混凝土材料彈性模量快速識別技術(shù)＊

李唐樑 張開銀 梅逸飛 范中林

（武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1） 武漢 430063） （十堰市公路管理局2） 十堰 442000）

0 引 言

在混凝土橋梁結(jié)構(gòu)（特別是舊橋）的靜力分析中，通常采用的混凝土材料彈性模量設(shè)計值，較之其實際彈性模量值要小很多，影響了結(jié)構(gòu)分析結(jié)果的可靠性．對于混凝土橋梁結(jié)構(gòu)，常采用鉆心測試方法來測量混凝土材料的彈性模量．此方法不但成本高，而且會造成橋梁結(jié)構(gòu)的局部損傷．所以探尋一項有效、低成本、無損傷的混凝土構(gòu)件真實彈性模量識別技術(shù)十分必要．

在復(fù)合材料理論中，認(rèn)為混凝土的平均彈性模量與水泥砂漿、骨料的彈模、各成分的體積分?jǐn)?shù)等因素有關(guān)［1］．文獻(xiàn)［2］則提出了基于結(jié)構(gòu)動力測試的大跨度混凝土橋梁彈性模量識別方法，利用所獲得的橋梁動力特性，識別出結(jié)構(gòu)的彈性模量．也有的研究從試驗著手，把混凝土彈性模量看成是關(guān)于齡期的函數(shù)［3－4］，然后將試驗數(shù)據(jù)擬合成各種計算公式，等等．本文的研究主要通過試驗展開，經(jīng)過對試驗數(shù)據(jù)的處理和分析，并嘗試從中尋找出合理的規(guī)律．

1 回彈測試原理

回彈測試法的原理［5］是：回彈儀中運動的重錘以一定的動能撞擊頂在混凝土表面的沖擊桿后，測出重錘被反彈回來的距離，即為回彈值（反彈距離與彈簧初始長度之比）．

當(dāng)兩物體碰撞時，按物體碰撞后變形的恢復(fù)程度（或能量損失），可分為完全彈性碰撞、彈性碰撞與塑性碰撞．由于被測混凝土構(gòu)件是彈性體，在與重錘碰撞過程中伴隨有能量損失，因此回彈儀重錘與被測混凝土構(gòu)件的碰撞屬于彈性碰撞．回彈儀測試混凝土構(gòu)件過程的力學(xué)模型，可簡化為一質(zhì)量為m、半徑為R的小球，至高h(yuǎn)1處自由落下碰撞到混凝土構(gòu)件后，并反彈至高度h2．設(shè)小球和混凝土材料的彈性模量分別為E1和E2，泊松比分別為μ1和μ2，v0為球與構(gòu)件碰撞前的速度，反彈高度h2為［6］

反彈高度h2就相當(dāng)于回彈測試中的回彈值．式（1）表明：h2隨碰撞時間t、混凝土材料參數(shù)E2、μ2不同而變化（其余的量皆為定量）．因此得知回彈值主要取決于混凝土材料的彈性模量和泊松比．

另外常用于推定混凝土構(gòu)件抗壓強(qiáng)度的還有超聲法，若使用應(yīng)力波理論分析超聲法的工作原理不難得知［7］

式中：ρ為密度值；μ為混凝土構(gòu)件泊松比；E為混凝土構(gòu)件彈性模量；vl為聲速值

式（2）表明：混凝土構(gòu)件中的聲速值vl也取決于混凝土材料的彈性模量．而實際操作時，不管是使用回彈法還是超聲法，都會出現(xiàn)誤差大等缺點，因而在檢測混凝土抗壓強(qiáng)度時，常采用超聲法與回彈法聯(lián)合測試抗壓強(qiáng)度，結(jié)果誤差比單一法小，適用范圍廣．但是由上述分析，聲速值和回彈值都分別與彈性模量直接相關(guān)，因此若采用超聲回彈綜合法來推定混凝土構(gòu)件彈性模量，會比用于推定抗壓強(qiáng)度值效果好．另外若能得出較準(zhǔn)確的彈性模量值，也能推測出較準(zhǔn)確的抗壓強(qiáng)度值．

2 回彈值－彈模關(guān)系曲線試驗

2．1 試驗的準(zhǔn)備

按照規(guī)范要求制作C40和C50混凝土標(biāo)準(zhǔn)棱柱體試塊各6塊（部分試塊見圖1），試塊尺寸為150mm×150mm×300mm．準(zhǔn)備好測量精度符合試驗要求的千斤頂、測力傳感器、回彈儀、DH3818應(yīng)變儀以及完好的應(yīng)變片和必備試驗工具，見圖2～3．

圖1 部分試件

2．2 試驗的過程

圖2 千斤頂和測力傳感器

圖3 設(shè)備整體布置

1）各取3個C40和C50混凝土標(biāo)準(zhǔn)棱柱體試塊，用于測定混凝土試塊的軸心抗壓強(qiáng)度．將剩余的試塊依次編號，在強(qiáng)度試驗結(jié)束后，用于測定混凝土試塊的彈性模量．

2）按試驗要求貼好應(yīng)變片，然后以全橋接入已調(diào)試好的應(yīng)變儀，若更換應(yīng)變儀測試通道時，則要修改靈敏系數(shù)．同時也將測力傳感器布置好．

3）將千斤頂與試塊安放好，調(diào)整對中，開始加荷至基準(zhǔn)應(yīng)力1MPa時的初始荷載值F0，讀數(shù)時保持恒載60s并在30s以后記錄每測點的應(yīng)變．然后連續(xù)均勻地再加1MPa的荷載值F0，每增加一個F0讀一次數(shù)，直至應(yīng)力為軸心抗壓強(qiáng)度的1／3荷載值Fa（10MPa）為止，每次讀數(shù)保持恒載60s并在以后30s內(nèi)記錄每一測點的應(yīng)變讀數(shù)．用千斤頂加載時速度應(yīng)均勻，不能過快．

4）用回彈儀在混凝土試件的4個側(cè)面各彈擊4個點并記錄各點回彈值．測試回彈值時，應(yīng)先將混凝土試塊側(cè)面磨平，避開上次彈擊過的點和太靠近邊緣的區(qū)域．

2．3 試驗數(shù)據(jù)處理

通過記錄的混凝土試件所受應(yīng)力和相應(yīng)的應(yīng)變值，繪制應(yīng)力－應(yīng)變曲線，彈性模量即為所得應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線的斜率．從測得的每1組回彈值中剔除最大最小值各2個，余下的用于計算平均回彈值R．見表1、表2．

表1 各試件隨齡期變化的回彈值與彈性模量值

表2 C40和C50對應(yīng)齡期最終的回彈值和彈性模量值

C40和C50混凝土的彈性模量設(shè)計值分別是32．5GPa和34．5GPa［8］．從表2中可看出到第十d C40和C50混凝土的彈性模量試驗值實際上已經(jīng)超過它們的設(shè)計值，若在橋梁靜力分析中繼續(xù)采用偏小的彈模設(shè)計值，則分析結(jié)果不能客觀的反應(yīng)橋梁結(jié)構(gòu)的整體性能和技術(shù)狀況．

C40和C50混凝土10d內(nèi)的回彈值－彈性模量關(guān)系曲線見圖4～5．

圖4 C40回彈值－彈性模量關(guān)系曲線

圖5 C50回彈值－彈性模量關(guān)系曲線

2．4 試驗結(jié)果分析

所處理得到的C40和C50回彈值和彈性模量值雖然略有偏小，但是也在正常的取值范圍內(nèi)．經(jīng)過分析有些數(shù)據(jù)會出現(xiàn)較大誤差的原因可能是：用千斤頂加荷時速度過快、試件的某一應(yīng)變片沒貼緊導(dǎo)致其變形滯后于混凝土變形．隨著時間的推移C40和C50的彈性模量值還是呈現(xiàn)上升趨勢的，只是比較養(yǎng)護(hù)較好時增加得慢一些，對試驗結(jié)果影響不大．

混凝土回彈值－彈性模量關(guān)系曲線是隨時間變化的．圖中回彈值－彈性模量關(guān)系曲線為直線的原因與數(shù)據(jù)處理方法有關(guān)．后期的回彈值－彈性模量關(guān)系曲線未必會呈線性變化，而是會呈曲線發(fā)展．

由于時間、經(jīng)費的關(guān)系，齡期在10d以后的混凝土回彈值和彈性模量值并沒有來得及測試出來，試件的數(shù)量也很少，但是試驗仍繼續(xù)進(jìn)行．雖然局限于各種因素，但是所得到的回彈值－彈性模量關(guān)系曲線是真實的．只要重復(fù)來做大量的試驗，將混凝土各個型號的回彈值－彈模關(guān)系曲線做出來，匯總起來，在以后的工程中只需用回彈儀測出某一型號混凝土構(gòu)件的平均回彈值，然后通過該型號混凝土的回彈值－彈模對應(yīng)關(guān)系曲線，便能夠較快速地將混凝土構(gòu)件的實際彈性模量識別出來．對于有限元結(jié)構(gòu)計算模型中材料參數(shù)的修正也會起到較大的幫助，從而可以保證橋梁結(jié)構(gòu)整體性能和技術(shù)狀況評價更加合理．

3 結(jié) 論

通過混凝土回彈測試機(jī)理的分析，從不同角度論證回彈值主要表征混凝土材料的彈性模量，并且通過試驗，建立C40和C50兩種型號的混凝土材料回彈值與彈性模量的關(guān)系，總結(jié)并得出以下結(jié)論．

1）通過對回彈測試方法的原理分析和應(yīng)力波理論分析，證明了回彈值是一個與混凝土材料彈性模量有關(guān)的值．

2）利用回彈測試方法可快速、方便、可靠地測得混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的彈性模量，但是需要做大量的試驗，測定各個型號混凝土材料相對應(yīng)的回彈值—彈模關(guān)系曲線才能為實際工程所應(yīng)用．

［1］肖建強(qiáng)．混凝土彈性模量的微分法預(yù)測［J］．山西建筑，2008，34（33）：55－58．

［2］趙永軍．基于動力測試的高速鐵路大跨連續(xù)梁橋混凝土彈性模量識別研究［J］．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2010（1）：78－82．

［3］朱伯芳．再論混凝土彈性模量的表達(dá)式［J］．水利學(xué)報，1996（3）：68－72．

［4］王偉成，高利甲．幾種混凝土彈性模量計算方法精度比較［J］．湖南工程學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2011（4）：23－27．

［5］張俊平，姚玲森．橋梁檢測［M］．北京：人民交通出版社，2002．

［6］蔡振巖，楊誠成．球與平板碰撞時間的理論計算及實測［J］．實驗室研究與探索，1995（3）：101－104．

［7］李 昕．彈性與非彈性的測量和應(yīng)用［M］．北京：冶金工業(yè)出版社，1999．

［8］中華人民共和國交通運輸部．公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范［S］．北京：人民交通出版社，2004．