C70水泥混凝土彈性模量試驗研究

何國太，張宏宇

（1.山西交科公路工程咨詢監理有限公司,山西 太原 030006；2.山西省交通建設工程質量檢測（有限公司），山西 太原 030006）

1 概述

某高速公路采用先張法工字梁，混凝土強度等級為C70，設計彈性模量為3.70×104MPa。為了更好地控制先張工字梁上拱值，設計要求先張工字梁的混凝土強度和彈性模量達到設計值的85%后方可放張，即放張時混凝土強度需不小于59.5 MPa，彈性模量需不小于3.14×104MPa。為研究放張時混凝土試件的彈性模量和工字梁的彈性模量，制定了試驗方案，開展了工字梁C70混凝土彈性模量的試驗研究。

2 試驗方案

C70混凝土彈性模量試驗按照配合比設計驗證階段和工字梁預制階段分別進行，對標準養護試件、放張前同條件養護試件、放張前工字梁實體的彈性模量進行試驗檢測。具體試驗方案如下。

2.1 配合比設計驗證階段

在進行C70混凝土配合比設計和驗證時，檢測7 d、28 d標準養護試件的彈性模量。

2.2 工字梁預制階段

2.2.1 同條件養護試件的彈性模量

在工字梁正常預制期間，在放張前按照每天檢測1組的頻率，檢測同條件養護試件的彈性模量。

2.2.2 工字梁實體的彈性模量

在工字梁正常預制期間，在放張前使用預應力混凝土梁多功能檢測儀（SPC-MATS），檢測工字梁實體的彈性模量。

3 試驗儀器與方法

3.1 混凝土試件的彈性模量測定

水泥混凝土試件的彈性模量依據《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》（JTE 30—2005）T0556—2005水泥混凝土棱柱體抗壓彈性模量試驗方法[1]，采用水泥混凝土在靜力作用下的受壓彈性模量測定方法測定，受壓彈性模量取軸心抗壓強度1/3時對應的彈性模量。

3.1.1 試驗儀器

彈性模量測定儀由上環、下環、接觸桿、千分表和緊定螺釘組成。

3.1.2 試驗方法

成型混凝土棱柱體試件，尺寸為150 mm×150mm×300 mm，每組為同齡期同條件制作和養護的試件6根，其中3根用于測定混凝土軸心抗壓強度，提出彈性模量試驗的加荷標準，另3根用于彈性模量試驗。混凝土抗壓彈性模量Ec按式（1）計算：

式中：Fa為終載荷，N（1/3軸心抗壓強度時對應的荷載值）；F0為初載荷，N（0.5 MPa時對應的荷載值）；Δn為最后一次加荷，試件兩側在Pa及P0作用下變形差的平均值，mm；L為標距，mm；A為試件承壓面積，mm2。

3.2 工字梁實體的彈性模量測定

3.2.1 試驗儀器

工字梁實體的彈性模量測定采用預應力混凝土梁多功能檢測儀（SPC-MATS）測定。預應力混凝土梁多功能檢測儀主要由前置放大器、傳感器、電纜、激振裝置、數據處理裝置組成，對C70預制工字梁進行檢測時，使用的傳感器為ST-S31SC廣域振動信號拾取裝置，使用的激振裝置為D17激振錘。

3.2.2 檢測原理與方法

混凝土彈性模量檢測原理為采用沖擊彈性波作為測試媒介，通過測試彈性波的波速，計算材料的動彈性模量和推算相應的靜彈性模量。C70混凝土波速的測試方案使用單面反射法（見圖1），即在被測混凝土結構壁厚已知的前提下，利用彈性波的重復反射，通過頻譜分析，可測得彈性波在被測混凝土構件中的傳播時間和彈性波波速，該方法具有測試效率高、測試結果客觀性強的特點。測試時，取8次試驗的平均值作為檢測值。

圖1 單面反射法原理示意圖

4 試驗結果與分析

4.1 配合比設計和驗證階段彈性模量試驗。

共進行了3次混凝土配合比設計和驗證彈性模量試驗，試驗結果見圖2。

圖2 C70混凝土配合比設計和驗證階段彈性模量試驗（單位：×104MPa）

從圖2可以看出，7 d標準養護試件彈性模量平均值為4.79×104MPa，28 d標準養護試件彈性模量平均值為5.09×104MPa。7 d、28 d標準養護試件彈性模量均大于設計彈性模量3.70×104MPa的要求。

4.2 工字梁預制階段同條件養護試件彈性模量試驗

同條件養護試件彈性模量試驗73組，工字梁C70混凝土同養試件的彈性模量均大于設計彈性模量3.70×104MPa的要求。按照實際放張前工字梁的齡期，回彈模量試驗齡期為36～63 h。放張前，C70混凝土同養試件彈性模量的平均值為5.14×104MPa，最大值為 5.63×104MPa，最小值為 4.09×104MPa，變異系數為6.3%。結果顯示C70混凝土蒸汽養護36 h以上時，彈性模量最小值達到設計值的111%，可滿足設計放張時不小于設計彈性模量85%的要求。

4.3 工字梁預制階段工字梁實體彈性模量試驗

4.3.1 預應力混凝土梁多功能檢測儀的驗證

為驗證現場彈性模量檢測的準確性，成型了C70混凝土150 mm×150 mm×300 mm的棱柱體試件，先采用混凝土梁多功能檢測儀（SPC-MATS）進行彈性模量檢測，再進行靜態彈性模量試驗，進行結果對比。對比檢測結果見表1。

表1 彈性模量多功能檢測儀與室內靜態彈性模量試驗結果

從表1可以看出，混凝土梁多功能檢測儀現場檢測推算彈性模量結果與室內彈性模量試件的靜態彈性模量結果基本相近，偏差在5%之內。

4.3.2 預制梁廠工字梁實體彈性模量檢測結果

共檢測了33片工字梁的彈性模量，檢測結果均大于設計彈性模量3.70×104MPa的要求。1號梁場平均值為4.85×104MPa，最小值為4.41×104MPa，最大值為5.24×104MPa，變異系數為4.8%；2號梁場平均值為 4.71×104MPa，最小值為 4.49×104MPa，最大值為 4.92×104MPa，變異系數為3.3%；檢測結果見圖3、圖4。

圖3 1號梁廠的預制工字梁現場彈性模量檢測結果

圖4 2號梁廠的預制工字梁現場彈性模量檢測結果

從圖3、圖4可以看出，C70預制工字梁在未放張時，工字梁的彈性模量可滿足設計放張時不小于設計彈性模量85%的要求；現場檢測的彈性模量平均值略大于試件的彈性模量，該偏差主要原因是現場工字梁拆模前，模板內蒸養保溫效果好，且停止蒸養后模板仍具有一定的保溫效果；而彈性模量試件放置于預制梁頂，蒸養效果略有差異。

4.3.3 預制梁廠工字梁放張時的彈性模量與同條件養護試件抗壓強度分析

工字梁放張時同條件養護試件抗壓強度平均值為64.5 MPa，達到設計強度的92%，大于設計值的85%（59.5 MPa）；相應的彈性模量平均值為4.85×104MPa，達到設計值的131%，大于設計值的85%（3.15×104MPa）和85%抗壓強度時彈性模量的理論計算值97%（3.59×104MPa）。抗壓強度和彈性模量與設計放張要求的對比見表2，彈性模量先于抗壓強度達到放張設計要求。

表2 放張時的抗壓強度與彈性模量試驗結果與設計的對比

5 結論

通過以上試驗研究，可以得出以下結論：

a）C70工字梁混凝土7 d標準養護試件彈性模量為 4.79×104MPa，28 d 為 5.09×104MPa，均大于設計彈性模量3.70×104MPa。

b）C70工字梁混凝土蒸汽養護36 h及以上時，同條件養護試件的彈性模量的平均值為5.14×104MPa，最大值為 5.63×104MPa，最小值為 4.09×104MPa，均可以達到設計值的111%以上，滿足設計放張時不小于設計彈性模量85%的要求。

c）混凝土梁多功能檢測儀現場檢測彈性模量結果與室內彈性模量試件的靜態彈性模量結果基本相近，可以用于彈性模量現場控制檢測。

d）C70工字梁混凝土蒸汽養護36 h及以上時，多功能檢測儀現場檢測彈性模量平均值均大于設計彈性模量3.70×104MPa的要求，可滿足設計放張時不小于設計彈性模量85%的要求。

e）同條件養護試件抗壓強度達到設計強度的92%時，相對應的彈性模量現場檢測可達到設計彈性模量的131%，彈性模量先于抗壓強度達到放張設計要求。