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止于至善

有混凝土的地方,就会有我

 
 
 

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关于我

闻宝联,工学博士,教授级高工,天津市市政工程研究院副总工程师,同济大学、天津大学、河北工大、北京交大硕士导师,新加坡《urban transportation &construction》杂志副主编,中国土木工程学会混凝土质量专业委员会委员、混凝土耐久性专业委员会委员,全国混凝土标准化技术委员会委员,中国建筑业协会混凝土分会专家组成员,中国腐蚀与防护学会建筑工程专业委员会委员,中国商品混凝土企业联合会专家委员会主任委员,中国硅酸盐学会混凝土与水泥制品协会理事,数十项国家重点工程混凝土专项技术指导。

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混凝土弹性模量与混凝土配合比相关性探讨  

2017-08-11 16:55:43|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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前言
    在混凝土实际工程应用中,除了主要以强度,坍落度作为控制指标外,经常还需要规定混凝土的弹性模量值,尤其是在C50及以上高强度等级预应力钢筋混凝土梁的张拉时,更应规定张拉时混凝土应该达到的弹性模量值。在计算钢筋混凝土的变形,裂缝扩展及大体积混凝土的温度应力时,都必须知道对应混凝土的弹性模量值。目前我国高铁高性能混凝土的28d弹性模量值要求达到3.55×104MPa,也即35.5GPa。在实际工程中,也出现过混凝土强度满足要求而弹性模量偏低,使混凝土构件变形较大而不能正常使用的问题,导致混凝土结构失衡而发生工程质量事故。影响混凝土弹性模量的因素很多,包括粗骨料品质,砂率,水胶比,纤维,粉煤灰掺量和养护龄期等等,本文在这些领域做了一些试验研究,得出了一些结论。
 
1试验情况及测试方法
1.1原材料
    水泥:镇江京阳水泥厂生产的P.O42.5R,各项技术指标均符合国家标准规定。
    细骨料:江砂,细度模数2.6
    粗骨料:玄武盐碎石,5-25mm连续级配。
    减水剂:江苏博特新材料有限公司生产的JmA,萘系高效减水剂,粉剂。
    粉煤灰:南京热电厂生产的Ⅰ级灰。
1.2 试验方案
    本试验重点考察粗骨料,砂率,水胶比,纤维,粉煤灰掺量等对混凝土弹性模量的影响。混凝土成型采用100mm×100mm×300mm非标准试模,混凝土均采用标准养护。
1.3 弹性模量测试方法
    根据GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》的规定,混凝土弹性模量应按下式计算:

Ec=(Fa-F0)/A×L/△n

    式中:Ec———混凝土弹性模量(MPa);
          Fa———应力为1/3轴心抗压强度时的荷载(N);

          F0———应力为0.5MPa时的初始荷载(N);
          A———试件承压面积(mm2);
          L———测量标距(mm)。
    △n=εa-ε0,其中εa———为Fa时试件两侧变形的平均值(mm), ε0———为F0时试件两侧变形的平均值(mm)。
 
2试验结果与分析
2.1 弹性模量与水灰比的关系(见表1)

表1混凝土水灰比的变化与弹性模量的关系


W/CSp(%)W(kg/m3)C(kg/m3)S(kg/m3)G(kg/m3)JmA(%)Slump(mm)Fa×103Es(28d)×104
10.3753715040069411810.6170180.34.38
20.3333615045066111740.65140227.94.67
30.3003515050062811670.7590249.84.72
40.2703415055059711581.070227.64.84

    实际工程中,一般C40及其以上强度等级的混凝土才要求弹性模量值,故本次实验也采用了较小的水灰比。
    从以上结果可看出,随着W/C的降低,混凝土弹性模量逐渐增大,但是增加的幅度并不大。当W/C=0.270时,虽然其后数值偏低,但试件变形差值Δn较小,混凝土弹性模量仍然较高。
2.2 弹性模量与混凝土砂率关系(见表2)
    从以上结果可看出,在W/C一定的条件下,高强度等级混凝土的弹性模量随着砂率的增大而降低,但降低的幅度不大,所以对混凝土弹性模量要求较高的混凝土工程,在满足混凝土和易性的条件下尽可能选用较低的砂率。混凝土配合比中,砂率较低,石子用量相对较高,混凝土形变差值就较小,弹性模量就相对较高。

表2混凝土砂率的变化与弹性模量的关系


W/CSp(%)W(kg/m3)C(kg/m3)S(kg/m3)G(kg/m3)JmA(%)Slump(mm)Fa×103Es(28d)×104
10.323216150057112130.680208.664.62
20.323516150062511600.6100185.784.57
30.323816150067811070.6130189.564.43

2.3 弹性模量与混凝土外加纤维种类的关系(见表3)

表3外加纤维种类和混凝土弹性模量的关系


W/CSp(%)W(kg/m3)C(kg/m3)S(kg/m3)G(kg/m3)JmA(%)纤维(kg/m3)Slump(mm)Fa×103Es(28d)×104
10.323516150062511600.6/140195.54.51
20.323516150062511600.8pp0.8140208.34.64
30.323516150062511600.6钢60120230.54.49
40.323516150062511600.7pp0.6钢50120222.64.48

   从以上结果可看出,加入聚丙烯纤维,可以使混凝土的弹性模量增大,但加入60kg/m3钢纤维并没有增大混凝土的弹性模量,虽然使混凝土的轴压值大大增加了,但由于混凝土变形差值增加而弹性模量并没有增加,加入纤维的目的是使建筑物“长寿”,减小塑性收缩、干燥收缩、沉降收缩、温差与荷载等多种因素引起的基体中原有细微裂纹的出现,提高混凝土耐磨、抗疲劳等性能,纤维的加入,总体来说,对混凝土弹性模量影响不大。
2.4 混凝土弹性模量与粉煤灰掺量及养护龄期的关系(见表4、表5)

表4粉煤灰的掺量与弹性模量的关系


W/CSp(%)W(kg/m3)C(kg/m3)S(kg/m3)G(kg/m3)FAJmA(%)Slump(mm)Fa(28d)×103Es(28d)×104Fa(60d)×103Es(60d)×104
10.32351615006251160/0.60140226.34.55233.64.71
20.32351614256251160750.55170217.44.51205.14.65
30.323516137562511601250.50160198.24.39196.14.60

 

表5粉煤灰的不同掺量随混凝土龄期弹性模量的变化趋势


C(kg/m3)FA(kg/m3)S(kg/m3)G(kg/m3)W(kg/m3)PCA(%)Slump(mm)Es(3d)×104Es(7d)×104Es(28d)×104Es(90d)×104Es(180d)×104
FA0%390/77611641500.852003.483.554.294.534.62
FA15%3325877611641500.72052.863.584.284.574.91
FA30%27311777611641500.51802.683.464.154.474.85
FA45%21517577611641500.552102.593.373.854.124.54

   从以上两次实验结果可以看出,随着粉煤灰掺量的增大,混凝土的同期弹性模量有下降的趋势,在较少的粉煤灰掺量10%~25%内,混凝土的弹性模量下降幅度很有限,混凝土长期的弹性模量甚至超过没有加粉煤灰的混凝土,这可能是由于粉煤灰的活性效应和填充效应使混凝土更致密,混凝土的后期强度更加提高所致。
2.5 混凝土弹性模量与混凝土坍落度(slump)的关系(见表6)

表6同配比条件下的坍落度的关系


W/CSp(%)W(kg/m3)C(kg/m3)S(kg/m3)G(kg/m3)FA(kg/m3)JmA(%)Slump(mm)Fa(28d)×103Es(28d)×104
10.32351614506251160500.570218.44.21
20.32351614506251160500.75180237.84.23

    从以上实验结果可看出,在相同的水灰比条件下,混凝土的出料坍落度的大小对混凝土弹性模量的影响不大。
2.6 高性能混凝土弹性模量,以C50混凝土为例(见表7)

表7 C50混凝土的弹性模量


W(kg/m3)C(kg/m3)FA(kg/m3)SL(kg/m3)S(kg/m3)G(kg/m3)PCASlump(mm)Air(%)Fa(7d)×103Es(7d)×104Fa(28d)×103Es(28d)×104
1146340707073010946.722104.5115.33.67156.14.20
21463007011073010947.22104.8100.83.42124.83.99

    从以上实验结果可看出,高性能混凝土的28d弹性模量值是完全可以满足高速铁路对混凝土的弹性模量要求的,高性能混凝土是以后我国混凝土的发展方向,具有优异的施工和耐久性能。
2.7 混凝土弹性模量与骨料种类的关系(见表8)

表8骨料种类和混杂与弹性模量的关系

粗骨料类别W(kg/m3)C(kg/m3)FA(kg/m3)S(kg/m3)G(kg/m3)PCA(kg/m3)Slump(mm)Fa(28d)×103Es(28d)×104Fa(60d)×103Es(60d)×104
玄武岩1554505072510605180235.34.35253.34.68
陶粒1554505072510605220182.12.62186.02.89
50%陶粒+50%玄武1554505072510605210195.53.12203.23.40
石灰岩1554505072510605180230.14.27251.84.54
花岗岩1554505072510605170198.23.19204.63.57

   从以上实验结果可看出,陶粒混凝土的弹性模量约是同期玄武岩混凝土弹性模量的一半,两种骨料双掺后对混凝土弹性模量的改善有明显效果。不同种类的碎石骨料,所配制的高强度等级混凝土的弹性模量也有差异,像花岗岩配制的混凝土弹性模量值同期比较就偏低些。
 
3小结
    (1)对高度等级混凝土而言,粗骨料的品质对弹性模量的影响比较大,实际工程应用中应优选当地合适的骨料来配制高强度等级混凝土以满足对弹性模量的要求。
    (2)对粉煤灰混凝土,在掺量为25%以下时,同期早期弹性模量有些降低外,后期弹性模量不降低,甚至会超过基准混凝土。
    (3)对高性能混凝土而言,在掺入高效减水剂的条件下,大量地掺加掺合料,混凝土后期(28d)的弹性模量仍然能满足工程要求。
    (4)纤维的加入,在W/C相同的条件下对混凝土的弹性模量影响不大。

 

作者:王中华,张伟,吴刚,吕锋
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