龄期对桥梁上部结构机制砂混凝土弹性模量的影响

安苏龙

（临汾市交通建设质量监督站，山西 临汾 041000）

0 引言

随着社会经济的迅猛发展，基础工程建设对于混凝土的需求量呈日益上升的趋势。鉴于短期不可再生性资源的河砂，尤其是对于山西以山为主河砂资源相对短缺的地方，已不能满足工程建设的大幅度需求，所以将本地岩石资源加工成机制砂来解决河砂匮乏的问题成为大势所趋，同时可以节省工程建设成本。

机制砂已经逐渐在工程建设中使用，并受到国家、内陆众多地方的大力支持[1-2]。董超等发现机制砂因外观形貌、石粉含量等指标与河砂不同，导致混凝土性能不同[3]。吴勇等研究发现预应力混凝土对于机制砂的生产技术要求很高，要对选矿、生产工艺和质量检测严格控制[4-6]。赵年全依托京沪高速铁路研究了泥粉含量、用水量、砂率对C30、C35混凝土强度的影响[7]。宁成晋等发现了机制砂中石粉含量会降低C60高性能混凝土弹性模量[8]。孟亚锋等发现机制砂加入高性能混凝土会提升弹性模量[9]。宁成晋与孟亚锋等的观点存在矛盾，鉴于桥梁上部结构多为预应力混凝土结构，对于钢筋混凝土结构抵抗变形性能要求较高，即需要对机制砂混凝土弹性模量进行深入研究。本文以C50机制砂混凝土为研究对象，对其弹性模量随龄期变化进行试验研究，以期为工程实践提供试验依据。

1 试验方案

1.1 试验材料

原材料主要有水泥、矿粉、机制砂、碎石和水。

a）水泥 选用P.O 52.5，主要性能见表1。

表1 水泥化学成分及物理力学性能

b）矿物掺合料 山西产S95级矿粉，主要性能见表2。

表2 矿粉性能表

c）机制砂 山西产级配合格的Ⅱ区中砂，其累计筛余曲线见图1，物理指标见表3。

图1 机制砂的颗粒级配曲线

表3 机制砂的物理指标

d）碎石 采用石灰石碎石，级配合格，物理指标见表4。

表4 碎石物理指标

e）外加剂 山西产HJSX-A型聚羧酸高效减水剂，减水率25%。

f）拌合水 自来水。

1.2 试验配合比

试验制作C50高性能机制砂混凝土，设计的坍落度为180±20 mm，机制砂混凝土配合比见表5。

表5 混凝土配合比 kg/m3

1.3 试件制作

机制砂混凝土的轴心抗压强度与弹性模量试验采用150 mm×150 mm×300 mm的棱柱体标准试件。设置3 d、5 d、7 d、28 d和56 d五个龄期。通过测得的机制砂混凝土轴心抗压强度确定弹性模量试验的加荷参数，测试为一组3个试件，如图2。

图2 试验试件制作

根据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》JTG E30—2017、《普通混凝土力学性能试验方法》GB/T 50081—2019，制作机制砂混凝土试件后，进行标准养护。

1.4 轴心抗压试验及弹性模量试验

对于轴心抗压强度试验，加速荷载为0.5～0.8 MPa/s，结果精确至0.1 MPa。对于弹性模量试验，采用试验中应力为0.5 MPa所对应的荷载值11.25 kN，保持荷载不变，持续60 s并在之后的30 s内记录各测点的初始变形读数，接着继续均匀地加载至应力为1/3轴心抗压强度值的荷载值，保持荷载不变并在以后的30 s内记录各测点的最终变形读数。

用《混凝土强度检验评定标准》GB/T 50107—2010中统计方法对混凝土抗压强度、弹性模量检测值进行有效性确认。

所用主要仪器设备：STYE-3000C型电脑全自动混凝土压力试验机，如图3；WAW-1000kN微机控制电液伺服万能试验机，如图4。

图3 全自动混凝土压力试验机

图4 微机控制电液 伺服万能试验机

2 试验结果与分析

2.1 龄期对机制砂混凝土轴心抗压强度的影响

机制砂混凝土在不同龄期下轴心抗压强度测试值如表6。

表6 不同龄期下机制砂混凝土轴心抗压强度

随着龄期的增加，机制砂混凝土的轴心抗压强度7 d前增长很快，7 d后增长较慢。5 d的轴心抗压强度较3 d的轴心抗压强度增长了14.5%，7 d的轴心抗压强度较5 d的轴心抗压强度增长了15.5%，表明前 7 d内轴心抗压强度呈近线性升高；28 d的轴心抗压强度较7 d的轴心抗压强度增长了5.0%，56 d的轴心抗压强度较28 d的轴心抗压强度增长了10.7%，表明7 d至28 d内轴心抗压强度增长幅度不大，而28 d至56 d轴心抗压强度增长幅度又有所增加。总体表明7 d的轴心抗压强度就达到很高的强度，可以满足桥梁上部结构预应力混凝土对混凝土材料强度的要求。

根据机制砂混凝土轴心抗压强度变化的趋势，选取双曲函数接近的数学模型进行拟合，再将曲线转换为线性关系。

根据表6建立u-v线性拟合关系，由u-v相关关系，代入v=1/x，u=1/y，导出机制砂抗压强度随龄期的变化关系，见表7，机制砂抗压强度随龄期变化的拟合曲线如图5。

表7 机制砂混凝土轴心抗压强度与龄期

图5 龄期对机制砂混凝土轴心抗压强度的影响

2.2 龄期对机制砂混凝土弹性模量的影响

机制砂混凝土在不同龄期下弹性模量时，测试值如表8，测试时电脑界面如图6。

表8 不同龄期下机制砂混凝土弹性模量

图6 弹性模量测试图

随着龄期的增加，机制砂混凝土的弹性模量总体呈线性增长趋势。5 d的弹性模量较3 d的弹性模量增长了3.3%，7 d的弹性模量较5 d的弹性模量增长了6.6%，表明前3 d至7 d内弹性模量增长加快；28 d的弹性模量较7 d的弹性模量增长了4.8%，56 d的弹性模量较28 d的弹性模量增长了5.9%，表明7 d至56 d的弹性模量增长幅度相对稳定。相对于28 d，7 d的弹性模量已达到很高，可以满足桥梁上部结构预应力混凝土对混凝土材料抵抗变形性能的要求。

根据机制砂混凝土弹性模量变化的趋势，选取双曲函数接近的数学模型进行拟合，再将曲线转换为线性关系。

根据表8建立u-v线性拟合关系，由u-v相关关系，带入v=1/x，u=1/y，导出机制砂混凝土弹性模量随龄期的变化关系，见表9，机制砂混凝土弹性模量随龄期变化的拟合曲线如图7。

表9 机制砂混凝土弹性模量与龄期

图7 龄期对机制砂混凝土的弹性模量的影响

3 结论

a）机制砂混凝土的轴心抗压强度随龄期增加呈上升趋势。机制砂混凝土7 d内轴心抗压强度随着龄期近呈线性增长，增长速率较大，7 d后轴心抗压强度增长平缓。

b）机制砂混凝土的弹性模量随龄期增加呈上升趋势。机制砂混凝土弹性模量7 d内增长较快，弹性模量值较高，后期趋于匀速，也呈线性增长趋势。

c）该C50机制砂混凝土的原料砂全部采用机制砂，经试验其早龄期轴心抗压强度及弹性模量均较高，可满足桥梁上部结构预应力混凝土对混凝土材料强度和抵抗变形性能的要求，相应的关系式拟合度较高可用于工程预测中。