关键词：交通工程；混凝土；弹性模量；应力；应变；抗裂性
引言
在交通工程建设领域大量使用了大体积混凝土、抗渗混凝土、高性能混凝土等，这对混凝土的耐久性要求极高，特别是沿海地区海工混凝土，此类混凝土对其抗裂性能的要求甚是严格。在日常施工中，除对强度、坍落度等常规控制性指标进行规定外，还对其弹性模量有着严格的要求，特别是张拉C50及以上高强度预应力混凝土梁时要求必须达到何种弹性模量值。弹性模量是混凝土重要力学指标之一，宏观上反映了应力应变间关系，是计算混凝土结构变形、温度应力及裂缝扩展的必要参数。因此，对混凝土弹性模量影响因素的研究有着至关重要的意义。
对于混凝土这种多向非匀质材料，其弹性模量受组成成分、密度、强度等多方面的影响。本文依托广东省某在建高速公路项目为背景，经过大量的试验研究，结合相关理论知识及前人研究成果，首先综合分析混凝土弹性模量的影响因素，提出了控制混凝土弹性模量的主要措施，最后得出一些有利于工程建设的结论。
1 混凝土弹性模量影响因素的探讨
1.1试验方法及计算方式
本次对混凝土弹性模量的试验研究，主要采用的是JTG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》T 0556-2005 的试验方法及计算方式，结合GB 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》。每组试验采用标准养护试件2组6根，试件尺寸为150mm×150mm×300mm，其中1组3根进行轴心抗压强度试验，计算棱柱体轴心抗压强度，取其作为抗压弹性模量目标加载值。另外1组3根分别安装微变形测量装置，按要求调整试件位置进行施压对中，使其两侧千分表读数与其他们平均值相差在20%以内，否则该次试验无效。
试件调整位置对中后按要求进行预压，至少进行两次循环预压后按规定进行测试，测试完毕后卸除微变形测量装置后试件加荷至破坏，记录破坏荷载，并与循环前的轴心抗压强度进行比较。整个试验过程基准应力为0.5MPa对应的初始荷载，目标荷载为对应的荷载值，加载速率为0.6MPa/s±0.4MPa/s。加载方法示意图见图1所示。
通过分析表1跟表2数据可知，同养护条件下同标号混凝土弹性模量随龄期增长而增大，而后趋于稳定，同养护条件下不同标号混凝土同龄期随强度的增大而增大。
（2）骨料对混凝土弹性模量的影响
粗细集料在混凝土中起着骨架作用，并抑制水泥的收缩。碎石的粒径、含量及砂率将会影响着混凝土的内部构造，这对混凝土弹性模量存在一定的影响。在水胶比一定的条件下，通过对不同碎石粒径、含量及不同砂率的混凝土弹性模量进行测定，具体试验数据见表3～表4所示。
表3 不同碎石粒径及含量混凝土弹性模量测定值（水胶比为0.38，砂率为0.40）
综合表3及表4分析可知：在混凝土水胶比及砂率一定的前提下，混凝土弹性模量随碎石粒径增大而增大，随碎石含量增加而增大。而砂率对混凝土弹性模量的影响则相对要复杂些，在水胶比固定不变的前提下，砂率与混凝土弹性模量并非简单的正比例关系，砂率过高或者过低直接影响混凝土弹性模量，合理的砂率使混凝土弹性模量存在一个最佳值。砂石在混凝土中起着骨架作用，合理的骨料粒径及砂石含量对骨料来说有个良好的级配，良好的级配使混凝土内部空隙达到最佳状态，构成稳定的骨架结构，从而获得最佳弹性模量值。
（3）水胶比对混凝土弹性模量的影响
混凝土胶凝材料包裹在粗细骨料表面并填充骨料间的空隙，在硬化前起润滑作用，使混凝土拌合物具有良好工作性能，硬化后将骨料胶结在一起形成整体。因此，水胶比将会影响水泥水化产物的形成，进而影响混凝土的弹性模量。在砂率固定不变的情况下，通过不同水胶比混凝土弹性模量的测定，具体试验数据见表5所示。
表5 不同水胶比混凝土弹性模量测定值（碎石为5～26.5mm，砂率为0.40）
分析表5试验数据容易看出，在砂率一定的情况下，弹性模量随水胶比的增大而变小。这是因为拌合物用水量越多，混凝土内部形成的毛细孔就越多，这对混凝土耐久性及力学性能是不利的。这说明水胶比一定程度影响了混凝土内部结构及其致密性，进而影响了混凝土的弹性模量。
（4）含水状态对混凝土弹性模量的影响
大量资料表明，水对混凝土受压变形有一定的限制作用。混凝土含水量在某一限值内抗压强度随含水量的增加而增大，超过某一限值后保持不变，这就说明了含水量对混凝土弹性模量有一定的影响。正常情况下潮湿状态混凝土弹性模量比干燥状态混凝土弹性模量要大些。
2 控制混凝土弹性模量的主要措施
混凝土抗裂性能的好坏直接影响混凝土的耐久性，特别是交通工程建设领域，高强混凝土、高性能混凝土及大体积混凝土的大量使用，对混凝土耐久性要求甚高。从工程建设的基本思路考虑，保证混凝土的耐久性往往是提高混凝土的抗裂性能，而一般采取的措施是提高混凝土的抗拉强度，降低混凝土的收缩徐变等。然而，提高混凝土强度会导致弹性模量增大，提高混凝土抗拉强度一般采取增加水泥用量，但可能会导致混凝土干缩及热变形值增大。所以在确保混凝土强度符合规定的前提下，控制混凝土的弹性模量有利于提高混凝土的抗裂性能，同时在张拉C50及以上预应力混凝土梁时，对混凝土弹性模量也有一定的规定要求。控制混凝土弹性模量的主要措施有：
（1）在张拉C50及以上预应力混凝土梁时，应严格控制好养护条件，养护到适当龄期，在混凝土达到预期强度及弹性模量时方可张拉；
（2）优化混凝土配合比，选择合适的粒径及体积分数，孔隙率相对较低粗骨料，调整混凝土中细集料用量，选择合适的砂率，使其混凝土骨料形成稳定致密的骨架结构，使其弹性模量达到最佳值；
（3）调整水胶比及水泥用量，严格控制外加剂类型及用量，在确保早期强度满足要求的前提下，适当增加掺合料（如粉煤灰、矿粉）用量，确保混凝土的力学性能；
（4）在混凝土中适量加入纤维物。大量资料表明，在混凝土中加入纤维物可提高混凝土的韧性，加入低弹性模量纤维可降低混凝土弹性模量，反之亦然。故在混凝土中加入适合类型的纤维物可控制混凝土的弹性模量。
3 结语
通过对广东省某在建高速公路工程项目混凝土弹性模量影响因素的研究探讨可知，混凝土是多向非匀质材料，其弹性模量与材料的组成成分、内部结构、致密性、强度等方面都存在一定的关系。在交通工程建设领域，特别是沿海地区海工混凝土对耐久性、抗渗性等方面要求很高，在实际工程建设中需严格控制混凝土抗裂性能等力学指标，而抗裂性与混凝土弹性模量有着直接或间接的关系。本文主要讨论混凝土强度、龄期、骨料及水胶比等影响混凝土弹性模量的几个因素，提出了控制混凝土弹性模量的几个措施来提高混凝土抗裂性能，减少裂缝的出现，为交通工程建设提供参考。
参考文献：
[1]JTG E30-2005 公路工程水泥及水泥混凝土试验规程
[2]GB 50081-2002 普通混凝土力学性能试验方法标准
[3]刘数华，方坤河，王晓燕.混凝土抗压弹性模量研究.大坝与安全.2004，6
[4]刘蕙兰，贾福根.细集料对砂浆和混凝土弹性模量的影响[J].混凝土，1995，，10（1）：21-23
[5]李晓文，朱炎宁，黄克超.预应力混凝土弹性模量力学性能试验研究.商品混凝土，2010，12：67-70
论文作者:欧阳树
论文发表刊物:《建筑细部》2018年第26期
论文发表时间:2019/7/20
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