C55混凝土弹性模量与抗压强度相关性试验研究

赵翔宇

（山西省交通建设工程质量检测中心（有限公司），山西 太原 030006）

1 引言

在混凝土结构变形、裂缝研究计算以及大体积混凝土温度应力计算中均需先获得相应混凝土弹性模量。但抗压强度超过40MPa时，按照日本建筑学会“钢筋混凝土结构计算规范”的弹性模量表达式计算时，其值是下降的。利用美国ACI 363委员会研究成果抗压强度为21~84MPa混凝土的弹性模量计算式，计算出的弹性模量与高强混凝土实际的弹性模量有很大差别[1]。使得混凝土弹性模量在设计和研究应用中变得至关重要，因此本文结合工程实例对C55混凝土弹性模量与抗压强度相关性及其影响因素进行了系统的研究。

2 C55混凝土原材料及试验方案

2.1 原材料

（1）水泥

采用P.Ⅱ52.5R水泥，其比表面积，3d,28d抗压（抗折）强度，初、终凝时间等物理指标均满足规范要求，主要性能见表1。

表1 水泥主要性能指标

（2）粗集料

采用5~10mm、10~20mm两类碎石，其表观密度为2.61g/cm3，压碎值指标在3%~5%，筛分结果见表2。

表2 粗集料主要筛孔累计筛余

（3）细集料

含泥量小于等于2%，泥块含量小于等于1%，细度模数为2.7，砂的主要指标见表3。

表3 细集料主要性能指标

（4）聚羧酸高性能减水剂

型号为NOF-A（见表4），各项指标均满足《聚羧酸系高性能减水剂》（JG/T 223—2017）的要求[2]。

表4 聚羧酸高性能减水剂混凝土性能指标

2.2 C55混凝土试验方案

C55混凝土采用项目批复的设计配合比，并经生产配合比验证，最终确定施工配合比，本文对C55混凝土在标准养生与同条件养生环境下的弹性模量与抗压强度相关性进行试验研究，共计12组试验数据，验证在混凝土达到28d强度后，通过标准试验方法和试验设备检验其强度的变化，从而建立数学回归模型来验证其变化规律，以对混凝土关键指标进行控制。

2.3 试验方法

（1）试验采用标准养生条件：温度20℃±2，湿度不低于95%及同条件养生情况下，混凝土强度对应的混凝土弹性模量共计12组进行试验[4]，设计配合比∶水泥∶砂∶大石∶小石∶水∶减水剂=486∶688∶789∶337∶142∶5.79，弹性模量设计值：不小于3.55×104MPa。

（2）水泥混凝土抗压弹性模量、抗压强度均采用标准方法进行试验，试验设备压力机采用TYE-2000型，弹性模量试验采用TM-2型混凝土弹性模量测定仪。试件符合《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG 3420—2020）T0551中表T0551-1的规定。试件每组在同条件制作和养护6根，其中3根用于测定棱柱体轴心抗压强度，提出弹性模量试验的加荷标准，另3根则进行弹性模量试验[3]。

（3）混凝土弹性模量试验需要注意的事项：试件从养护地点取出后，首先要把试件上下承压板表面擦拭干净；在测定混凝土弹性模量时，变形测量仪应安装在试件两侧的中线上并对称于试件的两侧；应仔细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；混凝土抗压弹性模量试验在标准试验下进行，以三根试件试验结果的算术平均值为测定值，其判定严格按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG 3420—2020）T 0556-5.2条款执行。

2.4 试验数据分析

试验采用两种不同养护方法：标准养生和同条件养护方法。具体试验数据见表5。

表5 C55混凝土弹性模量E与抗压强度试验结果

根据试验数据及其分布趋势建立回归拟合公式：y=9.0174x1.4374,R2=0.984（见图1），回归统计分析数据见表6，概率输出数据见表7。

图1 直线拟合图

表6 回归统计数据

表7 概率输出数据

从以上回归数据分析，试验回归数学模型具有相关性，相关系数为0.982 9，拟合值为0.956 6，标准误差为0.453 6，且从回归数据分析得出，混凝土弹性模量与抗压强度正相关，其在标准养生条件下混凝土强度值较同条件养生环境下高，同时混凝土弹性模量满足设计要求，数据可靠，且概率百分比排位最大值达95.83%，大于设计的116.6%。分析得出同条件和标准养生条件影响因素：①在施工中同条件养生大多情况受主观条件影响，使得试件在早期关键强度增长期间强度值离散，均衡值相对较差；②现场制件水平、混凝土均匀性较差，粗集料分配不均匀，导致试件强度偏低；③标准养生条件下试件早期强度水化热均衡，强度增长较快，其值接近设计值，保证率较高；④试件在实验室制作成型，其成型条件满足规范要求，所以强度保证率较高。

2.5 水胶比对C55混凝土弹性模量的影响

在对混凝土弹性模量与抗压强度相关性研究过程中，为更好地确定弹性模量在不同水胶比状态下所表现的物理性能，本项目对水胶比在0.29~0.34范围下[5]，对应的弹性模量进行定量研究，具体试验数据见表8。

表8 不同水胶比对应混凝土弹性模量试验结果

通过试验数据说明，C55混凝土弹性模量与水胶比负相关，也就是水胶比越小，弹性模量值越大，反之，水胶比越大，弹性模量值越小。对于普通混凝土也会表现为这样的反应机理。从混凝土的微观结构分析其机理，硬化混凝土由水泥胶结浆体、骨料、界面过渡区3部分组成，而水泥胶结浆体主要由微观分子及气孔结构组成，而这些构造对混凝土的强度形成影响很大，特别是结构中水分子的排列起着至关重要的作用。

水胶比在实际施工中要严格控制，重点做好以下几方面的工作：

（1）混凝土拌和（站）设备在使用前要通过有资质的计量单位的计量认证，且计量认证周期（半年）不得超过规范之规定。

（2）实际施工中要严格按照批复的施工配合比组织施工，不得擅自更改配合比。

（3）严格控制混凝土配合比中外加剂的掺量和品种，不得随意更改或更换品牌。

2.6 骨料对抗压强度及弹性模量的影响

混凝土的抗压强度主要受骨料及胶凝材料影响，混凝土初期强度主要来源于胶凝材料的强度增长，随后强度主要由骨料的密实结构及骨料的自身强度来提供，而此时界面过渡区的影响会显现出来，在这种作用的共同影响下，混凝土结构抗压强度与骨料的含量不会成单一趋势，而是由结构骨料、胶凝材料、界面过渡区三者决定。弹性模量值与骨料的含量成相关性，也就是说骨料含量越大，混凝土结构的弹性模量值越大，分析其原因主要是结构弹性模量主要来源于结构骨料的弹性模量的结果。

3 结论

综上，可得以下研究结论：

（1）C55混凝土弹性模量与抗压强度的幂函数线性相关，本试验所采用的高强混凝土弹性模量与抗压强度关系式表示为：y=9.0174x1.4374R2=0.9829；因此在工程实际应用中要加强混凝土强度的管理，提高其性能以确保混凝土质量满足设计要求，从而有效提高结构的刚度及耐久性。

（2）本试验中混凝土水胶比大弹性模量小，反之亦然。

（3）骨料对混凝土结构的影响，对混凝土抗压强度是多元性的，影响因素不是单一的，对于高性能混凝土而言，骨料含量越大，混凝土的弹性模量也越大。