预应力混凝土弹性模量与配合比关系的探讨.pdf

材料检测 年第3期 混凝土的弹性模量是体现混凝土受力与变形关系的重 要参数。若弹性模量较小，即使强度满足要求，也会使混 凝土变形较大，导致结构失衡，从而发生质量事故。C50 以上的预应力钢筋桥梁混凝土张拉时都要知道混凝土的弹 性模量；在计算混凝土变形、裂缝扩展，以及大体积混凝 土温度应力时也要知道混凝土的弹性模量；在铁路桥梁工 程中，要求混凝土的弹性模量要大于3.510 4 MPa。影响 混凝土弹性模量的因素很多，如配合比、试件制作及试验 过程中的操作等，这里主要从配合比方面进行探讨。 1测量仪器和试验方法 测量弹性模量的仪器是混凝土弹性模量测定仪（见图 1）。 试模：150 mm150 mm300 mm或100 mm 100 mm300 mm的塑钢或铸铁试模。 混凝土压力试验机见图2。 试验依据GB 500812002中混凝土静压弹性模量的 试验方法，参考交通部JTGE 302005公路工程水泥及水 泥混凝土试验规程相关内容进行。 试验操作过程：制作试件（150 mm150 m m 300 mm或100 mm100 mm300 mm）6个，养护到 一定龄期，将其中3个做轴心抗压强度试验，另外3个做变 形试验。将试验数据代入公式E= Fa- F0 l ，计算弹性 An 模量E。 式中：E混凝土抗压弹性模量，MPa； Fa终荷载，N； F0初荷载（0.5 MPa时对应的荷载值），N； A试件承压面积，mm 2； l测量标距，mm； n最后一次加载时，试件两侧在Fa及F0作用下 变形差平均值，。 2试验所用原材料 （1）水泥：P.I52.5水泥，品质指标见表1。 （2）砂子：河砂，品质指标见表2。 （3）碎石：520 mm碎石，品质指标见表3。 （4）高效减水剂：聚羧酸高效减水剂，掺量0.8， 减水率31。 （5）矿渣粉：S75级矿渣粉，品质指标见表4。 （6）粉煤灰：一级粉煤灰，品质指标见表5。 （7）拌和水：试验室饮用水，品质指标见表6。 3试验方案及结果分析 3.1混凝土弹性模量与水灰比之间的关系 采用4个不同的水灰比，固定砂率和容重制取混凝土 预 应 力 混 凝 土 弹 性 模 量 与 配 合 比 关 系 的 探 讨 李凤华 矫恒信 图1混凝土弹性模量测定仪 图2混凝土压力试验机 92 2010 mm 材料检测 3 年第3期 试件测定混凝土弹性模量的 试验方法，其配合比及试验 结果见表7。 由表7得到混凝土轴心 抗压强度、弹性模量与混凝 土水灰比之间关系的趋势线 见图3，图4。可以看出：混 凝土轴心抗压强度、弹性模 量随水灰比的减小而增大。 这与一些文献参考书中所给 的指标一致1，2。 3.2混凝土弹性模量与砂 率之间的关系 混凝土砂率是一个重要 参数，不仅影响新拌混凝土 的和易性和工作性，而且影 响硬化混凝土的使用性。为 探讨其对混凝土弹性模量的 影响，进行试验，结果见表 8，进而可得混凝土弹性模 量与砂率间关系趋势线（见 图5）。可见，混凝土弹性 模量在一定范围内随砂率的 增大而减小，因为砂率的降 低意味着混凝土粗骨料含量 的增加，混凝土变形相对减 小，从而使弹性模量增加。 因此，为得到更大的弹性模 量，在满足混凝土和易性、 工作性的前提下，应尽可能 地降低混凝土砂率。 3.3混凝土弹性模量与掺 合料粉煤灰掺量之间的关系 掺合料粉煤灰是发电厂 收集的一种工业废料，经磨 细而成，因其含有大量的活 性成分，被广泛应用在水泥 及水泥混凝土中。粉煤灰的 掺入大大提高了新拌混凝土 的和易性和硬化混凝土的耐 久性。关于掺合料粉煤灰对 比表面积/ （m 2kg- 1） 标准 稠度/ 凝结时间/ min 安 定 性 抗压强度/ MPa 抗折强度/ MPa 密度/ (kgm - 3) 烧失 量 碱含 量 初凝终凝3天 28天 3天28天 33525.6165235合格 35.4 56.86.89.03.151.63% 0.58% 含泥量/%泥块含量/细度模数 表观密度/ （kgm - 3） 堆积密度/ （kgm - 3） 氯离子含量/碱活性 1.80.82.842 6301 5600.1无 母岩强度/ MPa 含泥 量/ 泥块 含量/ 压碎值/ 针、片状 含量/ 表观密度/ （kgm - 3） 堆积密度/ （kgm - 3）碱活性 96.511.20.30.13.52 7201 430无 密度/ （gcm - 3） 比表面积/ （m 2kg- 1） 活性指数/ 流动 度比/ 含水 量/ 烧失 量/ MgO 含量/ 碱含量/ 7天28天 2.82386931191080.42.111.00.9 细度0.045 mm筛需水比/SO3/含水率/f- CaO/碱含量/氯离子含量/ 6.8840.52.21.881.680.03 PH Cl / （mgL - 1） SO4 2/ （mgL - 1） 不溶物/ （mgL - 1） 可溶物/ （mgL - 1） 碱含量/ （mgL - 1） 6.8118686369668 序 号 水灰 比 砂率/ % 水/ (kgm - 3) 水泥/ (kgm - 3) 砂子/ (kgm - 3) 碎石/ (kgm - 3) 减水剂A/ (kgm - 3) 坍落度/ mm 28天弹性 模量/MPa 1 0.375391534087161 1203.261604.1410 4 2 0.333391534596961 0593.671404.3710 4 3 0.300391535106761 0573.081104.6210 4 4 0.270391535676531 0224.54904.9310 4 表1混凝土弹性模量试验用水泥品质指标 表2混凝土弹性模量试验用砂子品质指标 表3混凝土弹性模量试验用碎石品质指标 表4混凝土弹性模量试验用矿渣粉品质指标 表5 混凝土弹性模量试验用粉煤灰品质指标 表6 混凝土弹性模量试验用拌和水品质指标 表7不同水灰比混凝土弹性模量试验结果 图3 轴心抗压强度F与水灰比W /C的关系 图4 E与W /C的关系 轴 心 抗 压 强 度 F 水灰比 W / C 弹 性 模 量 E /M P a 水灰比W/C 180 160 140 120 100 80 60 10 20 0 00.10.20.30.4 5 4.9 4.8 4.7 4.5 4.4 4.3 4.2 4.1 00.10.20.30.4 9 2010 材料检测 年第3期 混凝土弹性模量的影响，采用表9的配合比进行比较，可 得混凝土弹性模量与粉煤灰掺量之间关系的趋势线（见图 6）。可以看出早期（28天）混凝土掺入粉煤灰的弹性模量 比不掺粉煤灰的要低，但没有具体规律；而后期（56天） 混凝土在一定范围内，掺入粉煤灰的弹性模量比不掺粉煤灰 的要高的多，并呈增长趋势。 分析可知：由于粉煤灰的水化是在水泥水化产生的碱 性环境下开始的，故早期混凝土掺入粉煤灰的弹性模量低 于不掺粉煤灰的。随着混凝土龄期的延长，碱性环境也在 加强，从而刺激了粉煤灰的活性，使后期混凝土掺入粉煤 灰的弹性模量高于不掺粉煤灰的。掺粉煤灰对混凝土的长 期耐久性有利，而在现实的桥梁工程中，由于受张拉工期 和预制场地的限制，需要尽快张拉，对早期混凝土弹性模 量要求较高，故在混凝土配合比设计时（尤其冬期施工的 桥梁混凝土）应尽量少掺或不掺粉煤灰。 3.4混凝土弹性模量与矿渣粉掺量之间的关系 矿渣粉是炼钢厂钢材淬火时留下的废渣磨细而成，其 性质不同于粉煤灰，为分析矿渣粉对混凝土弹性模量的影 响，进行试验，结果见表10，进而可得两者间关系趋势线 （见图7）。 由图7可知，混凝土的弹性模量，无论早期还是后期 都随矿渣粉掺量的增加而增加。这说明掺入矿渣粉对早期 和后期的混凝土弹性模量均有利，这一点不同于粉煤灰。 3.5混凝土弹性模量与碎石粒径之间的关系 混凝土弹性模量与碎石粒径之间关系的试验结果见表 11。可以看出：在混凝土水胶比、砂率相同的前提下，混 凝土的弹性模量随碎石粒径的增大而增大，即为得到高的 序 号 水胶 比 水 （kgm - 3） 水泥/ （kgm - 3） 粉煤灰/ （kgm - 3） 砂子/ （kgm - 3） 碎石/ （kgm - 3） 减水剂A / （kgm - 3） 坍落度/ mm 28天弹性 模量/MPa 56天弹性 模量/MPa 10.3216050006081 1284.01404.3110 4 4.9910 4 20.32160450506081 1284.01603.6910 4 5.4310 4 30.32160425756081 1284.01753.9110 4 5.7810 4 40.321603501506081 1284.01953.8510 4 5.9210 4 序号水灰比砂率/% 水泥/ （kgm - 3） 砂子/ （kgm - 3） 碎石/ （kgm - 3） 水/ （kgm - 3） 减水剂A/ （kgm - 3） 坍落度/ mm 28天弹性模量/ MPa 10.30355106061 1261534.081205.7810 4 20.30405106761 0571534.081605.1610 4 30.30455107809531534.081804.7110 4 40.30505108668661534.081654.4710 4 50.30555109537801534.081403.9810 4 表9相同水胶比不同粉煤灰掺量混凝土弹性模量试验结果 图6混凝土弹性模量与粉煤灰掺量的关系 图7混凝土弹性模量与矿渣粉掺量的关系 表8 相同水灰比不同砂率混凝土弹性模量试验结果 图5混凝土弹性模量与砂率的关系 弹 性 模 量 E /M P a 砂率 SP /% 弹 性 模 量 E /M P a 粉煤灰掺量/kg 弹 性 模 量 E /M P a 矿渣粉的掺量/kg 7 6 5 4 3 2 1 0 102030405060 7 6 5 4 3 2 1 0 50150200 28天弹性模量 56天弹性模量 多项式 （28天弹性模量） 7 6 5 4 3 2 1 050100150200 94 2010 材料检测 5 年第3期 序号水胶比 水/ （kgm - 3） 水泥/ （kgm - 3） 砂子/ （kgm - 3） 碎石/ （kgm - 3） 减水剂A/ （kgm - 3） 28天弹性模量/MPa 1 0.321605006081 128（520 mm）4.04.7310 4 0.321605006081 128（531.5 mm）4.05.03104 2 0.351604576241 128（520 mm）3.64.1710 4 0.351604576241 128（531.5 mm）3.64.4910 4 标段 水泥/ (kgm- 3) 粉煤灰/ (kgm- 3) 矿渣粉/ (kgm- 3) 砂子/ (kgm- 3) 碎石（520 mm） / (kgm- 3) 减水剂A/ (kgm- 3) 水/ (kgm - 3) 7天弹性 模量/MPa 28天弹性 模量/MPa 1B218721946551 0025.321553.8110 4 4.3310 4 3合同272491737011 0144.451583.7110 4 4.0810 4 11合同116692277481 0314.21573.9910 4 4.8610 4 12合同270402807251 0405.11483.6710 4 4.4510 4 序号水胶比 水/ （kgm - 3） 水泥/ （kgm - 3） 矿渣粉/ （kgm - 3） 砂子/ （kgm - 3） 碎石/ （kgm - 3） 减水剂A / （kgm - 3） 28天弹性模量/ MPa 56天弹性模/ MPa 10.3216050006081 1284.04.3710 4 5.6310 4 20.32160450506081 1284.04.7910 4 5.8610 4 30.321604001006081 1284.04.881045.99104 40.321603501506081 1284.04.9310 4 6.1410 4 表10相同水胶比不同矿渣粉掺量混凝土弹性模量试验结果 表11相同水胶比不同碎石粒径混凝土弹性模量试验结果 表12C50混凝土弹性模量试验结果 混凝土弹性模量，在满足施工工艺的前提下，应尽可能使 用粒径大的碎石。 4预应力C50混凝土弹性模量试验结果 某大桥部分预应力C50混凝土弹性模量试验结果见表 12。 由表12可知：（1）混凝土的配合比，28天的混凝土 弹性模量都能满足工程设计要求的3.510 4 MPa，可用在 工程建设中；（2）双掺粉煤灰和矿渣粉对混凝土弹性模 量的影响没有明显的规律。 5结论 （1）混凝土弹性模量随水灰比的减小而增大，要使 混凝土拥有高的弹性模量，降低混凝土的水灰比是一重要 途径。 （2）砂率是影响混凝土弹性模量的重要因素。在一 定范围内，降低混凝土的砂率能够得到高的弹性模量。预 应力桥梁混凝土配合比设计时，在满足施工和易性的前提 下，应尽量减小混凝土的砂率。 （3）掺合料对混凝土弹性模量的影响因种类不同而 不同：粉煤灰对早期混凝土的弹性模量增长不利，但有利 于后期混凝土弹性模量增长，有利于混凝土的耐久性。在 工期要求紧，预应力场地小，尤其冬期施工时，尽量少用 或不用粉煤灰掺合料。 矿渣粉对混凝土早期、后期的弹 性模量都有利。 （4）粗骨料粒径对混凝土弹性模量影响较大，对弹 性模量要求较高的混凝土，应尽量使用粒径大的碎石。 6参考文献 1 冯乃谦. 最新实用混凝土大全M. 北京：科学出版社， 2005 2 陈建勋，马建秦. 隧道工程检测技术M. 北京：人民交 通出版社，2005 3 GB/T500812002 普通混凝土力学性能试验方法标准S 4 JTGE 302005 公路工程水泥及水泥混凝土试验规程S 李凤华：山东铁正工程试验检测中心有限公司，工程师， 山东 济南，250014 矫恒信：山东铁正工程试验检测中心有限公司，高级工程 师，山东 济南，250014 责任编辑 王肖文 9 2010