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1、高性能海工混凝土静压弹性模量的实测研究一、本课题研究的目的和意义随着现代科学技术和生产的发展，各种超长、超高、超大型混凝土构筑物，以及在严酷环境下使用的重大混凝土结构，如高层建筑、跨海大桥、海底隧道工程等的建造需求在不断增加，高性能混凝土由于具有许多优良特性，被认为是目前性能最为全面的混凝土，高强高性能混凝土不仅强度高，并具有耐久性好、抗渗性强、抗冻性好，与高性能钢材的有效结合，一方面可适应现代工程结构的向高层和大跨发展需要，减小结构构件尺寸，有效减轻构件或结构自重，不仅可以节约材料用量，减少资源消耗和材料生产过程中的污染物排放，更重要的是可显著提高混凝土结构的耐久性，延长工程结构使用寿命，其
2、所带来的长期经济效益和可持续发展是难以用具体指标来衡量的具有广阔的应用前景，故应对其性能进行全面而深入的认识。本课题在实测高性能海工混凝土静力受压弹性模量的基础上，分析这一复合材料的变形性能，结合新旧规范和试验方法标准的变化，分析其原因和由此产生的影响。二、高性能海工混凝土的介绍高性能海工混凝土是针对混凝土结构在海洋环境中的使用特点，通过合理的配制技术，形成耐久性能、施工性能、物理力学性能以及相关性能俱佳的混凝土材料。高性能海工混凝土的突出特点表现在其高耐久和耐腐蚀性能，尤其是混凝土抵抗氯离子侵蚀的性能方面。与普通混凝土在原材料、配合比以及生产和施工工艺等方面有所差别。具体表现在，（1）高性能
3、海工混凝土胶凝材料的原材料除水泥外，还要掺用至少一种矿物掺合料，并保证一定的胶凝材料用量，从而使得混凝土微结构得以优化，孔隙结构得以改善。（2）高性能海工混凝土通过高性能混凝土减水剂的合理使用，降低混凝土单方用水量，有利于形成混凝土致密结构。（3）高性能海工混凝土在保证其良好的施工性能和物理力学性能的同时，最大化地提高其耐久性能，尤其是抵抗海洋环境中的氯离子侵蚀作用。在海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范(JTJ2752000)中，规定用于海港工程的高性能混凝土，磨细矿渣的掺量可达到5080，同时要求水胶比035，坍落度120 mm，强度等级C45，这也是我国首个对高性能混凝土技术要求进行具体规定
4、的规范。四、高性能海工混凝土静压弹性模量实测的过程、结果分析1、 混凝土配合比设计结合工程实际采用了C50和C60两组高性能海工混凝土配合比作为受检混凝土，C50混凝土坍落度在160mm200mm之间，C60混凝土坍落度在50mm70mm之间，另外配制两组同等级普通混凝土作为基准混凝土进行对比，坍落度控制在与受检混凝土基本相同，主要区别在于基准混凝土不掺矿物掺合料，使用普通减水剂。其编号分别为基准组的50A/60A，受检组的50B/60B，基准混凝土所用原材料情况见表9，基准混凝土配合比见表10。表9 基准混凝土原材料材料名称型号规格厂家（产地）备注水泥PI52.5江苏嘉新砂区中砂福建闽江碎石
5、525mm连续级配浙江舟山水饮用水/外加剂V3320广州西卡C50砼用普通减水剂，推荐掺量0.9%SX安徽芜湖C60砼用普通减水剂，推荐掺量0.6%表10 基准混凝土配合比编号水胶比每方砼中材料用量(kg/m3)水泥掺合料砂碎石水外加剂50A0.38480/74110451824.3260A0.36490/73410141752.94受检混凝土原材料情况见表1表7，受检混凝土配合比见表11。表11 受检混凝土配合比编号水胶比每方砼中材料用量(kg/m3)水泥掺合料砂碎石水外加剂50B0.3516424669711381432.4660B0.3419629473410141622.942、 试验
6、过程 混凝土试件的制备和养护应符合有关规定。每组成型150mm150mm150mm试件一组3块测定立方体抗压强度，150mm150mm300mm试件一组6根，其中3根用于测定轴心抗压强度，提出弹性模量试验的加荷标准，另外3根则作弹性模量试验。（1）主要仪器设备：微机屏显液压万能试验机 WEW-1000D型 1000kN；全自动混凝土压力试验机 DY-2008型 2000kN；混凝土弹性模量测定仪HTY-型01mm 精度0.001mm 。（2）轴心抗压强度试验 混凝土轴心抗压强度试验应采用150mm150mm300mm棱柱体作为标准试件，这是因为棱柱体试件两端受摩擦力的影响存在三向受压应力，中部
7、的横向变形不受约束，处于单向均匀受压。最终由于试件中部混凝土压酥而破坏，抗压强度低于立方体试件。一般随强度等级不同有一定的关系：fcp =（0.670.72）fcu在试验中各项龄期均为28天，试件从养护地点取出后应及时进行试验，以免试件内部的温湿度发生显著变化。混凝土轴心抗压强度试验应按下列步骤进行1)、先将试件擦拭干净，测量尺寸，并检查其外观。试件尺寸测量精确至1毫米，并据此计算试件的承压面积。试件承压面的不平度应为每100毫米不超过0.05毫米，承压面与相邻面的不垂直度不应超过1度。2)、将试件直立放置在试验机的下压板上，试件的轴心应与压力机下压板中心对准。开动试验机，当上压板与试件接近时
8、,调整球座，使接触均衡。混凝土试件的试验应连续而均匀地加荷，其加荷速度应为：强度等级低于C30的混凝土，取0.3MPa/s0.5MPa/s；强度等级大于C30小于C60时，取0.5MPa/s0.8MPa/s；强度等级大于C60时，取0.8MPa/s1.0MPa/s。当试件接近破坏而开始迅速变形时，应停止调整试验机油门一直至试件破坏。然后记录破坏极限荷载F（N）。混凝土轴心抗压强度应按下式计算：式中：fcp混凝土轴心抗压强度（MPa）；F破坏荷载（N）A试件承压面积（mm2）。混凝土轴心抗压强度计算应精确至0.1MPa。以三个试件测值的算术平均值作为该组试件的轴心抗压强度值。三个测值中的最大值或
9、最小值中如有一个与中间值的差值超过中间值的15%，则取中间值作为该组试件的轴心抗压强度值。如有两个测值与中间值的差均超过中间值的15%，则该组试件的试验结果无效。（3）静力受压弹性模量试验测定的混凝土受压弹性模量取应力对应轴心抗压强度1/3时的弹性模量，在普通混凝土力学性能试验方法GBJ81-85中规定是应力对应轴心抗压强度40%时的加荷割线模量。图5 弹性模量加荷方法示意图试件从养护地点取出后应及时进行试验。试验前试件用湿毛巾覆盖，混凝土静力受压弹性模量试验应按下列步骤进行。1)、先将试件擦拭干净，测量尺寸，并检查其外观。试件尺寸测量精确至1 mm，并据此计算试件的承压面积。试件不得有明显缺
10、损，端面不平时须先抹平。2)、微变形测量仪应安装在试件成型时两侧面的中线上，并对称于试件的两侧（如图7）。标准试件的测量标距采用150 mm。3)、对中试件安装好后，应仔细调整其在试验机上的位置，使其轴心与下压板的中心对准（如图6）。开动压力试验机，当上压板与试件接近时调整球座，使接触均衡，加荷到基准应力为0.5MPa对应的初始荷载值F0，保持恒载60s并在以后的30s内记录两侧微变形测量仪的读数。应立即以0.6MPa/s0.4MPa/s的加荷速率均匀加荷到1/3轴心抗压强度fcp对应的荷载值Fa，保持恒载60s并在以后的30s内记录两侧微变形测量仪的读数。以上读数应和它们的平均值相差在20%
11、以内，否则应重新对中试件后重复上述步骤。如果无法使差值降低到20%以内，则此次试验无效。4)、预压确认对中符合要求后，以相同速度卸荷至基准应力为0.5MPa对应的初始荷载值F0，保持恒载60s。以相同速度加荷到Fa，保持恒载60s，最后以相同速度卸荷初始荷载值F0，至少进行两次预压循环。5)、测试在完成最后一次预压后，保持60s初始荷载值F0，在后续的30s内记录两侧微变形测量仪的读数，再用相同加荷速度加荷到Fa，再保持60s恒载，并在后续的30s内记录两侧微变形测量仪的读数。卸除微变形测量仪，以同样速度加荷至破坏，记录破坏极限荷载F（N），取得试件的棱柱体抗压强度，如试件的轴心抗压强度与fc
12、p相差超过fcp的20%时，就在报告中注明。)、混凝土的弹性模量值应按下式计算：式中：Ec混凝土弹性模量（MPa）；Fa应力为1/3轴心抗压强度时的荷载（N）；Fo初始荷载（N）；A试件承压面积（mm2）；n最后一次从Fo加荷到Fa时试件两侧变形差的平均值（mm）；L测量标距（mm）。弹性模量的计算结果应精确至100MPa。弹性模量按3个试件测值的算术平均值计算。如果其中一个试件在测定弹性模量后，发现其抗压强度值与用以决定试验控制荷载的轴心抗压强度值相差超过后者的20%时，则弹性模量值按另两个试件测值的算术平均值计算，如有两个试件超过上述规定，则试验结果无效。3、 试验结果及分析对于的实测数据
13、在此不再列出，统计结果见表12，受检混凝土50B的实测数据见表13，受检混凝土60B的实测数据见表14，统计结果见表15。表12 基准混凝土数据统计项目50A60A平均值标准差平均值标准差fcu(MPa)58.55.265.34.7fcp(MPa)43.86.348.76.4Ec(104 MPa)3.810.424.070.45图9 弹性模量与立方体抗压强度的相关性由受检混凝土试验结果绘出弹性模量与立方体抗压强度的相关图，受样本本身的不均匀性和数量的影响，其离散性较大，详见图9。对两组试验结果进行对比可以看出高性能海工混凝土弹性模量明显高于同强度等级的普通混凝土，如图10所示，在前版规范JTJ
14、 023-85中要求对高强混凝土的弹性模量宜按实测平均值的0.95倍取用，在新规范JTG D62-2005中删除了这种取值，本人认为以实测为基础较好。表13 受检混凝土（50B）数据汇总编号fcu(MPa)fcp(MPa)Ec(104 MPa)编号fcu(MPa)fcp(MPa)Ec(104 MPa)50B0168.4 56.84.1950B2451.7 40.64.6450B0270.2 54.34.3850B2563.3 51.35.0350B0370.9 64.34.4950B2659.1 48.04.3150B0464.9 54.14.5150B2752.6 41.34.7350B05
15、73.1 57.44.7150B2858.7 46.14.6350B0674.5 57.75.1150B2954.8 44.64.0350B0770.5 61.65.1450B3062.0 47.95.4650B0863.1 48.04.1550B3164.6 53.14.3450B0966.3 53.64.2250B3258.4 41.94.0950B1071.9 60.44.3650B3362.0 47.15.1550B1170.4 58.44.7650B3463.4 48.24.3550B1267.2 61.44.7850B3572.3 59.75.0050B1370.4 58.44.4
16、650B3671.5 59.34.4250B1465.2 48.84.7850B3767.1 52.74.3950B1562.1 51.14.6950B3869.1 58.15.2150B1670.1 55.84.7250B3965.0 51.85.3450B1766.1 55.04.5850B4065.9 49.44.8450B1869.5 57.74.6350B4156.0 43.24.4250B1969.9 53.34.6550B4255.1 45.64.1550B2060.0 47.14.3950B4361.6 50.74.5750B2156.9 47.84.3950B4464.2 5
17、0.44.7950B2253.4 42.73.9850B4560.6 46.84.9150B2366.4 55.34.0550B4657.7 44.54.02编号fcu(MPa)fcp(MPa)Ec(104 MPa)编号fcu(MPa)fcp(MPa)Ec(104 MPa)60B0164.3 54.2 4.50 60B1765.252.1 4.79 60B0262.1 48.2 4.92 60B1861.446.0 4.67 60B0367.6 51.0 5.2160B1965.055.7 4.43 60B0463.6 54.1 5.12 60B2067.651.9 5.38 60B0569.
18、5 64.8 5.55 60B2174.563.7 5.00 60B0664.4 57.9 4.69 60B2268.650.4 5.34 60B0763.5 55.2 4.76 60B2370.359.5 5.70 60B0867.2 57.2 5.09 60B2466.550.8 5.10 60B0974.5 53.2 5.03 60B2563.949.6 5.53 60B1068.5 54.1 4.97 60B2671.157.8 4.78 60B1173.2 65.1 5.09 60B2775.559.9 5.53 60B1271.1 61.2 4.49 60B2869.261.0 4
19、.95 60B1372.0 50.3 4.86 60B2975.364.2 5.16 60B1466.8 53.4 4.81 60B3064.252.4 5.06 60B1567.5 53.7 5.35 60B3162.149.7 4.10 60B1664.3 47.0 4.74 60B3263.846.3 4.88 表14 受检混凝土（60B）数据汇总表15 受检混凝土数据统计项目50B60B平均值标准差平均值标准差fcu(MPa)64.35.967.64.1fcp(MPa)51.86.054.75.4Ec(104 MPa)4.600.374.990.35C50组 C60组图10 不同弹性模
20、量取值对比弹性模量的提高对材料工程应用的影响: 长期以来（其实也只有100多年），面对所能够使用的传统工程材料和长期的工程教育，工程师们都认为没有延性的材料是不能作为工程结构使用的，也甚至忘记历史上，人们曾经使用铸铁、石头和木材等这些近似弹脆性材料所建造的大量工程结构，仍然具有足够的安全储备。应该指出的是，从结构体系整体角度，高强弹性材料对保证整体结构的承载力、低损伤性和可修复性具有重要意义，因为：(1)高强弹性材料强度高，结构构件尺寸小，自重轻，便于实现超高度和大跨度工程结构，也有利于较小地震等意外事件作用的动力响应；(2)高强弹性材料弹性范围大，在弹性范围无损伤，且具有良好的弹性回复能力，
21、有利于结构在经受大变形后的复位；(3)高弹性材料弹性变形能力大，尽管高弹性材料在达到其极限强度时往往具有脆性破坏特征，但其相应的变形能力与低强材料的延性是相适应的，当在结构体系中高强高性能材料构件与低强高延性材料构件结合，有利于整个结构体系形成合理的损伤破坏机制，有利于减小和抵御意外事件的动力作用；(4)在正常使用阶段，高强弹性材料的应力水平通常远低于其强度，高强材料结构构件的承载力安全储备高。从安全储备理论来分析，对于意外事件的作用，承载力储备要比塑性变形能力储备更有意义。塑性变形能力储备的最重要功能是改变结构自身的动力特性和耗散动力输入能量，减小结构在意外事件作用下的动力响应，并使结构尽快
22、停止振动。因此，对于整个结构体系，利用高强高性能材料作为主体结构和关键构件，以保证整个结构的整体性和承载力，及其低损伤性；利用低强高延性材料作为次要构件和赘余构件，利用其塑性变形和滞回耗能能力，减小意外事件作用引起的结构动力响应，是合理利用高性能材料，形成高性能结构体系的重要方法和发展方向。一、 结语随着近年来材料技术的发展，高强高性能工程结构材料已可以以合理的价格提供给工程结构应用，各种高强高性能材料的研究和应用也已经有了长足的发展。随之而来的问题是，如何正确并合理应用各种不同性能的高性能材料，同时应注意到其受力性能与传统低强工程材料工程结构的差别，以及由此对基于传统低强工程材料发展成熟并已
23、为广大结构工程师们和研究者们所熟悉的结构设计理论和方法的不适用于高强高性能工程结构体系的挑战。本文结合高性能工程材料的试验对比和工程实践，论述了高性能海工混凝土由于材料、配比和施工工艺的变化带来了变形特性的强化，以及不同试验方法产生的影响，取得以下主要结论：(1) 可以考虑根据结构所处环境和使用功能的要求，将高强高性能混凝土材料用于严酷作用下的关键部位，而将低强高延性材料用于结构次要部位，而且这种设计概念可以引伸到结构构件层次。(2) 针对高强高性能工程混凝土结构的受力特性不同于传统工程结构的问题，本文指出高性能海工混凝土材料基本性能的变化，其弹性极限有显著提高，而弹性极限是宏观裂缝的起点，这
24、对提高工程结构的耐久性有很好的支撑。(3)可以说，新材料的性能研究和在工程中的应用，印证了科学理论的螺旋型发展的模式。高性能混凝土是个广泛的概念，高性能海工混凝土的研究成果会在今后工程中不断丰富，更好地为工程服务是我们的期待。二、 参考资料：公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTG D62-2005公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTJ 023-85公路桥涵施工技术规范JTJ041-2000公路工程水泥及水泥混凝土试验规程JTG E30-2005公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范JTG B07-01-2006海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范(JTJ275-2000)普通混凝土力学性能试验方法标准GB/T 50081-2002普通混凝土力学性能试验方法GBJ 81-85东海大桥高性能海工混凝土技术要求和应用指南，上海市高性能混凝土研究发展中心，2003年高性能海工混凝土专用掺合料Q/QJCW 03-2002长江隧桥工程专用掺合料Q/SVDX 2-2005
