高性能海工混凝土靜壓彈性模量的實(shí)測(cè)研究

1、<p>　　高性能海工混凝土靜壓彈性模量的實(shí)測(cè)研究</p><p>　　一、本課題研究的目的和意義</p><p>　　隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)的發(fā)展，各種超長、超高、超大型混凝土構(gòu)筑物，以及在嚴(yán)酷環(huán)境下使用的重大混凝土結(jié)構(gòu)，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(rèn)為是目前性能最為全面的混凝土，高強(qiáng)高性能混凝土不僅強(qiáng)度高，并具

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

3、測(cè)高性能海工混凝土靜力受壓彈性模量的基礎(chǔ)上，分析這一復(fù)合材料的變形性能，結(jié)合新舊規(guī)范和試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)的變化，分析其原因和由此產(chǎn)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(duì)混凝土結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境中的使用特點(diǎn)，通過合理的配制技術(shù)，形成耐久性能、施工性能、物理力學(xué)性能以及相關(guān)性能俱佳的混凝土材料。高性能海工混凝土的突出特點(diǎn)表現(xiàn)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(chǎn)和施工工藝等方面有所差別。具體表現(xiàn)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(jié)構(gòu)得以優(yōu)化，孔隙結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。（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(xué)性能的同時(shí)，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(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》(JTJ275—2000)中，規(guī)定用于海港工程的高性能混凝土，磨細(xì)礦渣的摻量可達(dá)到50％～80％，同時(shí)要求水膠比≤0．35，坍落度≥120 mm，強(qiáng)度等級(jí)≥C45，這也是我國首個(gè)對(duì)高性能混凝土技術(shù)要求進(jìn)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(shí)測(cè)的過程、結(jié)果分析</p><p><b>　　混凝土配合比設(shè)計(jì)</b></p><p>　　結(jié)合工程實(shí)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(jí)普通混凝土作為基準(zhǔn)混凝土進(jìn)行對(duì)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(zhǔn)混

7、凝土不摻礦物摻合料，使用普通減水劑。其編號(hào)分別為基準(zhǔn)組的50A/60A，受檢組的50B/60B，基準(zhǔn)混凝土所用原材料情況見表9，基準(zhǔn)混凝土配合比見表10。</p><p>　　表9 基準(zhǔn)混凝土原材料</p><p>　　表10 基準(zhǔn)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(yàn)過程</b></p><p>　　混凝土試件的制備和養(yǎng)護(hù)應(yīng)符合有關(guān)規(guī)定。每組成型150mm×150mm×150mm試件一組3塊測(cè)定立方體抗壓強(qiáng)度，150mm×150mm×300mm試件一組6根，其中3根用于測(cè)定軸心抗壓強(qiáng)度，提出彈性模量試驗(yàn)的加荷標(biāo)準(zhǔn)，另外3根則作彈性

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

10、?。?）軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)</p><p>　　混凝土軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)應(yīng)采用150mm×150mm×300mm棱柱體作為標(biāo)準(zhǔn)試件，這是因?yàn)槔庵w試件兩端受摩擦力的影響存在三向受壓應(yīng)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(qiáng)度低于立方體試件。一般隨強(qiáng)度等級(jí)不同有一定的關(guān)系：</p><p>　　fcp =（0.67～0.72）fc

11、u</p><p>　　在試驗(yàn)中各項(xiàng)齡期均為28天，試件從養(yǎng)護(hù)地點(diǎn)取出后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，以免試件內(nèi)部的溫濕度發(fā)生顯著變化。混凝土軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)應(yīng)按下列步驟進(jìn)行</p><p>　　1)、先將試件擦拭干凈，測(cè)量尺寸，并檢查其外觀。試件尺寸測(cè)量精確至1毫米，并據(jù)此計(jì)算試件的承壓面積。　　試件承壓面的不平度應(yīng)為每100毫米不超過0.05毫米，承壓面與相鄰面的不垂直度不應(yīng)超過±1度。

12、　　2)、將試件直立放置在試驗(yàn)機(jī)的下壓板上，試件的軸心應(yīng)與壓力機(jī)下壓板中心對(duì)準(zhǔn)。開動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，當(dāng)上壓板與試件接近時(shí),調(diào)整球座，使接觸均衡?！　』炷猎嚰脑囼?yàn)應(yīng)連續(xù)而均勻地加荷，其加荷速度應(yīng)為：強(qiáng)度等級(jí)低于C30的混凝土，取0.3MPa/s～0.5MPa/s；強(qiáng)度等級(jí)大于C30小于C60時(shí)，取0.5MPa/s～0.8MPa/s；強(qiáng)度等級(jí)大于C60時(shí)，取0.8MPa/s～1.0MPa/s。當(dāng)試件接近破壞而開始迅速變形時(shí)，應(yīng)停止調(diào)整試驗(yàn)機(jī)

13、油門一直至試件破壞。然后記錄破壞極限荷載F（N）。　　混凝土軸心抗壓強(qiáng)度應(yīng)按下式計(jì)算：</p><p>　　式中：fcp—混凝土軸心抗壓強(qiáng)度（MPa）；　　　　　F—破壞荷載（N）　　　　　A—試件承壓面積（mm2）?！　』炷凛S心抗壓強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)精確至0.1MPa?！　∫匀齻€(gè)試件測(cè)值的算術(shù)平均值作為該組試件的軸心抗壓強(qiáng)度值。三個(gè)測(cè)值中的最大值或最小值中如有一個(gè)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(qiáng)度值。如有兩個(gè)測(cè)值與中間值的差均超過中間值的15%，則該組試件的試驗(yàn)結(jié)果無效。</p><p>　　（3）靜力受壓彈性模量試驗(yàn)</p><p>　　測(cè)定的混凝土受壓彈性模量取應(yīng)力對(duì)應(yīng)軸心抗壓強(qiáng)度1/3時(shí)的彈性模量，在《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》GBJ81-85中規(guī)定是應(yīng)力對(duì)應(yīng)軸心抗壓強(qiáng)度40%時(shí)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(hù)地點(diǎn)取出后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)前試件用濕毛巾覆蓋，混凝土靜力受壓彈性模量試驗(yàn)應(yīng)按下列步驟進(jìn)行。</p><p>　　1)、先將試件擦拭干凈，測(cè)量尺寸，并檢查其外觀。試件尺寸測(cè)量精確至1 mm，并據(jù)此計(jì)算試件的承壓面積。試件不得有明顯缺損，端面不平時(shí)須先抹平?！　?)、微變形測(cè)量儀應(yīng)安裝在試件成型時(shí)兩側(cè)面的中線上，并對(duì)稱于試件的兩側(cè)（如圖

16、7）?！　?biāo)準(zhǔn)試件的測(cè)量標(biāo)距采用150 mm。</p><p><b>　　3)、對(duì)中</b></p><p>　　試件安裝好后，應(yīng)仔細(xì)調(diào)整其在試驗(yàn)機(jī)上的位置，使其軸心與下壓板的中心對(duì)準(zhǔn)（如圖6）。開動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)，當(dāng)上壓板與試件接近時(shí)調(diào)整球座，使接觸均衡，加荷到基準(zhǔn)應(yīng)力為0.5MPa對(duì)應(yīng)的初始荷載值F0，保持恒載60s并在以后的30s內(nèi)記錄兩側(cè)微變形測(cè)量儀的讀數(shù)。應(yīng)

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(qiáng)度fcp對(duì)應(yīng)的荷載值Fa，保持恒載60s并在以后的30s內(nèi)記錄兩側(cè)微變形測(cè)量儀的讀數(shù)?！　∫陨献x數(shù)應(yīng)和它們的平均值相差在20%以內(nèi)，否則應(yīng)重新對(duì)中試件后重復(fù)上述步驟。如果無法使差值降低到20%以內(nèi)，則此次試驗(yàn)無效。</p><p><b>　　4)、預(yù)壓</b></p><p>　

18、　確認(rèn)對(duì)中符合要求后，以相同速度卸荷至基準(zhǔn)應(yīng)力為0.5MPa對(duì)應(yīng)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(jìn)行兩次預(yù)壓循環(huán)。</p><p><b>　　5)、測(cè)試</b></p><p>　　在完成最后一次預(yù)壓后，保持60s初始荷載值F0，在后續(xù)的30s內(nèi)記錄兩側(cè)微變形測(cè)量儀的讀數(shù)，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(nèi)記錄兩側(cè)微變形測(cè)量儀的讀數(shù)?！　⌒冻⒆冃螠y(cè)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(qiáng)度，如試件的軸心抗壓強(qiáng)度與fcp相差超過fcp的20%時(shí)，就在報(bào)告中注明。</p><p>　?。?、混凝土的彈性模量值應(yīng)按下式計(jì)算：</p><p>　　式中：Ec——混凝土彈性模量（MPa）；　　　　　Fa——應(yīng)力為

20、1/3軸心抗壓強(qiáng)度時(shí)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(shí)試件兩側(cè)變形差的平均值（mm）；　　　　　L——測(cè)量標(biāo)距（mm）?！　椥阅Ａ康挠?jì)算結(jié)果應(yīng)精確至100MPa?！　椥阅Ａ堪?個(gè)試件測(cè)值的算術(shù)平均值計(jì)算。如果其中一個(gè)試件在測(cè)定彈性模量后，發(fā)現(xiàn)其抗壓強(qiáng)度值與用以決定試驗(yàn)控制荷載的軸心抗壓強(qiáng)度值相差超過后者的20%時(shí)，則彈性模量

21、值按另兩個(gè)試件測(cè)值的算術(shù)平均值計(jì)算，如有兩個(gè)試件超過上述規(guī)定，則試驗(yàn)結(jié)果無效。</p><p><b>　　試驗(yàn)結(jié)果及分析</b></p><p>　　對(duì)于的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在此不再列出，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表12，受檢混凝土50B的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見表13，受檢混凝土60B的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見表14，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表15。</p><p>　　表12 基準(zhǔn)混凝土數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)<

22、/p><p>　　由受檢混凝土試驗(yàn)結(jié)果繪出彈性模量與立方體抗壓強(qiáng)度的相關(guān)圖，受樣本本身的不均勻性和數(shù)量的影響，其離散性較大，詳見圖9。對(duì)兩組試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可以看出高性能海工混凝土彈性模量明顯高于同強(qiáng)度等級(jí)的普通混凝土，如圖10所示，在前版規(guī)范JTJ 023-85中要求對(duì)高強(qiáng)混凝土的彈性模量宜按實(shí)測(cè)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(rèn)為以實(shí)測(cè)為基礎(chǔ)較好。</p>

23、<p>　　表13 受檢混凝土（50B）數(shù)據(jù)匯總</p><p>　　表14 受檢混凝土（60B）數(shù)據(jù)匯總</p><p>　　表15 受檢混凝土數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)</p><p>　　圖10 不同彈性模量取值對(duì)比</p><p>　　彈性模量的提高對(duì)材料工程應(yīng)用的影響: </p><p>　　長期以來（其實(shí)

24、也只有100多年），面對(duì)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(rèn)為沒有延性的材料是不能作為工程結(jié)構(gòu)使用的，也甚至忘記歷史上，人們?cè)?jīng)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(jié)構(gòu)，仍然具有足夠的安全儲(chǔ)備。</p><p>　　應(yīng)該指出的是，從結(jié)構(gòu)體系整體角度，高強(qiáng)彈性材料對(duì)保證整體結(jié)構(gòu)的承載力、低損傷性和可修復(fù)性具有重要意義，因?yàn)椋?lt;/p><p>　　(1)高

25、強(qiáng)彈性材料強(qiáng)度高，結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸小，自重輕，便于實(shí)現(xiàn)超高度和大跨度工程結(jié)構(gòu)，也有利于較小地震等意外事件作用的動(dòng)力響應(yīng)；</p><p>　　(2)高強(qiáng)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(fù)能力，有利于結(jié)構(gòu)在經(jīng)受大變形后的復(fù)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(dá)到其極限強(qiáng)度時(shí)往往具有脆性破壞特征，但其相應(yīng)的變形能力與低強(qiáng)材料的延性是相適

26、應(yīng)的，當(dāng)在結(jié)構(gòu)體系中高強(qiáng)高性能材料構(gòu)件與低強(qiáng)高延性材料構(gòu)件結(jié)合，有利于整個(gè)結(jié)構(gòu)體系形成合理的損傷破壞機(jī)制，有利于減小和抵御意外事件的動(dòng)力作用；</p><p>　　(4)在正常使用階段，高強(qiáng)彈性材料的應(yīng)力水平通常遠(yuǎn)低于其強(qiáng)度，高強(qiáng)材料結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力安全儲(chǔ)備高。從安全儲(chǔ)備理論來分析，對(duì)于意外事件的作用，承載力儲(chǔ)備要比塑性變形能力儲(chǔ)備更有意義。塑性變形能力儲(chǔ)備的最重要功能是改變結(jié)構(gòu)自身的動(dòng)力特性和耗散動(dòng)力輸入能量，

27、減小結(jié)構(gòu)在意外事件作用下的動(dòng)力響應(yīng)，并使結(jié)構(gòu)盡快停止振動(dòng)。</p><p>　　因此，對(duì)于整個(gè)結(jié)構(gòu)體系，利用高強(qiáng)高性能材料作為主體結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵構(gòu)件，以保證整個(gè)結(jié)構(gòu)的整體性和承載力，及其低損傷性；利用低強(qiáng)高延性材料作為次要構(gòu)件和贅余構(gòu)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(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)，是合理利用高性能材料，形成高性能結(jié)構(gòu)體系的重要方法和發(fā)展方向。</p><p><b&

28、gt;　　結(jié)語</b></p><p>　　隨著近年來材料技術(shù)的發(fā)展，高強(qiáng)高性能工程結(jié)構(gòu)材料已可以以合理的價(jià)格提供給工程結(jié)構(gòu)應(yīng)用，各種高強(qiáng)高性能材料的研究和應(yīng)用也已經(jīng)有了長足的發(fā)展。隨之而來的問題是，如何正確并合理應(yīng)用各種不同性能的高性能材料，同時(shí)應(yīng)注意到其受力性能與傳統(tǒng)低強(qiáng)工程材料工程結(jié)構(gòu)的差別，以及由此對(duì)基于傳統(tǒng)低強(qiáng)工程材料發(fā)展成熟并已為廣大結(jié)構(gòu)工程師們和研究者們所熟悉的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和方法的不適用

29、于高強(qiáng)高性能工程結(jié)構(gòu)體系的挑戰(zhàn)。本文結(jié)合高性能工程材料的試驗(yàn)對(duì)比和工程實(shí)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(qiáng)化，以及不同試驗(yàn)方法產(chǎn)生的影響，取得以下主要結(jié)論：</p><p>　　(1) 可以考慮根據(jù)結(jié)構(gòu)所處環(huán)境和使用功能的要求，將高強(qiáng)高性能混凝土材料用于嚴(yán)酷作用下的關(guān)鍵部位，而將低強(qiáng)高延性材料用于結(jié)構(gòu)次要部位，而且這種設(shè)計(jì)概念可以引伸到結(jié)構(gòu)構(gòu)件層次。</p>

30、<p>　　(2) 針對(duì)高強(qiáng)高性能工程混凝土結(jié)構(gòu)的受力特性不同于傳統(tǒng)工程結(jié)構(gòu)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(diǎn)，這對(duì)提高工程結(jié)構(gòu)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(yīng)用，印證了科學(xué)理論的螺旋型發(fā)展的模式。高性能混凝土是個(gè)廣泛的概念，高性能海工混凝土的研究成果會(huì)在今后工程中不斷豐富，更好地為

31、工程服務(wù)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(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D62-2005</p><p>　　《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》JTJ 023-85</p><p>　　《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》JTJ041-2000<

32、/p><p>　　《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》JTG E30-2005</p><p>　　《公路工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》JTG B07-01-2006</p><p>　　《海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》(JTJ275-2000)</p><p>　　《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50081-2002</p

33、><p>　　《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》GBJ 81-85</p><p>　　《東海大橋高性能海工混凝土技術(shù)要求和應(yīng)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>