膨胀混凝土静力抗压弹性模量试验研究

李红梅，李树山，王小兵，解 伟

(华北水利水电大学土木与交通学院，河南郑州450045)



膨胀混凝土静力抗压弹性模量试验研究

李红梅，李树山，王小兵，解 伟

(华北水利水电大学土木与交通学院，河南郑州450045)

分别对膨胀剂掺量为0、5%、10%、15%、20%及龄期为7、28、90 d，尺寸为150 mm×150 mm×300 mm的棱柱体混凝土试件进行了静压弹性模量的研究，利用回归分析的方法探讨了抗压弹性模量与抗压强度的关系。试验结果表明，静力抗压弹性模量与抗压强度有相似的变化规律，膨胀剂在混凝土中的掺量最优值为10%。

膨胀混凝土；弹性模量；抗压强度；龄期

使用膨胀水泥或添加膨胀剂，在水泥水化硬化过程中，能产生一定体积膨胀，称为膨胀混凝土。我国水泥的总产量中仅有0.2%为膨胀水泥，膨胀混凝土仍处于推广阶段，相关研究还不够。吴中伟院士等[1]系统开展了膨胀混凝土物理化学性能研究，提出了膨胀混凝土在钢筋限位条件下膨胀补偿收缩机理，促进了膨胀混凝土在工程中应用技术研究。游宝坤[2]等提出采用膨胀剂、掺合料同缓凝减水剂一起掺加的“三掺”方法，在大体积混凝土结构中得到应用。吴来峰等[3]经过多年的研究探索，利用膨胀混凝土的微膨胀性能，在水利工程裂缝的控制方面取得了显著成果。

弹性模量是反应混凝土应力应变关系的一个重要力学参数，而目前对膨胀混凝土弹性模量的研究相对较少，尚未建立成熟的理论体系，本文开展了膨胀混凝土的静力抗压下的弹性模量的试验研究并与立方体抗压强度进行对比，以期为膨胀混凝土力学性能提供试验数据，为膨胀混凝土工程技术应用提供参考。

1 试验概况

1.1 试验原材料

试验采用P.O 42.5级普通硅酸盐水泥，其物理力学性能见表1；采用UEA膨胀剂，其化学组成见表2。本次试验选用的砂为天然砂，其细度模数为2.7，表观密度为2 850 kg/m3，堆积密度为1 405 kg/m3，含泥量为5.1 kg/m3，粗骨料粒径为5～25 mm的连续级配碎石，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%。试验用水为普通饮用自来水。

表1 水泥性能指标

水泥强度等级标准稠度用水量/%凝结时间/min抗压强度/MPa抗弯强度/MPa初凝终凝3d28d3d28d安定性4252681652352464984189合格

表2 UEA膨胀剂化学组成 %

1.2 试验方案

本试验膨胀剂掺量采用等量置换水泥配置膨胀混凝土，置换率分别为0、5%、10%、15%和20%，龄期分别研究了7、28、90 d。根据《水工混凝土配合比设计规程》[4]，确定了5组配合比设计进行试验，见表3。试验中设置150 mm×150 mm×300 mm的棱柱体试件，每种配合比3个试件，共45个试件。上述试件都在标准养护室内进行养护。

表3 配合比设计

编号膨胀剂掺量/%混凝土各成分含量/kg·m-3水泥膨胀剂水砂碎石C0039401976441145C1537431971976441145C21035463941976441145C31533495911976441145C42031527881976441145

养护到龄期时，将试件从养护室取出，观察外观，剔除有明显缺陷的试件。首先进行预压，加载速度为0.2～0.3 MPa/s，取试件的最大预压力为破坏荷载的40%，反复预压3次，直到相邻两次变形值不大于0.003 mm，否则继续预压。预压结束后，进行正式的加载试验，每隔20 kN，记录一次变形值。当施加荷载到达破坏强度的50%时，取下千分表，然后继续加载到试件破坏，记录最终破坏值。

2 抗压弹性模量试验结果

2.1 试验结果

本试验的抗压弹性模量采用普通混凝土的弹性模量公式进行计算，试验数据的处理方法与立方体抗压强度的一样。试验所得混凝土静力抗压弹性模量见表4。

2.2 膨胀剂掺量对静压抗压弹性模量的影响

试验通过3个龄期来研究膨胀混凝土的静力抗压弹性模量的发展规律。膨胀剂掺量不同，弹性模量也有所不同，其关系如图1所示。从图1可以看出，膨胀混凝土静力抗压弹性模量的规律与抗压强度规律大致相似[5]。7 d龄期的试件，基准混凝土的静力抗压弹性模量最大，随着膨胀剂掺量的增加膨胀混凝土的弹性模量不断减小，尤其掺量达到15%时，下降幅度明显增大。膨胀剂掺量为5%、10%、15%、20%的混凝土静力抗压弹性模量分别是未掺加膨胀剂混凝土静力抗压弹性模量的97.95%、96.59%、82.94%、74.40%；28d龄期的试件，混凝土弹性模量随着膨胀剂掺量的增加，先增大后减小，10%掺量时弹性模量值最大。由此可得，28 d龄期时掺加适量的膨胀剂会使混凝土的抗压弹性模量超过基准混凝土，膨胀剂掺量为5%、10%、15%、20%的混凝土静力抗压弹性模量分别是未掺加膨胀剂混凝土静力抗压弹性模量的101.55%、111.18%、98.14%、82.30%；90 d龄期，规律基本与28d龄期一致，膨胀剂掺量为5%、10%、15%、20%的混凝土静力抗压弹性模量分别是未掺加膨胀剂混凝土静力抗压弹性模量的100.86%、105.16%、95.42%、85.10%。

表4 混凝土静力抗压弹性模量试验结果 GPa

图1 膨胀剂掺量对混凝土弹性模量的影响

本次试验结果表明，膨胀混凝土早期静力抗压弹性模量较低，而28 d以后其弹性模量逐步赶上并超过基准混凝土，膨胀剂适宜掺量为10%。

图2 弹性模量与立方体抗压强度关系曲线

GPa

2.3 抗压弹性模量与抗压强度关系

混凝土的静力弹性模量与立方体抗压强度密切相关，且弹性模量随着养护条件的提高和龄期增长而增大[6]。就普通混凝土而言，文献[7]给出了其弹性模量和立方体抗压强度之间的关系表达式1/Ec=(2.2+34.7/fcu)/102，式中，Ec为弹性模量，GPa；fcu立方体抗压强度，MPa。该公式假设，弹性模量的倒数与立方体抗压强度的倒数呈线性关系。综合本试验所研究的膨胀混凝土的弹性模量以及立方体抗压强度值可知，此公式不能很好地拟合本次试验的数据。因此，采用线性回归模型进行拟合：

7、28、90 d龄期弹性模量与抗压强度拟合曲线如图2所示。通过计算计算可知，7、28、90 d龄期时的相关系数分别是0.976 9、0.937 8、0.966 3，两者之间的回归效果比较显著。由回归方程计算出的弹性模量计算值与试验测得的试验值比较见表5。由表5可知，各龄期的弹性模量的计算值与试验值比值的均值为1左右，拟合效果较好。

3 结 论

(1) 膨胀混凝土早期的静力抗压弹性模量较低，而28 d以后其弹性模量逐步赶上并超过基准混凝土，膨胀剂适宜掺量为10%。

(2) 膨胀混凝土的抗压弹性模量与抗压强度的比值基本上随着膨胀剂掺量的增大而增大；同一膨胀剂掺量下随着龄期的增加两者之间的比值呈现减小的趋势。

(3)根据试验数据回归分析得到了膨胀混凝土弹性模量与混凝土立方体抗压强度不同龄期的拟合关系：

7 d龄期 1/Ec=(2.26+33.13/fcu)/102

28 d龄期 1/Ec=(1.93+41.16/fcu)/102

90 d龄期 1/Ec=(2.10+36.26/fcu)/102

[1]吴中伟. 补偿收缩混凝土[M]. 北京： 中国建筑工业出版社， 1979.

[2]游宝坤， 李乃珍. 膨胀剂及其补偿收缩混凝土[M]. 北京： 中国建筑工业出版社， 2005.

[3]吴来峰， 张锡祥. 水工补偿收缩混凝土[M]. 北京： 中国水利水电出版社， 2011．

[4]DL/T 5330—2005 水工混凝土配合比设计规程[S]．

[5]朱圣敏. 微膨胀混凝土配合比设计研究[J]. 商品混凝土， 2015(2)： 48- 51．

[6]盛黎， 金小群， 叶青. 复合胶凝材料对高性能膨胀混凝土力学性能的影响[J]. 混凝土， 2008(8)： 79- 81， 97．

[7]SL 191—2008 水工混凝土结构设计规范[S]．

(责任编辑 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

国家自然科学基金项目(U1404526)；郑州科技领军人才计划项目(112PLJRC354)；河南省科技攻关项目(132102310319)；河南省教育厅科技攻关项目(13B570121)

李红梅(1978—)，女，河南漯河人，讲师，硕士，从事混凝土材料与结构性能试验研究．

TU528.55；TV421.7

A

0559- 9342(2016)09- 0113- 03