模量制取3×（4+1）=15个试件，其中一组进行轴心抗压强度试验，确定弹性模量试验加荷参数。

2.3 试件龄期及养护方式

龄期选用 3 d、5 d、7 d、28 d、56 d，养护方式选择标准养护（温度20℃±2℃，湿度RH95%）和现场养护（条件与结构所处理湿度相同）。

2.4 仪器设备选择

压力机为YAW-2000D绍兴肯特全自动压力试验机，弹模试验加荷设备采用WWE-1000E绍兴肯特万能材料试验机，微变形测量装置选用圆盘形。

2.5 混凝土静力弹性模量试验方法按公路水泥及水泥混凝土试验规程（JTG E40—2005)试验，过程要点

a）试验试件中随机取一组3个试件，试验确定弹性模量试验加荷参数。

b）千分表通过微变形装置安装在试件两侧的中线上并对称于试件的两端，调整试件在压力机上的位置，使其轴心与下压板的中心线对准。

c）均匀加荷至试验应力，卸荷进行不少于两个循环预压，至前后变形差不大于0.000 02L(L=150 mm)，并验证左右表变形相对误差不大于20%。

d）均匀速率加荷至试验应力，保持恒载60 s并在以后的30 s内记录两侧千分表读数，而后与加荷速率相同卸荷至基准应力0.5 MPa保持恒载60 s并在以后的30 s内记录两侧千分表读数。

e）移去变形测量装置，进行试件轴心抗压强度检测。

3 试验结果与分析

3.1 可疑数据判别

对于试验样本数较小的试验数据，采用格拉布斯准则对可疑数据进行判别，剔除异常数值，试验置信水平取P=1-α=1-0.05=0.95，显著水平取α=0.05，试验次数以n=10为基准，临界值G（0.05，10）查表为2.176，样本最大残差满足Vd＞k*σ，则对应数值判为异常值剔除，备用试件补齐，逐个剔除异常值。

3.2 试验数据分析

a）标准养护抗压强度、弹性模量试验汇总与分析见表4。

表4 标准养护试件抗压强度、弹性模量试验汇总

b）秋冬季同条件抗压强度、弹性模量试验汇总与分析见表5。

试验项目寺沟口大桥在山西河津市，试验时间为 2013年 10月 24日—2013年 12月 19日，其3 d、5 d、7 d、28 d、56 d 龄期试验时间分别为 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。期间日平均气温在0.5℃～16℃，日均气温平均值为7.2℃，空气湿度为35%～45%。日平均气温变化曲线见图1。

表5 秋冬季同条件抗压强度、弹性模量试验汇总

图1 10月24日—12月19日日平均气温曲线

c）春夏季同条件抗压强度、弹性模量试验汇总与分析见表6。

试验在2014年4月20日—2014年6月29日期间完成，其中 3 d、5 d、7 d、28 d、56 d 龄期试验时间分别为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，期间日平均气温在14℃～30℃，日均气温平均值为22.9℃，空气湿度为50%～60%。日平均气温变化趋势见图2。

表6 春夏季同条件抗压强度、弹性模量试验汇总

图2 4月20日—6月29日日平均气温曲线

4 试验结论

a）高性能混凝土的抗压强度和弹性模量随龄期延长有增大趋势，但在不同时段增长率不同。

b）在3 d之前的早龄期，弹性模量增长率明显大于抗压强度增长率，7 d后弹性模量与抗压强度增长率趋于一致。

c）7 d后抗压强度和弹性模量可以达到其28 d标准值的90%以上，而3 d弹性模量可以达到28 d值的85%。由此对高性能混凝土的预应力双控施工，应重点考虑抗压强度。

d）高性能混凝土28 d弹性模量随环境温度、湿度条件不同，可以达到设计标准值的118%～126%，证明弹性模量安全储备较高。