膨脹混凝土靜力抗壓彈性模量試驗研究

李紅梅，李樹山，王小兵，解 偉

(華北水利水電大學土木與交通學院，河南鄭州450045)

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膨脹混凝土靜力抗壓彈性模量試驗研究

李紅梅，李樹山，王小兵，解 偉

(華北水利水電大學土木與交通學院，河南鄭州450045)

分別對膨脹劑摻量為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度的關(guān)系。試驗結(jié)果表明，靜力抗壓彈性模量與抗壓強度有相似的變化規(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；抗壓強度；齡期

使用膨脹水泥或添加膨脹劑，在水泥水化硬化過程中，能產(chǎn)生一定體積膨脹，稱為膨脹混凝土。我國水泥的總產(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性能研究，提出了膨脹混凝土在鋼筋限位條件下膨脹補償收縮機理，促進了膨脹混凝土在工程中應用技術(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)中得到應用。吳來峰等[3]經(jīng)過多年的研究探索，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。

彈性模量是反應混凝土應力應變關(guān)系的一個重要力學參數(shù)，而目前對膨脹混凝土彈性模量的研究相對較少，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研究并與立方體抗壓強度進行對比，以期為膨脹混凝土力學性能提供試驗數(shù)據(jù)，為膨脹混凝土工程技術(shù)應用提供參考。

1 試驗概況

1.1 試驗原材料

試驗采用P.O 42.5級普通硅酸鹽水泥，其物理力學性能見表1；采用UEA膨脹劑，其化學組成見表2。本次試驗選用的砂為天然砂，其細度模數(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%。試驗用水為普通飲用自來水。

表1 水泥性能指標

水泥強度等級標準稠度用水量/%凝結(jié)時間/min抗壓強度/MPa抗彎強度/MPa初凝終凝3d28d3d28d安定性4252681652352464984189合格

表2 UEA膨脹劑化學組成 %

1.2 試驗方案

本試驗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計規(guī)程》[4]，確定了5組配合比設計進行試驗，見表3。試驗中設置150 mm×150 mm×300 mm的棱柱體試件，每種配合比3個試件，共45個試件。上述試件都在標準養(yǎng)護室內(nèi)進行養(yǎng)護。

表3 配合比設計

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

養(yǎng)護到齡期時，將試件從養(yǎng)護室取出，觀察外觀，剔除有明顯缺陷的試件。首先進行預壓，加載速度為0.2～0.3 MPa/s，取試件的最大預壓力為破壞荷載的40%，反復預壓3次，直到相鄰兩次變形值不大于0.003 mm，否則繼續(xù)預壓。預壓結(jié)束后，進行正式的加載試驗，每隔20 kN，記錄一次變形值。當施加荷載到達破壞強度的50%時，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 抗壓彈性模量試驗結(jié)果

2.1 試驗結(jié)果

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

2.2 膨脹劑摻量對靜壓抗壓彈性模量的影響

試驗通過3個齡期來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)律與抗壓強度規(guī)律大致相似[5]。7 d齡期的試件，基準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，尤其摻量達到15%時，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%摻量時彈性模量值最大。由此可得，28 d齡期時摻加適量的膨脹劑會使混凝土的抗壓彈性模量超過基準混凝土，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結(jié)果 GPa

圖1 膨脹劑摻量對混凝土彈性模量的影響

本次試驗結(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基準混凝土，膨脹劑適宜摻量為10%。

圖2 彈性模量與立方體抗壓強度關(guān)系曲線

GPa

2.3 抗壓彈性模量與抗壓強度關(guān)系

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

7、28、90 d齡期彈性模量與抗壓強度擬合曲線如圖2所示。通過計算計算可知，7、28、90 d齡期時的相關(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。由回歸方程計算出的彈性模量計算值與試驗測得的試驗值比較見表5。由表5可知，各齡期的彈性模量的計算值與試驗值比值的均值為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基準混凝土，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。

(3)根據(jù)試驗數(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. 補償收縮混凝土[M]. 北京： 中國建筑工業(yè)出版社， 1979.

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

[3]吳來峰， 張錫祥. 水工補償收縮混凝土[M]. 北京： 中國水利水電出版社， 2011．

[4]DL/T 5330—2005 水工混凝土配合比設計規(guī)程[S]．

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

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

[7]SL 191—2008 水工混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范[S]．

(責任編輯 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

國家自然科學基金項目(U1404526)；鄭州科技領軍人才計劃項目(112PLJRC354)；河南省科技攻關(guān)項目(132102310319)；河南省教育廳科技攻關(guān)項目(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)性能試驗研究．

TU528.55；TV421.7

A

0559- 9342(2016)09- 0113- 03