趙翔宇

（山西省交通建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心（有限公司），山西 太原 030006）

1 引言

在混凝土結(jié)構(gòu)變形、裂縫研究計(jì)算以及大體積混凝土溫度應(yīng)力計(jì)算中均需先獲得相應(yīng)混凝土彈性模量。但抗壓強(qiáng)度超過40MPa時(shí)，按照日本建筑學(xué)會“鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算規(guī)范”的彈性模量表達(dá)式計(jì)算時(shí)，其值是下降的。利用美國ACI 363委員會研究成果抗壓強(qiáng)度為21~84MPa混凝土的彈性模量計(jì)算式，計(jì)算出的彈性模量與高強(qiáng)混凝土實(shí)際的彈性模量有很大差別[1]。使得混凝土彈性模量在設(shè)計(jì)和研究應(yīng)用中變得至關(guān)重要，因此本文結(jié)合工程實(shí)例對C55混凝土彈性模量與抗壓強(qiáng)度相關(guān)性及其影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。

2 C55混凝土原材料及試驗(yàn)方案

2.1 原材料

（1）水泥

采用P.Ⅱ52.5R水泥，其比表面積，3d,28d抗壓（抗折）強(qiáng)度，初、終凝時(shí)間等物理指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，主要性能見表1。

表1 水泥主要性能指標(biāo)

（2）粗集料

采用5~10mm、10~20mm兩類碎石，其表觀密度為2.61g/cm3，壓碎值指標(biāo)在3%~5%，篩分結(jié)果見表2。

表2 粗集料主要篩孔累計(jì)篩余

（3）細(xì)集料

含泥量小于等于2%，泥塊含量小于等于1%，細(xì)度模數(shù)為2.7，砂的主要指標(biāo)見表3。

表3 細(xì)集料主要性能指標(biāo)

（4）聚羧酸高性能減水劑

型號為NOF-A（見表4），各項(xiàng)指標(biāo)均滿足《聚羧酸系高性能減水劑》（JG/T 223—2017）的要求[2]。

表4 聚羧酸高性能減水劑混凝土性能指標(biāo)

2.2 C55混凝土試驗(yàn)方案

C55混凝土采用項(xiàng)目批復(fù)的設(shè)計(jì)配合比，并經(jīng)生產(chǎn)配合比驗(yàn)證，最終確定施工配合比，本文對C55混凝土在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生與同條件養(yǎng)生環(huán)境下的彈性模量與抗壓強(qiáng)度相關(guān)性進(jìn)行試驗(yàn)研究，共計(jì)12組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證在混凝土達(dá)到28d強(qiáng)度后，通過標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法和試驗(yàn)設(shè)備檢驗(yàn)其強(qiáng)度的變化，從而建立數(shù)學(xué)回歸模型來驗(yàn)證其變化規(guī)律，以對混凝土關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行控制。

2.3 試驗(yàn)方法

（1）試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生條件：溫度20℃±2，濕度不低于95%及同條件養(yǎng)生情況下，混凝土強(qiáng)度對應(yīng)的混凝土彈性模量共計(jì)12組進(jìn)行試驗(yàn)[4]，設(shè)計(jì)配合比∶水泥∶砂∶大石∶小石∶水∶減水劑=486∶688∶789∶337∶142∶5.79，彈性模量設(shè)計(jì)值：不小于3.55×104MPa。

（2）水泥混凝土抗壓彈性模量、抗壓強(qiáng)度均采用標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備壓力機(jī)采用TYE-2000型，彈性模量試驗(yàn)采用TM-2型混凝土彈性模量測定儀。試件符合《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTG 3420—2020）T0551中表T0551-1的規(guī)定。試件每組在同條件制作和養(yǎng)護(hù)6根，其中3根用于測定棱柱體軸心抗壓強(qiáng)度，提出彈性模量試驗(yàn)的加荷標(biāo)準(zhǔn)，另3根則進(jìn)行彈性模量試驗(yàn)[3]。

（3）混凝土彈性模量試驗(yàn)需要注意的事項(xiàng)：試件從養(yǎng)護(hù)地點(diǎn)取出后，首先要把試件上下承壓板表面擦拭干凈；在測定混凝土彈性模量時(shí)，變形測量儀應(yīng)安裝在試件兩側(cè)的中線上并對稱于試件的兩側(cè)；應(yīng)仔細(xì)調(diào)整試件在壓力機(jī)上的位置，使其軸心與下壓板的中心線對準(zhǔn)；混凝土抗壓彈性模量試驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)下進(jìn)行，以三根試件試驗(yàn)結(jié)果的算術(shù)平均值為測定值，其判定嚴(yán)格按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTG 3420—2020）T 0556-5.2條款執(zhí)行。

2.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)采用兩種不同養(yǎng)護(hù)方法：標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生和同條件養(yǎng)護(hù)方法。具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5。

表5 C55混凝土彈性模量E與抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及其分布趨勢建立回歸擬合公式：y=9.0174x1.4374,R2=0.984（見圖1），回歸統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)見表6，概率輸出數(shù)據(jù)見表7。

圖1 直線擬合圖

表6 回歸統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

表7 概率輸出數(shù)據(jù)

從以上回歸數(shù)據(jù)分析，試驗(yàn)回歸數(shù)學(xué)模型具有相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.982 9，擬合值為0.956 6，標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.453 6，且從回歸數(shù)據(jù)分析得出，混凝土彈性模量與抗壓強(qiáng)度正相關(guān)，其在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生條件下混凝土強(qiáng)度值較同條件養(yǎng)生環(huán)境下高，同時(shí)混凝土彈性模量滿足設(shè)計(jì)要求，數(shù)據(jù)可靠，且概率百分比排位最大值達(dá)95.83%，大于設(shè)計(jì)的116.6%。分析得出同條件和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生條件影響因素：①在施工中同條件養(yǎng)生大多情況受主觀條件影響，使得試件在早期關(guān)鍵強(qiáng)度增長期間強(qiáng)度值離散，均衡值相對較差；②現(xiàn)場制件水平、混凝土均勻性較差，粗集料分配不均勻，導(dǎo)致試件強(qiáng)度偏低；③標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生條件下試件早期強(qiáng)度水化熱均衡，強(qiáng)度增長較快，其值接近設(shè)計(jì)值，保證率較高；④試件在實(shí)驗(yàn)室制作成型，其成型條件滿足規(guī)范要求，所以強(qiáng)度保證率較高。

2.5 水膠比對C55混凝土彈性模量的影響

在對混凝土彈性模量與抗壓強(qiáng)度相關(guān)性研究過程中，為更好地確定彈性模量在不同水膠比狀態(tài)下所表現(xiàn)的物理性能，本項(xiàng)目對水膠比在0.29~0.34范圍下[5]，對應(yīng)的彈性模量進(jìn)行定量研究，具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表8。

表8 不同水膠比對應(yīng)混凝土彈性模量試驗(yàn)結(jié)果

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)說明，C55混凝土彈性模量與水膠比負(fù)相關(guān)，也就是水膠比越小，彈性模量值越大，反之，水膠比越大，彈性模量值越小。對于普通混凝土也會表現(xiàn)為這樣的反應(yīng)機(jī)理。從混凝土的微觀結(jié)構(gòu)分析其機(jī)理，硬化混凝土由水泥膠結(jié)漿體、骨料、界面過渡區(qū)3部分組成，而水泥膠結(jié)漿體主要由微觀分子及氣孔結(jié)構(gòu)組成，而這些構(gòu)造對混凝土的強(qiáng)度形成影響很大，特別是結(jié)構(gòu)中水分子的排列起著至關(guān)重要的作用。

水膠比在實(shí)際施工中要嚴(yán)格控制，重點(diǎn)做好以下幾方面的工作：

（1）混凝土拌和（站）設(shè)備在使用前要通過有資質(zhì)的計(jì)量單位的計(jì)量認(rèn)證，且計(jì)量認(rèn)證周期（半年）不得超過規(guī)范之規(guī)定。

（2）實(shí)際施工中要嚴(yán)格按照批復(fù)的施工配合比組織施工，不得擅自更改配合比。

（3）嚴(yán)格控制混凝土配合比中外加劑的摻量和品種，不得隨意更改或更換品牌。

2.6 骨料對抗壓強(qiáng)度及彈性模量的影響

混凝土的抗壓強(qiáng)度主要受骨料及膠凝材料影響，混凝土初期強(qiáng)度主要來源于膠凝材料的強(qiáng)度增長，隨后強(qiáng)度主要由骨料的密實(shí)結(jié)構(gòu)及骨料的自身強(qiáng)度來提供，而此時(shí)界面過渡區(qū)的影響會顯現(xiàn)出來，在這種作用的共同影響下，混凝土結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度與骨料的含量不會成單一趨勢，而是由結(jié)構(gòu)骨料、膠凝材料、界面過渡區(qū)三者決定。彈性模量值與骨料的含量成相關(guān)性，也就是說骨料含量越大，混凝土結(jié)構(gòu)的彈性模量值越大，分析其原因主要是結(jié)構(gòu)彈性模量主要來源于結(jié)構(gòu)骨料的彈性模量的結(jié)果。

3 結(jié)論

綜上，可得以下研究結(jié)論：

（1）C55混凝土彈性模量與抗壓強(qiáng)度的冪函數(shù)線性相關(guān)，本試驗(yàn)所采用的高強(qiáng)混凝土彈性模量與抗壓強(qiáng)度關(guān)系式表示為：y=9.0174x1.4374R2=0.9829；因此在工程實(shí)際應(yīng)用中要加強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的管理，提高其性能以確保混凝土質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求，從而有效提高結(jié)構(gòu)的剛度及耐久性。

（2）本試驗(yàn)中混凝土水膠比大彈性模量小，反之亦然。

（3）骨料對混凝土結(jié)構(gòu)的影響，對混凝土抗壓強(qiáng)度是多元性的，影響因素不是單一的，對于高性能混凝土而言，骨料含量越大，混凝土的彈性模量也越大。