混凝土动弹性模量与超声声速及抗压强度的关系研究.pdf

2 0 1 0 年 第 4 期 (总 第 2 4 6 期 ) Nu mbe r 4 i n 2 01 0( To t a l No2 4 6) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THE OR ETI CA L R E SE ARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 0 0 4 0 0 5 混凝土动弹性模量与超声声速及抗压强度的关系研究 孙丛涛 ，牛荻涛 ，元成方 ，盖青 山 。 ( 1 西安建筑科技大学 结构工程与抗震教育部重点实验室， 陕西 西安 7 1 0 0 5 5 ； 2 中铁十三局第四工程公司，黑龙江 哈尔滨 1 5 0 0 0 6 ) 摘要： 混凝土抗压强度是衡量混凝土性能的综合指标， 但 目 前判定混凝土冻融破坏采用的指标主要是混凝土动弹性模量， 而工程中混 凝土动弹性模量却无法测试， 因此建立混凝土抗压强度与动弹性模量的关系对于实际工程耐久性评估具有重要的意义。 通过不同水胶比、 粉煤灰掺量、 含气量混凝土在 3 5 N a C l 溶液中的快速冻融试验， 测试了混凝土的动弹性模量、 超声声时、 抗压强度， 根据测试结果建立了 混凝土动弹性模量与超声声速及抗压强度之间的关系， 为混凝土结构冻融损伤的评定提供了理论依据。 关键词 ： 混凝土 ；冻 融；动弹性模量 ；超声声速 ；抗压强度 中图分类号 ： T U 5 2 8 O l 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0 ) 0 4 0 0 1 4 0 3 S t u d y On r e l a t i o n b e t we e n d y n a m i c mo d u l u s o f e l a s t i c i t y a n d v e l o c i t y o f u l t r a s on i c s ou n d a n d c om p r e s sive s t r e ng t h f or c on cr et e S U NC o n g - t a o ， NI UDi ta o ， YU A NC h e n g - f a n g ， G AI Qi n g - s h a n ( 1 Ke yL a b o r a t o r yf o r S t r u c t u r a l E n g i n e e ri n ga n d S e i s mi cR e s i s t a n c e o f Mi n i s t r yo f E d u c a t i o n， Xi a nU n i v e r s i t yo f A r c h i t e c t u r e a n d T e c h n o l o g y Xi an 7 1 0 0 5 5 ， C h i n a ； 2 T h e 4 t hE n g i n e e ri n gC o mp anyo f Ch i n a R a i l wa y1 3 t hB ure a uG r o u pCo r p o rat i o n ， Ha r b i n1 5 0 0 0 6 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Co mp r e s s i v e s t r e n g t h o fc o n c r e t e i s a c o mp r e h e n s i v e i n de x wh i c h r e fle c t s t h e p e r f o r man c e o f c o n c r e t e ， b u t n O W d y n a mi c mo d u l u s o f e l a s t i c i ty i s t h e ma i n i n d e x t o j u d g e f r e e z e t h a w d a ma g e o f c o n c r e t e ， and t h e d y n a mi c mo d u l u s o f e l a s t i c i t y o f c o n c r e t e C a l l n o t b e me a s u r e d in a c t u a l e n g i n e e r i n g ， S O i t i s o f i mp o r t a n t s i g n i fi c a n c e for d u r a b i l i ty a s s e s s me n t o f a c t u a l e n g i n e e ri n g t o e s t a b l i s h t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n d yna mi c mo d u l u s o f e l a s t i c it y a n d c o mp r e s s i v e s t r e n g t h for c o n c r e t e Th e a c c e l e r a t e d f r e e z e t h a w t e s t s i n 35 s o d i u m c h l o rid e s o l u t io n o f the c o n c r e t e wi t h d i ff e r e n t wa t e r - b i n d e r r a t i o， d i ffe r e n tfl y a s h c o n t e n t a n d d i ffe r e n t a i r e n t r a i ni n g c o n t e n t we r e c o mpl e t e d， i nwh i c ht h ed yn a mi cmo d ul u so f e l a s t i c i ty， t h e t i me o f u lt r a s o n i c s o u n d a n d t h e c o mp r e s s i v e s t r e n gth o f c o n c r e t e w e r e me a s u r e d Ac c o r d i n g t o t h e t e s t r e s u l t ， t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n d y n am i c mo d u l u s o f e l a s t i c i ty and v e l o c i ty o f u l t r a s o n i c s o u n d and t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n d yna mi c mo d u l u s o f e l a s t i c i ty a n d c o mp r e s s i v e s tr e n gth for c o n c r e t ew e r e e s tab l i s h e d r e s p e c t i v e l y ， wh i c hp r o v i d e t h e o ry b a s i s f o r t h e e v a l u a t i o no nf r e e z e t h a wd am a g e o f c o n c r e t e s t r u c tur e Ke y wo r d s ： c o n c r e t e ； f r e e z e t h a w； d y n a mi c mo d u l u s o f e l a s t i c i ty； v e l o c i ty o f u l t r a s o n i c s o t m d ； c o mp r e s s i v e s t r e n gth 0 引言 冻融破坏标准的确定， 是混凝土冻融耐久性定量化设计的 基础。室内试验方法中， 快冻法是以混凝土动弹性模量降低至 6 0 或质量损失率达到 5 作为混凝土冻融破坏的标准l1 】 ， 慢冻 法由于费时费力已逐渐地被淘汰。可以看出， 以混凝土动弹性 模量和质量损失率作为冻融破坏的判定指标均是基于材料层 面提出的， 而在结构层面， 人们最关心的是冻融后混凝土强度 损失情况， 由此建立混凝土动弹性模量与抗压强度的关系可将 材料层面的冻融损伤指标与结构层面的冻融损伤指标有机地联 系起来， 从而为更加全面表征混凝土的冻融损伤情况奠定基础。 对于实际混凝土结构， 其动弹性模量是难以测试的翻， 因此 必须寻求既与动弹性模量相关 ， 又能在实际混凝土结构上直接 测试， 同时测试时又不能对混凝土结构本身造成损害的物理量。 众所周知， 超声声时和强度是混凝土无损检测技术中主要参数 指标 ， 动弹性模量和超声声时均为表示混凝土内部特征的重 要参数， 而强度又是混凝土性能的综合指标， 由此可见混凝土 动弹性模量与超声声时及强度之间是存在相关性的。 在混凝土动弹性模量与超声声速相关性研究方面， 文献【 6 】 提出了采用常规纵波超声换能器， 以表面平测法测定混凝土表 面波速来确定其动弹性模量 的方法， 得出固体材料的动弹性 模量与其表面波速之间的关系为： 0 87 +1 2 ( 1 ) ( 1 ) 式中： l 一泊松比； 固体的密度； 一 表面波速度 。 此关系式在应用时需事先确定混凝土的泊松比和密度， 较 为麻烦； 文献【 7 通过对不同强度等级混凝土在不同龄期的测试， 针对每一强度等级混凝土分别用一次函数和二次函数建立了动弹 性模量和超声声速之间的关系， 但其结果的应用存在很大局限性。 在混凝土动弹性模量与抗压强度相关性研究方面， 英国结 构混凝土实用规范( G P 1 1 0 ) t2 1 中给出了混凝土动弹性模量与抗 压强度的关系， 即： 收稿 日期 ：2 0 0 9 1 2 - 0 1 基金项目：国家 自 然科学基金重点项目( 5 0 5 3 8 0 6 0 ) ； 国家杰出青年科学基金( 5 0 7 2 5 8 2 4 ) ； 陕西省重点学科建设专项资金资助项目 l 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m E 7 6 R +1 4 ( 2) 式中： E d _ 一混凝土动弹性模量， GP a ； R 混凝土抗压强度 ， MP a 。 由于国外试验与国内试验在试验方法 、 物理量定义等方面 存在差异， 所以国外的试验成果尚不能直接应用于国内。 本研究将按照文献 1 】 中的快冻法对不同水胶比、 粉煤灰掺 量、 含气量混凝土在 3 5 Na C I 溶液中进行冻融试验， 根据对混 凝土动弹性模量、 超声声时及抗压强度的测试结果 ， 建立混凝 土动弹性模量与超声声速及抗压强度之间的关系， 从而为寒冷 地区海洋环境和除冰盐环境下混凝土结构冻融损伤的评定提 供理论依据。 1 试验概 况 1 1 试验材料及配合比 水泥为山东山水水泥集团青岛分公司生产的山水东岳牌 P 04 2 5 R级水泥， 粉煤灰为青岛鲁青粉煤灰公司生产的I I 级粉 煤灰， 细集料为细度模数 2 6 2的河砂， 粗集料为 5 2 0 mm的碎 石。混凝土的配合比及性能指标见表 1 。 表 1 混凝土配合 比及性能指标 1 2试 验 方 法 ( 1 ) 试件设计与制作 抗压强度试块的尺寸为 1 0 0 mmx l 0 0 mmx l 0 0 mm， 冻融试 件的尺寸为 1 0 0 mmx 1 0 0 mmx 4 0 0 mm。 昆 凝土搅拌采用单轴强 制式搅拌机 ， 搅拌时间为 4 mi n ， 混凝土的含气量测试采用 日本 三洋直读式 L C 6 1 5型含气量测定仪， 试件成型2 4 h后拆模放入 标准养护室养护 2 8 d ， 然后置于 自然环境中养护至 9 0 d 。 ( 2 ) 试验方法 将养护至龄期的冻融试件放人 3 5 N a C 1 溶液中浸泡 4 d ， 然后将试件放入盛有 3 5 Na C 1 溶液的试件盒中， 并将试件盒装 入快速冻融试验装置中进行冻融试验。 由于混凝土是一种非匀质、 各 向异性的， 且随时间和环境 条件而变化的多相混合材料 ， 即使同一配合比混凝土之间也存 在离散性， 所以为了建立更为准确的混凝土动弹性模量与超声 声速及抗压强度之间的关系， 用于关系回归的每组参数均源 自 同一个试件， 即每种配合比混凝土分别在 0、 5 0 、 1 0 0 、 1 5 0 、 2 0 0 、 2 5 0 、 3 0 0次冻融循环时取一个试件测试完质量、 动弹性模量和超 声声时后， 将其切割成 3个 1 0 0 mmx l 0 0 mmx l 0 0 I Y l l n试块测试 抗压强度， 切割后的冻融试件如图 1 所示。 图 1 切割后的冻融试件 ( 3 ) 质量 、 动弹性模量 、 超声声时测试 质量测试采用量程为 1 5 k g ， 精度为 1 g的电子天平 ， 动弹 性模量测试采用天津路达建筑仪器有限公司生产的 DT 一 1 2 W 型动弹性模量测定仪 ， 超声声时测试采用北京康科瑞工程检测 技术有限公司生产的NM 4 B型非金属超声检测分析仪 ， 精度为 0 1 s ，测试时分别将两个平面纵坡换能器置于冻融试件的两 个端面采用对测的形式， 用黄油作耦合剂， 将测得的声时通过 式( 3 ) 转换为声速 ， 即： f= t， 3) r= j J t 式中： ， 一 超声声速， k m s ； 卜一 超声测距 ， 即两换能器辐射面问试件的长度， mm； 超声波在 z 距离内传播的时间， s 。 ( 4 ) 抗 压强度测试 将试件置于全 自动压力试验机上以切割面作为承压面进 行抗压强度测试 。 2 试验结果与分析 2 1 混凝土动弹性模量与超声声速 的关系 混凝土动弹性模量是与混凝土 自身结构密切相关的， 当混 凝土内部结构发生变化时， 动弹性模量即相应发生变化【 8 J 。 超声声速即超声波在混凝土中传播的速度， 它是混凝土超 声 检测 中的一个重要 参数 。混 凝土声 速与混凝 土弹性性 质有 关 ， 也与混凝土内部结构( 孔隙、 材料组成) 有关。 不同组成的混 凝土， 其声速各不相同。一般说来， 弹陛模量越高， 内部越是致密， 其声速也越高。若混凝土内部有缺陷( 孔洞、 蜂窝体 ) ， 则该处混 凝土的声速将比正常部位低。当超声波穿过裂缝而传播时， 所测 得的声速也将 比无裂缝处声速有所降低。总之， 混凝土声速值 能反映混凝土的性能及其内部特征_ 3 。 由上述可见混凝土动弹性模量和超声声速均是表示混凝 土内部特征的重要参数， 两者之间必然存在相关性。 本研究采用平面纵波换能器以对测法测试了不同水胶 比、 粉煤灰掺量、 含气量混凝土在盐冻试验过程中的动弹性模量和 超声声时， 通过式( 3 ) 将声时转换为声速。考虑到混凝土动弹性 模量和超声声速均是表示混凝土内部特征的参数 ， 两者之间的 关系受水胶比、 粉煤灰掺量、 含气量等因素的影响较小 ， 为此对 不同水胶比、 粉煤灰掺量、 含气量混凝土的测试值统一进行了 回归分析。 混凝土动弹性模量与超声声速的关系曲线见图2 ， 关 系式见式 ( 4 ) 。 E 0 1 5 v 3 ( R = 0 6 1 6 ) ( 4 ) 】 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 超声声速 ( k m s ) 图 2 混凝土动弹性模量与超声声速关 系 式中： E 厂一 混凝土动弹性模量， G P a ； r _ 一超声声速 ， k r n s ； 相关系数 。 2 2 混凝土动 弹性模 量 与抗压 强度 的关 系 众所周知， 混凝土的综合评价指标历来是以标准试件的抗 压强度为依据的。在我国的无损检测技术中， 混凝土抗压强度 也是一个重要技术指标。目前检测结构混凝土抗压强度的方法 主要有钻芯法 、 嵌注试件法 、 回弹法、 超声法、 超声回弹综合法 等【3 J 。 作为反映混凝土内部特征的基本指标， 混凝土抗压强度和 动弹性模量之间也必然存在着相关性。 本研究测试了不同水胶比、 粉煤灰掺量、 含气量混凝土在 盐冻试验过程中的动弹性模量和抗压强度。考虑到水胶比、 粉 煤灰掺量、 含气量等因素对动弹性模量和抗压强度之间的关系 影响较小， 所以对不同水胶比、 粉煤灰掺量、 含气量混凝土的测 试值统一进行了回归分析。 混凝土动弹性模量与抗压强度的关 系曲线见图 3 ， 关系式见式( 5 ) 。 抗 压 强 度 ， MP 图 3 混凝土动弹性模置与抗压强度关系 E 8 5 Q ( R = 0 7 8 7 ) ( 5 ) 式中： 一混凝土动弹性模量 ， G P a ； r a 一 混凝土立方体抗压强度 ， MP a ； R 相关系数。 图 4对混凝 土动弹性模量 与抗压强度关 系的试验拟合 曲 线和英国规范提供的关系曲线进行了对比。从图4可以看出， 相同抗压强度的混凝土， 按英国规范计算得到的动弹性模量低 抗 压 强 度 ， M P 图 4 试验拟合曲线与英国规范曲线对 比 于按照本文拟合的公式计算得到的动弹性模量， 说明两关系曲 线之间是存在差异的， 其原因是 由试验方法 、 物理量定义等不 同造成的。 3结 论 本研究对不同水胶比、 粉煤灰掺量、 含气量混凝土在 3 5 N a C 1 溶液中进行了快速冻融试验， 通过对混凝土动弹性模量、 超声 声时、 抗压强度测试结果的回归分析分别建立了混凝土动弹性 模量与超声声速及抗压强度的关系， 并将混凝土动弹性模量与 抗压强度关系的试验拟合曲线和英国规范提供的关系曲线进 行 了对 比， 由于试验方法 、 物理量定义 等方 面的不 同， 两曲线之 间还是存在一定的差异。 参考文献： 【 1 G B J 8 2 8 5 ， 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方i S s 北京 ： 1 9 8 5 2 中国工程院土木水利与建筑学部工程结构安全，性与耐久性研究咨 询项目组 混凝土结构耐久性设计与施工指南 M E 京： 中国建筑工 业出版社 ， 2 0 0 4 【 3 】3 国家建筑工程质量监督检验中心 混凝土无损检测技术【 M 北京 ： 中 国建材工业出版社， 1 9 9 6 4 新编混凝土无损检测技术编写组 中国环境科学出版社， 2 0 0 2 5 】 吴新璇混凝土无损检测技术手册【 M 北京： 人民交通出版社， 2 0 0 3 6 罗骐先用纵波超声换能器测量混凝土表面波速和动弹性模量【 J J 水 利水运科学研究， 1 9 9 6 ， 2 1 ( 3 ) ： 2 6 4 2 6 9 【7 郝恩海， 刘杰 混凝土超声声速与强度和弹性模量的关系研究【 J I 天 津大学学报 ， 2 0 0 2 ， 3 5 ( 3 ) ： 3 8 0 3 8 3 8 关礼杰 以动弹性模量评定混凝土耐久性【 j 】 _铁道建筑， 1 9 8 1 作者简 介： 单位地址 ： 联 系电话 ： 孙丛涛( 1 9 7 9 一 ) ， 男， 博士研究生， 主要从事混凝土结构耐 久性方面的研究。 西安币罹塔路 1 3 号 西安建筑科技大学 1 2 7 号信箱( 7 1 0 0 5 5 ) 1 5 2 91 6 9 3 6 0 7 s t 0 、 t f 五圆 国家标准 墙体材料应用统一技术规范 ( 送审稿 ) 通过国家住房和城 乡建设部专家审查会审查 根据国家建设部建标 2 0 0 6 7 7号文下达的“ 关于印发( 2 0 0 6年工程建设标准规范制定、 修订计划( 第一批) 的通知 ” 的要求， 由 中国建筑东北设计研究院有限公司会同长沙理工大学、 沈阳建筑大学、 同济大学、 哈尔滨工业大学、 重庆大学、 上海建筑科学研究院 等国内设计 、 科研、 高校 、 施工企业等 2 4家单位， 经过两年多的调研 、 试验研究及条文编制 ， 广泛地征求了各方面的意见和建议， 经 不断完善， 完成了国家标准 墙体材料应用统一技术规范 送审稿。国家住房和城乡建设部标准定额司于 2 0 0 9年 l 2月 1 4日在浙江 省绍兴市主持召开了 墙体材料应用统一技术规范 送审稿( 以下简称“ 规范” ) 审查会。 审查委员会听取了编制组的编制工作汇报， 查阅了“ 规范” 编制的背景资料并对“ 规范” 送审稿进行了逐条审查， 经过认真讨论， 审查会认为该规范达到了国内领先水平。 审查委员会通过了对该规范送审稿的审查， 同时确定了“ 规范” 的强制性条文。 要求编制组 尽快完成规范报批稿， 上报国家住房和城乡建设部审批 、 颁布。 目前， 编制组正在按照审查会的结论做最后的修改， 争取尽快提交报批稿， 以供国家住房和城乡建设部批准、 颁布。 1 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m