C70水泥混凝土弹性模量试验研究

何国太，张宏宇

（1.山西交科公路工程咨询监理有限公司,山西 太原 030006；2.山西省交通建设工程质量检测（有限公司），山西 太原 030006）

1 概述

某高速公路采用先张法工字梁，混凝土强度等级为C70，设计弹性模量为3.70×104MPa。为了更好地控制先张工字梁上拱值，设计要求先张工字梁的混凝土强度和弹性模量达到设计值的85%后方可放张，即放张时混凝土强度需不小于59.5 MPa，弹性模量需不小于3.14×104MPa。为研究放张时混凝土试件的弹性模量和工字梁的弹性模量，制定了试验方案，开展了工字梁C70混凝土弹性模量的试验研究。

2 试验方案

C70混凝土弹性模量试验按照配合比设计验证阶段和工字梁预制阶段分别进行，对标准养护试件、放张前同条件养护试件、放张前工字梁实体的弹性模量进行试验检测。具体试验方案如下。

2.1 配合比设计验证阶段

在进行C70混凝土配合比设计和验证时，检测7 d、28 d标准养护试件的弹性模量。

2.2 工字梁预制阶段

2.2.1 同条件养护试件的弹性模量

在工字梁正常预制期间，在放张前按照每天检测1组的频率，检测同条件养护试件的弹性模量。

2.2.2 工字梁实体的弹性模量

在工字梁正常预制期间，在放张前使用预应力混凝土梁多功能检测仪（SPC-MATS），检测工字梁实体的弹性模量。

3 试验仪器与方法

3.1 混凝土试件的弹性模量测定

水泥混凝土试件的弹性模量依据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTE 30—2005）T0556—2005水泥混凝土棱柱体抗压弹性模量试验方法[1]，采用水泥混凝土在静力作用下的受压弹性模量测定方法测定，受压弹性模量取轴心抗压强度1/3时对应的弹性模量。

3.1.1 试验仪器

弹性模量测定仪由上环、下环、接触杆、千分表和紧定螺钉组成。

3.1.2 试验方法

成型混凝土棱柱体试件，尺寸为150 mm×150mm×300 mm，每组为同龄期同条件制作和养护的试件6根，其中3根用于测定混凝土轴心抗压强度，提出弹性模量试验的加荷标准，另3根用于弹性模量试验。混凝土抗压弹性模量Ec按式（1）计算：

式中：Fa为终载荷，N（1/3轴心抗压强度时对应的荷载值）；F0为初载荷，N（0.5 MPa时对应的荷载值）；Δn为最后一次加荷，试件两侧在Pa及P0作用下变形差的平均值，mm；L为标距，mm；A为试件承压面积，mm2。

3.2 工字梁实体的弹性模量测定

3.2.1 试验仪器

工字梁实体的弹性模量测定采用预应力混凝土梁多功能检测仪（SPC-MATS）测定。预应力混凝土梁多功能检测仪主要由前置放大器、传感器、电缆、激振装置、数据处理装置组成，对C70预制工字梁进行检测时，使用的传感器为ST-S31SC广域振动信号拾取装置，使用的激振装置为D17激振锤。

3.2.2 检测原理与方法

混凝土弹性模量检测原理为采用冲击弹性波作为测试媒介，通过测试弹性波的波速，计算材料的动弹性模量和推算相应的静弹性模量。C70混凝土波速的测试方案使用单面反射法（见图1），即在被测混凝土结构壁厚已知的前提下，利用弹性波的重复反射，通过频谱分析，可测得弹性波在被测混凝土构件中的传播时间和弹性波波速，该方法具有测试效率高、测试结果客观性强的特点。测试时，取8次试验的平均值作为检测值。

图1 单面反射法原理示意图

4 试验结果与分析

4.1 配合比设计和验证阶段弹性模量试验。

共进行了3次混凝土配合比设计和验证弹性模量试验，试验结果见图2。

图2 C70混凝土配合比设计和验证阶段弹性模量试验（单位：×104MPa）

从图2可以看出，7 d标准养护试件弹性模量平均值为4.79×104MPa，28 d标准养护试件弹性模量平均值为5.09×104MPa。7 d、28 d标准养护试件弹性模量均大于设计弹性模量3.70×104MPa的要求。

4.2 工字梁预制阶段同条件养护试件弹性模量试验

同条件养护试件弹性模量试验73组，工字梁C70混凝土同养试件的弹性模量均大于设计弹性模量3.70×104MPa的要求。按照实际放张前工字梁的龄期，回弹模量试验龄期为36～63 h。放张前，C70混凝土同养试件弹性模量的平均值为5.14×104MPa，最大值为 5.63×104MPa，最小值为 4.09×104MPa，变异系数为6.3%。结果显示C70混凝土蒸汽养护36 h以上时，弹性模量最小值达到设计值的111%，可满足设计放张时不小于设计弹性模量85%的要求。

4.3 工字梁预制阶段工字梁实体弹性模量试验

4.3.1 预应力混凝土梁多功能检测仪的验证

为验证现场弹性模量检测的准确性，成型了C70混凝土150 mm×150 mm×300 mm的棱柱体试件，先采用混凝土梁多功能检测仪（SPC-MATS）进行弹性模量检测，再进行静态弹性模量试验，进行结果对比。对比检测结果见表1。

表1 弹性模量多功能检测仪与室内静态弹性模量试验结果

从表1可以看出，混凝土梁多功能检测仪现场检测推算弹性模量结果与室内弹性模量试件的静态弹性模量结果基本相近，偏差在5%之内。

4.3.2 预制梁厂工字梁实体弹性模量检测结果

共检测了33片工字梁的弹性模量，检测结果均大于设计弹性模量3.70×104MPa的要求。1号梁场平均值为4.85×104MPa，最小值为4.41×104MPa，最大值为5.24×104MPa，变异系数为4.8%；2号梁场平均值为 4.71×104MPa，最小值为 4.49×104MPa，最大值为 4.92×104MPa，变异系数为3.3%；检测结果见图3、图4。

图3 1号梁厂的预制工字梁现场弹性模量检测结果

图4 2号梁厂的预制工字梁现场弹性模量检测结果

从图3、图4可以看出，C70预制工字梁在未放张时，工字梁的弹性模量可满足设计放张时不小于设计弹性模量85%的要求；现场检测的弹性模量平均值略大于试件的弹性模量，该偏差主要原因是现场工字梁拆模前，模板内蒸养保温效果好，且停止蒸养后模板仍具有一定的保温效果；而弹性模量试件放置于预制梁顶，蒸养效果略有差异。

4.3.3 预制梁厂工字梁放张时的弹性模量与同条件养护试件抗压强度分析

工字梁放张时同条件养护试件抗压强度平均值为64.5 MPa，达到设计强度的92%，大于设计值的85%（59.5 MPa）；相应的弹性模量平均值为4.85×104MPa，达到设计值的131%，大于设计值的85%（3.15×104MPa）和85%抗压强度时弹性模量的理论计算值97%（3.59×104MPa）。抗压强度和弹性模量与设计放张要求的对比见表2，弹性模量先于抗压强度达到放张设计要求。

表2 放张时的抗压强度与弹性模量试验结果与设计的对比

5 结论

通过以上试验研究，可以得出以下结论：

a）C70工字梁混凝土7 d标准养护试件弹性模量为 4.79×104MPa，28 d 为 5.09×104MPa，均大于设计弹性模量3.70×104MPa。

b）C70工字梁混凝土蒸汽养护36 h及以上时，同条件养护试件的弹性模量的平均值为5.14×104MPa，最大值为 5.63×104MPa，最小值为 4.09×104MPa，均可以达到设计值的111%以上，满足设计放张时不小于设计弹性模量85%的要求。

c）混凝土梁多功能检测仪现场检测弹性模量结果与室内弹性模量试件的静态弹性模量结果基本相近，可以用于弹性模量现场控制检测。

d）C70工字梁混凝土蒸汽养护36 h及以上时，多功能检测仪现场检测弹性模量平均值均大于设计弹性模量3.70×104MPa的要求，可满足设计放张时不小于设计弹性模量85%的要求。

e）同条件养护试件抗压强度达到设计强度的92%时，相对应的弹性模量现场检测可达到设计弹性模量的131%，弹性模量先于抗压强度达到放张设计要求。