高性能海工混凝土靜壓彈性模量的實測研究

1、<p>　　高性能海工混凝土靜壓彈性模量的實測研究</p><p>　　一、本課題研究的目的和意義</p><p>　　隨著現代科學技術和生產的發(fā)展，各種超長、超高、超大型混凝土構筑物，以及在嚴酷環(huán)境下使用的重大混凝土結構，如高層建筑、跨海大橋、海底隧道工程等的建造需求在不斷增加，高性能混凝土由于具有許多優(yōu)良特性，被認為是目前性能最為全面的混凝土，高強高性能混凝土不僅強度高，并具

2、有耐久性好、抗?jié)B性強、抗凍性好，與高性能鋼材的有效結合，一方面可適應現代工程結構的向高層和大跨發(fā)展需要，減小結構構件尺寸，有效減輕構件或結構自重，不僅可以節(jié)約材料用量，減少資源消耗和材料生產過程中的污染物排放，更重要的是可顯著提高混凝土結構的耐久性，延長工程結構使用壽命，其所帶來的長期經濟效益和可持續(xù)發(fā)展是難以用具體指標來衡量的具有廣闊的應用前景，故應對其性能進行全面而深入的認識。</p><p>　　本課題在實

3、測高性能海工混凝土靜力受壓彈性模量的基礎上，分析這一復合材料的變形性能，結合新舊規(guī)范和試驗方法標準的變化，分析其原因和由此產生的影響。</p><p>　　二、高性能海工混凝土的介紹</p><p>　　高性能海工混凝土是針對混凝土結構在海洋環(huán)境中的使用特點，通過合理的配制技術，形成耐久性能、施工性能、物理力學性能以及相關性能俱佳的混凝土材料。高性能海工混凝土的突出特點表現在其高耐久和耐腐

4、蝕性能，尤其是混凝土抵抗氯離子侵蝕的性能方面。</p><p>　　與普通混凝土在原材料、配合比以及生產和施工工藝等方面有所差別。具體表現在，（1）高性能海工混凝土膠凝材料的原材料除水泥外，還要摻用至少一種礦物摻合料，并保證一定的膠凝材料用量，從而使得混凝土微結構得以優(yōu)化，孔隙結構得以改善。（2）高性能海工混凝土通過高性能混凝土減水劑的合理使用，降低混凝土單方用水量，有利于形成混凝土致密結構。（3）高性能海工混凝

5、土在保證其良好的施工性能和物理力學性能的同時，最大化地提高其耐久性能，尤其是抵抗海洋環(huán)境中的氯離子侵蝕作用。在《海港工程混凝土結構防腐蝕技術規(guī)范》(JTJ275—2000)中，規(guī)定用于海港工程的高性能混凝土，磨細礦渣的摻量可達到50％～80％，同時要求水膠比≤0．35，坍落度≥120 mm，強度等級≥C45，這也是我國首個對高性能混凝土技術要求進行具體規(guī)定的規(guī)范。</p><p>　　四、高性能海工混凝土靜壓彈性

6、模量實測的過程、結果分析</p><p><b>　　混凝土配合比設計</b></p><p>　　結合工程實際采用了C50和C60兩組高性能海工混凝土配合比作為受檢混凝土，C50混凝土坍落度在160mm～200mm之間，C60混凝土坍落度在50mm～70mm之間，另外配制兩組同等級普通混凝土作為基準混凝土進行對比，坍落度控制在與受檢混凝土基本相同，主要區(qū)別在于基準混

7、凝土不摻礦物摻合料，使用普通減水劑。其編號分別為基準組的50A/60A，受檢組的50B/60B，基準混凝土所用原材料情況見表9，基準混凝土配合比見表10。</p><p>　　表9 基準混凝土原材料</p><p>　　表10 基準混凝土配合比</p><p>　　受檢混凝土原材料情況見表1～表7，受檢混凝土配合比見表11。</p><p>

8、　　表11 受檢混凝土配合比</p><p><b>　　試驗過程</b></p><p>　　混凝土試件的制備和養(yǎng)護應符合有關規(guī)定。每組成型150mm×150mm×150mm試件一組3塊測定立方體抗壓強度，150mm×150mm×300mm試件一組6根，其中3根用于測定軸心抗壓強度，提出彈性模量試驗的加荷標準，另外3根則作彈性

9、模量試驗。</p><p>　?。?）主要儀器設備：</p><p>　　微機屏顯液壓萬能試驗機 WEW-1000D型 1000kN；</p><p>　　全自動混凝土壓力試驗機 DY-2008型 2000kN；</p><p>　　混凝土彈性模量測定儀HTY-Ⅱ型0～1mm 精度0.001mm 。</p><p>　

10、?。?）軸心抗壓強度試驗</p><p>　　混凝土軸心抗壓強度試驗應采用150mm×150mm×300mm棱柱體作為標準試件，這是因為棱柱體試件兩端受摩擦力的影響存在三向受壓應力，中部的橫向變形不受約束，處于單向均勻受壓。最終由于試件中部混凝土壓酥而破壞，抗壓強度低于立方體試件。一般隨強度等級不同有一定的關系：</p><p>　　fcp =（0.67～0.72）fc

11、u</p><p>　　在試驗中各項齡期均為28天，試件從養(yǎng)護地點取出后應及時進行試驗，以免試件內部的溫濕度發(fā)生顯著變化。混凝土軸心抗壓強度試驗應按下列步驟進行</p><p>　　1)、先將試件擦拭干凈，測量尺寸，并檢查其外觀。試件尺寸測量精確至1毫米，并據此計算試件的承壓面積?！　≡嚰袎好娴牟黄蕉葢獮槊?00毫米不超過0.05毫米，承壓面與相鄰面的不垂直度不應超過±1度。

12、　　2)、將試件直立放置在試驗機的下壓板上，試件的軸心應與壓力機下壓板中心對準。開動試驗機，當上壓板與試件接近時,調整球座，使接觸均衡。　　混凝土試件的試驗應連續(xù)而均勻地加荷，其加荷速度應為：強度等級低于C30的混凝土，取0.3MPa/s～0.5MPa/s；強度等級大于C30小于C60時，取0.5MPa/s～0.8MPa/s；強度等級大于C60時，取0.8MPa/s～1.0MPa/s。當試件接近破壞而開始迅速變形時，應停止調整試驗機

13、油門一直至試件破壞。然后記錄破壞極限荷載F（N）?！　』炷凛S心抗壓強度應按下式計算：</p><p>　　式中：fcp—混凝土軸心抗壓強度（MPa）；　　　　　F—破壞荷載（N）　　　　　A—試件承壓面積（mm2）。　　混凝土軸心抗壓強度計算應精確至0.1MPa。　　以三個試件測值的算術平均值作為該組試件的軸心抗壓強度值。三個測值中的最大值或最小值中如有一個與中間值的差值超過中間值的15%，則取中間值

14、作為該組試件的軸心抗壓強度值。如有兩個測值與中間值的差均超過中間值的15%，則該組試件的試驗結果無效。</p><p>　?。?）靜力受壓彈性模量試驗</p><p>　　測定的混凝土受壓彈性模量取應力對應軸心抗壓強度1/3時的彈性模量，在《普通混凝土力學性能試驗方法》GBJ81-85中規(guī)定是應力對應軸心抗壓強度40%時的加荷割線模量。</p><p>　　圖5 彈

15、性模量加荷方法示意圖</p><p>　　試件從養(yǎng)護地點取出后應及時進行試驗。試驗前試件用濕毛巾覆蓋，混凝土靜力受壓彈性模量試驗應按下列步驟進行。</p><p>　　1)、先將試件擦拭干凈，測量尺寸，并檢查其外觀。試件尺寸測量精確至1 mm，并據此計算試件的承壓面積。試件不得有明顯缺損，端面不平時須先抹平?！　?)、微變形測量儀應安裝在試件成型時兩側面的中線上，并對稱于試件的兩側（如圖

16、7）。　　標準試件的測量標距采用150 mm。</p><p><b>　　3)、對中</b></p><p>　　試件安裝好后，應仔細調整其在試驗機上的位置，使其軸心與下壓板的中心對準（如圖6）。開動壓力試驗機，當上壓板與試件接近時調整球座，使接觸均衡，加荷到基準應力為0.5MPa對應的初始荷載值F0，保持恒載60s并在以后的30s內記錄兩側微變形測量儀的讀數。應

17、立即以0.6MPa/s±0.4MPa/s的加荷速率均勻加荷到1/3軸心抗壓強度fcp對應的荷載值Fa，保持恒載60s并在以后的30s內記錄兩側微變形測量儀的讀數。　　以上讀數應和它們的平均值相差在20%以內，否則應重新對中試件后重復上述步驟。如果無法使差值降低到20%以內，則此次試驗無效。</p><p><b>　　4)、預壓</b></p><p>　

18、　確認對中符合要求后，以相同速度卸荷至基準應力為0.5MPa對應的初始荷載值F0，保持恒載60s。以相同速度加荷到Fa，保持恒載60s，最后以相同速度卸荷初始荷載值F0，至少進行兩次預壓循環(huán)。</p><p><b>　　5)、測試</b></p><p>　　在完成最后一次預壓后，保持60s初始荷載值F0，在后續(xù)的30s內記錄兩側微變形測量儀的讀數，再用相同加荷速度

19、加荷到Fa，再保持60s恒載，并在后續(xù)的30s內記錄兩側微變形測量儀的讀數?！　⌒冻⒆冃螠y量儀，以同樣速度加荷至破壞，記錄破壞極限荷載F（N），取得試件的棱柱體抗壓強度，如試件的軸心抗壓強度與fcp相差超過fcp的20%時，就在報告中注明。</p><p>　　６)、混凝土的彈性模量值應按下式計算：</p><p>　　式中：Ec——混凝土彈性模量（MPa）；　　　　　Fa——應力為

20、1/3軸心抗壓強度時的荷載（N）；　　　　　Fo——初始荷載（N）；　　　　　A——試件承壓面積（mm2）；　　　　　Δn——最后一次從Fo加荷到Fa時試件兩側變形差的平均值（mm）；　　　　　L——測量標距（mm）?！　椥阅Ａ康挠嬎憬Y果應精確至100MPa。　　彈性模量按3個試件測值的算術平均值計算。如果其中一個試件在測定彈性模量后，發(fā)現其抗壓強度值與用以決定試驗控制荷載的軸心抗壓強度值相差超過后者的20%時，則彈性模量

21、值按另兩個試件測值的算術平均值計算，如有兩個試件超過上述規(guī)定，則試驗結果無效。</p><p><b>　　試驗結果及分析</b></p><p>　　對于的實測數據在此不再列出，統(tǒng)計結果見表12，受檢混凝土50B的實測數據見表13，受檢混凝土60B的實測數據見表14，統(tǒng)計結果見表15。</p><p>　　表12 基準混凝土數據統(tǒng)計<

22、/p><p>　　由受檢混凝土試驗結果繪出彈性模量與立方體抗壓強度的相關圖，受樣本本身的不均勻性和數量的影響，其離散性較大，詳見圖9。對兩組試驗結果進行對比可以看出高性能海工混凝土彈性模量明顯高于同強度等級的普通混凝土，如圖10所示，在前版規(guī)范JTJ 023-85中要求對高強混凝土的彈性模量宜按實測平均值的0.95倍取用，在新規(guī)范JTG D62-2005中刪除了這種取值，本人認為以實測為基礎較好。</p>

23、<p>　　表13 受檢混凝土（50B）數據匯總</p><p>　　表14 受檢混凝土（60B）數據匯總</p><p>　　表15 受檢混凝土數據統(tǒng)計</p><p>　　圖10 不同彈性模量取值對比</p><p>　　彈性模量的提高對材料工程應用的影響: </p><p>　　長期以來（其實

24、也只有100多年），面對所能夠使用的傳統(tǒng)工程材料和長期的工程教育，工程師們都認為沒有延性的材料是不能作為工程結構使用的，也甚至忘記歷史上，人們曾經使用鑄鐵、石頭和木材等這些近似彈脆性材料所建造的大量工程結構，仍然具有足夠的安全儲備。</p><p>　　應該指出的是，從結構體系整體角度，高強彈性材料對保證整體結構的承載力、低損傷性和可修復性具有重要意義，因為：</p><p>　　(1)高

25、強彈性材料強度高，結構構件尺寸小，自重輕，便于實現超高度和大跨度工程結構，也有利于較小地震等意外事件作用的動力響應；</p><p>　　(2)高強彈性材料彈性范圍大，在彈性范圍無損傷，且具有良好的彈性回復能力，有利于結構在經受大變形后的復位；</p><p>　　(3)高彈性材料彈性變形能力大，盡管高彈性材料在達到其極限強度時往往具有脆性破壞特征，但其相應的變形能力與低強材料的延性是相適

26、應的，當在結構體系中高強高性能材料構件與低強高延性材料構件結合，有利于整個結構體系形成合理的損傷破壞機制，有利于減小和抵御意外事件的動力作用；</p><p>　　(4)在正常使用階段，高強彈性材料的應力水平通常遠低于其強度，高強材料結構構件的承載力安全儲備高。從安全儲備理論來分析，對于意外事件的作用，承載力儲備要比塑性變形能力儲備更有意義。塑性變形能力儲備的最重要功能是改變結構自身的動力特性和耗散動力輸入能量，

27、減小結構在意外事件作用下的動力響應，并使結構盡快停止振動。</p><p>　　因此，對于整個結構體系，利用高強高性能材料作為主體結構和關鍵構件，以保證整個結構的整體性和承載力，及其低損傷性；利用低強高延性材料作為次要構件和贅余構件，利用其塑性變形和滯回耗能能力，減小意外事件作用引起的結構動力響應，是合理利用高性能材料，形成高性能結構體系的重要方法和發(fā)展方向。</p><p><b&

28、gt;　　結語</b></p><p>　　隨著近年來材料技術的發(fā)展，高強高性能工程結構材料已可以以合理的價格提供給工程結構應用，各種高強高性能材料的研究和應用也已經有了長足的發(fā)展。隨之而來的問題是，如何正確并合理應用各種不同性能的高性能材料，同時應注意到其受力性能與傳統(tǒng)低強工程材料工程結構的差別，以及由此對基于傳統(tǒng)低強工程材料發(fā)展成熟并已為廣大結構工程師們和研究者們所熟悉的結構設計理論和方法的不適用

29、于高強高性能工程結構體系的挑戰(zhàn)。本文結合高性能工程材料的試驗對比和工程實踐，論述了高性能海工混凝土由于材料、配比和施工工藝的變化帶來了變形特性的強化，以及不同試驗方法產生的影響，取得以下主要結論：</p><p>　　(1) 可以考慮根據結構所處環(huán)境和使用功能的要求，將高強高性能混凝土材料用于嚴酷作用下的關鍵部位，而將低強高延性材料用于結構次要部位，而且這種設計概念可以引伸到結構構件層次。</p>

30、<p>　　(2) 針對高強高性能工程混凝土結構的受力特性不同于傳統(tǒng)工程結構的問題，本文指出高性能海工混凝土材料基本性能的變化，其彈性極限有顯著提高，而彈性極限是宏觀裂縫的起點，這對提高工程結構的耐久性有很好的支撐。</p><p>　　(3)可以說，新材料的性能研究和在工程中的應用，印證了科學理論的螺旋型發(fā)展的模式。高性能混凝土是個廣泛的概念，高性能海工混凝土的研究成果會在今后工程中不斷豐富，更好地為

31、工程服務是我們的期待。</p><p><b>　　參考資料：</b></p><p>　　《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》JTG D62-2005</p><p>　　《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》JTJ 023-85</p><p>　　《公路橋涵施工技術規(guī)范》JTJ041-2000<

32、/p><p>　　《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》JTG E30-2005</p><p>　　《公路工程混凝土結構防腐蝕技術規(guī)范》JTG B07-01-2006</p><p>　　《海港工程混凝土結構防腐蝕技術規(guī)范》(JTJ275-2000)</p><p>　　《普通混凝土力學性能試驗方法標準》GB/T 50081-2002</p

33、><p>　　《普通混凝土力學性能試驗方法》GBJ 81-85</p><p>　　《東海大橋高性能海工混凝土技術要求和應用指南》，上海市高性能混凝土研究發(fā)展中心，2003年</p><p>　　《高性能海工混凝土專用摻合料》Q/QJCW 03-2002</p><p>　　《長江隧橋工程專用摻合料》Q/SVDX 2-2005</p>