李紅梅，李樹山，王小兵，解 偉

(華北水利水電大學(xué)土木與交通學(xué)院，河南鄭州450045)

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膨脹混凝土靜力抗壓彈性模量試驗(yàn)研究

李紅梅，李樹山，王小兵，解 偉

(華北水利水電大學(xué)土木與交通學(xué)院，河南鄭州450045)

分別對(duì)膨脹劑摻量為0、5%、10%、15%、20%及齡期為7、28、90 d，尺寸為150 mm×150 mm×300 mm的棱柱體混凝土試件進(jìn)行了靜壓彈性模量的研究，利用回歸分析的方法探討了抗壓彈性模量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明，靜力抗壓彈性模量與抗壓強(qiáng)度有相似的變化規(guī)律，膨脹劑在混凝土中的摻量最優(yōu)值為10%。

膨脹混凝土；彈性模量；抗壓強(qiáng)度；齡期

使用膨脹水泥或添加膨脹劑，在水泥水化硬化過(guò)程中，能產(chǎn)生一定體積膨脹，稱為膨脹混凝土。我國(guó)水泥的總產(chǎn)量中僅有0.2%為膨脹水泥，膨脹混凝土仍處于推廣階段，相關(guān)研究還不夠。吳中偉院士等[1]系統(tǒng)開展了膨脹混凝土物理化學(xué)性能研究，提出了膨脹混凝土在鋼筋限位條件下膨脹補(bǔ)償收縮機(jī)理，促進(jìn)了膨脹混凝土在工程中應(yīng)用技術(shù)研究。游寶坤[2]等提出采用膨脹劑、摻合料同緩凝減水劑一起摻加的“三摻”方法，在大體積混凝土結(jié)構(gòu)中得到應(yīng)用。吳來(lái)峰等[3]經(jīng)過(guò)多年的研究探索，利用膨脹混凝土的微膨脹性能，在水利工程裂縫的控制方面取得了顯著成果。

彈性模量是反應(yīng)混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的一個(gè)重要力學(xué)參數(shù)，而目前對(duì)膨脹混凝土彈性模量的研究相對(duì)較少，尚未建立成熟的理論體系，本文開展了膨脹混凝土的靜力抗壓下的彈性模量的試驗(yàn)研究并與立方體抗壓強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，以期為膨脹混凝土力學(xué)性能提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為膨脹混凝土工程技術(shù)應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)采用P.O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，其物理力學(xué)性能見表1；采用UEA膨脹劑，其化學(xué)組成見表2。本次試驗(yàn)選用的砂為天然砂，其細(xì)度模數(shù)為2.7，表觀密度為2 850 kg/m3，堆積密度為1 405 kg/m3，含泥量為5.1 kg/m3，粗骨料粒徑為5～25 mm的連續(xù)級(jí)配碎石，其中20～25 mm的碎石占25%，10～20 mm的碎石占65%，5～10 mm的碎石占10%。試驗(yàn)用水為普通飲用自來(lái)水。

表1 水泥性能指標(biāo)

水泥強(qiáng)度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量/%凝結(jié)時(shí)間/min抗壓強(qiáng)度/MPa抗彎強(qiáng)度/MPa初凝終凝3d28d3d28d安定性4252681652352464984189合格

表2 UEA膨脹劑化學(xué)組成 %

1.2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)膨脹劑摻量采用等量置換水泥配置膨脹混凝土，置換率分別為0、5%、10%、15%和20%，齡期分別研究了7、28、90 d。根據(jù)《水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[4]，確定了5組配合比設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)，見表3。試驗(yàn)中設(shè)置150 mm×150 mm×300 mm的棱柱體試件，每種配合比3個(gè)試件，共45個(gè)試件。上述試件都在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

表3 配合比設(shè)計(jì)

編號(hào)膨脹劑摻量/%混凝土各成分含量/kg·m-3水泥膨脹劑水砂碎石C0039401976441145C1537431971976441145C21035463941976441145C31533495911976441145C42031527881976441145

養(yǎng)護(hù)到齡期時(shí)，將試件從養(yǎng)護(hù)室取出，觀察外觀，剔除有明顯缺陷的試件。首先進(jìn)行預(yù)壓，加載速度為0.2～0.3 MPa/s，取試件的最大預(yù)壓力為破壞荷載的40%，反復(fù)預(yù)壓3次，直到相鄰兩次變形值不大于0.003 mm，否則繼續(xù)預(yù)壓。預(yù)壓結(jié)束后，進(jìn)行正式的加載試驗(yàn)，每隔20 kN，記錄一次變形值。當(dāng)施加荷載到達(dá)破壞強(qiáng)度的50%時(shí)，取下千分表，然后繼續(xù)加載到試件破壞，記錄最終破壞值。

2 抗壓彈性模量試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

本試驗(yàn)的抗壓彈性模量采用普通混凝土的彈性模量公式進(jìn)行計(jì)算，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法與立方體抗壓強(qiáng)度的一樣。試驗(yàn)所得混凝土靜力抗壓彈性模量見表4。

2.2 膨脹劑摻量對(duì)靜壓抗壓彈性模量的影響

試驗(yàn)通過(guò)3個(gè)齡期來(lái)研究膨脹混凝土的靜力抗壓彈性模量的發(fā)展規(guī)律。膨脹劑摻量不同，彈性模量也有所不同，其關(guān)系如圖1所示。從圖1可以看出，膨脹混凝土靜力抗壓彈性模量的規(guī)律與抗壓強(qiáng)度規(guī)律大致相似[5]。7 d齡期的試件，基準(zhǔn)混凝土的靜力抗壓彈性模量最大，隨著膨脹劑摻量的增加膨脹混凝土的彈性模量不斷減小，尤其摻量達(dá)到15%時(shí)，下降幅度明顯增大。膨脹劑摻量為5%、10%、15%、20%的混凝土靜力抗壓彈性模量分別是未摻加膨脹劑混凝土靜力抗壓彈性模量的97.95%、96.59%、82.94%、74.40%；28d齡期的試件，混凝土彈性模量隨著膨脹劑摻量的增加，先增大后減小，10%摻量時(shí)彈性模量值最大。由此可得，28 d齡期時(shí)摻加適量的膨脹劑會(huì)使混凝土的抗壓彈性模量超過(guò)基準(zhǔn)混凝土，膨脹劑摻量為5%、10%、15%、20%的混凝土靜力抗壓彈性模量分別是未摻加膨脹劑混凝土靜力抗壓彈性模量的101.55%、111.18%、98.14%、82.30%；90 d齡期，規(guī)律基本與28d齡期一致，膨脹劑摻量為5%、10%、15%、20%的混凝土靜力抗壓彈性模量分別是未摻加膨脹劑混凝土靜力抗壓彈性模量的100.86%、105.16%、95.42%、85.10%。

表4 混凝土靜力抗壓彈性模量試驗(yàn)結(jié)果 GPa

圖1 膨脹劑摻量對(duì)混凝土彈性模量的影響

本次試驗(yàn)結(jié)果表明，膨脹混凝土早期靜力抗壓彈性模量較低，而28 d以后其彈性模量逐步趕上并超過(guò)基準(zhǔn)混凝土，膨脹劑適宜摻量為10%。

圖2 彈性模量與立方體抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線

GPa

2.3 抗壓彈性模量與抗壓強(qiáng)度關(guān)系

混凝土的靜力彈性模量與立方體抗壓強(qiáng)度密切相關(guān)，且彈性模量隨著養(yǎng)護(hù)條件的提高和齡期增長(zhǎng)而增大[6]。就普通混凝土而言，文獻(xiàn)[7]給出了其彈性模量和立方體抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系表達(dá)式1/Ec=(2.2+34.7/fcu)/102，式中，Ec為彈性模量，GPa；fcu立方體抗壓強(qiáng)度，MPa。該公式假設(shè)，彈性模量的倒數(shù)與立方體抗壓強(qiáng)度的倒數(shù)呈線性關(guān)系。綜合本試驗(yàn)所研究的膨脹混凝土的彈性模量以及立方體抗壓強(qiáng)度值可知，此公式不能很好地?cái)M合本次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)。因此，采用線性回歸模型進(jìn)行擬合：

7、28、90 d齡期彈性模量與抗壓強(qiáng)度擬合曲線如圖2所示。通過(guò)計(jì)算計(jì)算可知，7、28、90 d齡期時(shí)的相關(guān)系數(shù)分別是0.976 9、0.937 8、0.966 3，兩者之間的回歸效果比較顯著。由回歸方程計(jì)算出的彈性模量計(jì)算值與試驗(yàn)測(cè)得的試驗(yàn)值比較見表5。由表5可知，各齡期的彈性模量的計(jì)算值與試驗(yàn)值比值的均值為1左右，擬合效果較好。

3 結(jié) 論

(1) 膨脹混凝土早期的靜力抗壓彈性模量較低，而28 d以后其彈性模量逐步趕上并超過(guò)基準(zhǔn)混凝土，膨脹劑適宜摻量為10%。

(2) 膨脹混凝土的抗壓彈性模量與抗壓強(qiáng)度的比值基本上隨著膨脹劑摻量的增大而增大；同一膨脹劑摻量下隨著齡期的增加兩者之間的比值呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

(3)根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析得到了膨脹混凝土彈性模量與混凝土立方體抗壓強(qiáng)度不同齡期的擬合關(guān)系：

7 d齡期 1/Ec=(2.26+33.13/fcu)/102

28 d齡期 1/Ec=(1.93+41.16/fcu)/102

90 d齡期 1/Ec=(2.10+36.26/fcu)/102

[1]吳中偉. 補(bǔ)償收縮混凝土[M]. 北京： 中國(guó)建筑工業(yè)出版社， 1979.

[2]游寶坤， 李乃珍. 膨脹劑及其補(bǔ)償收縮混凝土[M]. 北京： 中國(guó)建筑工業(yè)出版社， 2005.

[3]吳來(lái)峰， 張錫祥. 水工補(bǔ)償收縮混凝土[M]. 北京： 中國(guó)水利水電出版社， 2011．

[4]DL/T 5330—2005 水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程[S]．

[5]朱圣敏. 微膨脹混凝土配合比設(shè)計(jì)研究[J]. 商品混凝土， 2015(2)： 48- 51．

[6]盛黎， 金小群， 葉青. 復(fù)合膠凝材料對(duì)高性能膨脹混凝土力學(xué)性能的影響[J]. 混凝土， 2008(8)： 79- 81， 97．

[7]SL 191—2008 水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

(責(zé)任編輯 焦雪梅)

Experimental Research on Elastic Modulus of Expansive Concrete under Static Compression

LI Hongmei, LI Shushan, WANG Xiaobing, XIE Wei

(School of Civil Engineering and Communication, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, Henan, China)

In order to study the elastic modulus of expansive concrete, a series of cube specimens with size of 150 mm×150 mm×300 mm are designed, which include five kinds of expansive agent content, that is 0%, 5%, 10%, 15% and 20% respectively, and three kinds of age, 7 d, 28 d and 90 d respectively. The relationships between elastic modulus and compressive strength are studied by using regression analysis based on experiment data. Experimental results show that the static compressive elastic modulus has a similar change rule to compressive strength, and the optimal value of expansive agent in concrete is 10%．

expansive concrete; elastic modulus; compressive strength; age

2015- 09- 11

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(U1404526)；鄭州科技領(lǐng)軍人才計(jì)劃項(xiàng)目(112PLJRC354)；河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目(132102310319)；河南省教育廳科技攻關(guān)項(xiàng)目(13B570121)

李紅梅(1978—)，女，河南漯河人，講師，碩士，從事混凝土材料與結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)研究．

TU528.55；TV421.7

A

0559- 9342(2016)09- 0113- 03