CN104330305B

CN104330305B - 混凝土的单轴抗拉弹性模量测量方法

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Publication number: CN104330305B
Application number: CN201410456147.1A
Authority: CN
Inventors: 张文博; 毛明杰; 杨秋宁
Original assignee: Ningxia University
Current assignee: Ningxia University
Priority date: 2014-09-10
Filing date: 2014-09-10
Publication date: 2017-02-01
Anticipated expiration: 2034-09-10
Also published as: CN104330305A

Abstract

一种混凝土的单轴抗拉弹性模量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：制备混凝土试件：浇筑长条形混凝土试件时，在混凝土试件的纵向轴心方向设置螺纹钢筋及钢筋应变片，在混凝土试件的表面山设置混凝土应变片；获得螺纹钢筋的端部拉力值、混凝土试件中的钢筋应变值及混凝土应变值；根据记录的钢筋应变值、端部拉力值及如下公式计算混凝土的拉伸应力值，根据记录的混凝土应变值及计算的混凝土拉伸应力值计算混凝土试件的拉伸弹性模量。上述方法能够减少测量值与实际值之间偏差。

Description

混凝土的单轴抗拉弹性模量测量方法

技术领域：

本发明涉及混凝土强度测量技术领域，特别涉及一种混凝土的单轴抗拉弹性模量测量方法。

背景技术：

为防止混凝土结构早期裂缝的发生，施工前一般采取温度应力解析等手法预测裂缝发生的可能性。若以粉煤灰取代部分胶凝材料，则可降低初期水化反应的水化热、减小因温度变化引起的混凝土结构体积变化，从而达到抑制早龄期混凝土开裂的目的。当拉伸应力大于混凝土的抗拉强度时，混凝土结构将发生开裂，为正确推定其抗拉强度，就需要精确推定或测定其拉伸弹性模量。

目前，因硬化期间混凝土抗拉性能试验难以实现、且实验结果离散性较大[1]，而混凝土的压缩弹性模量易于通过试验测定，所以使用混凝土的压缩弹性模量代替拉伸弹线模量成为混凝土结构设计中广泛采用的方法。根据混凝土结构设计规范GB50010-2010，混凝土的压缩弹性模量可以依据其抗压强度计算得出。在计算混凝土温度应力、裂缝开展及结构变形时，若使用上述方法推算混凝土的拉伸弹性模量，无疑将增大计算结果和实际值之间的偏差，可能带来较大的安全隐患。

发明内容：

有鉴于此，有必要提供一种能够减少测量值与实际值之间偏差的混凝土的单轴抗拉弹性模量测量方法。

一种混凝土的单轴抗拉弹性模量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

制备混凝土试件：浇筑长条形混凝土试件时，在混凝土试件的纵向轴心方向设置螺纹钢筋及钢筋应变片，在混凝土试件的表面山设置混凝土应变片；其中，螺纹钢筋的两端从混凝土试件伸出，位于混凝土试件中的螺纹钢筋分为中间部分及位于中间部分两侧的两端部分，螺纹钢筋的中间部分与混凝土试件粘结以构成钢筋与混凝土的粘结区域，螺纹钢筋的两端部分与混凝土试件不粘结以构成钢筋与混凝土的非粘结区域，钢筋应变片设置在钢筋与混凝土的粘结区域且与钢筋接触，混凝土应变片位于混凝土试件的中间位置；

获得螺纹钢筋的端部拉力值、混凝土试件中的钢筋应变值及混凝土应变值：将外露在混凝土试件的钢筋两端固定在混凝土单轴抗拉试验机的相对的拉伸件上，并在混凝土试件下方设置辊轴支撑装置以支撑混凝土试件，将数据采集仪与钢筋应变片、混凝土应变片及混凝土单轴抗拉试验机的拉力计量装置电性连接；以预定拉力增加值逐渐增大作用外露在混凝土试件的钢筋两端上的拉力，来对螺纹钢筋进行拉伸，数据采集仪根据钢筋应变片、混凝土应变片产生的应变信号产生对应的钢筋应变值及混凝土应变值，数据采集仪获取混凝土单轴抗拉试验机的拉力计量装置产生的螺纹钢筋的端部拉力值，并记录产生的钢筋应变值、混凝土应变值、螺纹钢筋的端部拉力值；

混凝土试件的拉伸弹性模量的计算：根据记录的钢筋应变值、螺纹钢筋的端部拉力值及如下公式计算混凝土的拉伸应力值：

σ_{C} = \frac{P - A_{S} E_{S} ϵ_{S}}{A_{C}}

式中，σ_C:混凝土拉伸应力，P：螺纹钢筋的端部拉力值，A_S：螺纹钢筋公称断面积，E_S：螺纹钢筋弹性模量，ε_S：试件中央螺纹钢筋的钢筋应变值，A_C：混凝土试件断面积；

根据记录的混凝土应变值及计算的混凝土拉伸应力值计算混凝土试件的拉伸弹性模量。

优选的，在钢筋与混凝土的粘结区域内每隔5D设置两个钢筋应变片，且两个钢筋应变片设置在钢筋两纵肋的对称位置，D为钢筋公称直径。

优选的，混凝土试件为长1440mm、断面100×100mm的棱柱体试件，混凝土试件两端露出的钢筋的长度为90mm，钢筋与混凝土的粘结区域为1200mm，钢筋的D为12mm。

优选的，在钢筋与混凝土的非粘结区域的长度为120mm，通过如下方式实现钢筋与混凝土的非粘结：在钢筋上涂抹隔离剂、并以胶带纸包裹以将钢筋与混凝土隔离开。

上述混凝土的单轴抗拉弹性模量测量方法，将钢筋设置在混凝土试件中，钢筋应变片设置在钢筋与混凝土的粘结区域且与钢筋接触，混凝土应变片位于混凝土试件的中间位置，将外露在混凝土试件的钢筋两端固定在混凝土单轴抗拉试验机的相对的拉伸件上，并在混凝土试件下方设置辊轴支撑装置以支撑混凝土试件，将数据采集仪与钢筋应变片、混凝土应变片及混凝土单轴抗拉试验机的拉力计量装置电性连接；以预定拉力增加值逐渐增大作用外露在混凝土试件的钢筋两端上的拉力，来对螺纹钢筋进行拉伸，数据采集仪根据钢筋应变片、混凝土应变片产生的应变信号产生对应的钢筋应变值及混凝土应变值，数据采集仪获取混凝土单轴抗拉试验机的拉力计量装置产生的螺纹钢筋的端部拉力值，并记录产生的钢筋应变值、混凝土应变值、螺纹钢筋的端部拉力值；根据记录的钢筋应变值、螺纹钢筋的端部拉力值及如下公式计算混凝土的拉伸应力值，进而再根据记录的混凝土应变值及计算的混凝土拉伸应力值计算混凝土试件的拉伸弹性模量。如此，不需要压缩弹性模量代替拉伸弹性模量，而是将混凝土与钢筋建立关系，通过钢筋的已知的参数来计算混凝土的拉伸应力值，而最终获得混凝土的抗拉弹性模量，进而能够减少测量值与实际值之间偏差。

附图说明：

图1是混凝土试件的结构示意图。

图2是混凝土试件安装在混凝土单轴抗拉试验机的结构示意图。

图3是钢筋的平均应变分布(龄期1天)图。

图4是钢筋的平均应变分布(龄期91天)图。

图5是钢筋-混凝土的应变关系图。

图6是混凝土的应力-应变关系图。

图7是混凝土拉伸弹性模量随龄期的变化图。

图8是混凝土拉伸与压缩弹性模量图。

图9是抗压强度与拉伸(E_t)、压缩(E_c)弹性模量图。

图中：混凝土单轴抗拉试验机10、辊轴支撑装置11、拉力计量装置12、混凝土试件20。

具体实施方式：

步骤S100，制备混凝土试件：浇筑长条形混凝土试件时，在混凝土试件的纵向轴心方向设置螺纹钢筋及钢筋应变片，在混凝土试件的表面山设置混凝土应变片；其中，螺纹钢筋的两端从混凝土试件伸出，位于混凝土试件中的螺纹钢筋分为中间部分及位于中间部分两侧的两端部分，螺纹钢筋的中间部分与混凝土试件粘结以构成钢筋与混凝土的粘结区域，螺纹钢筋的两端部分与混凝土试件不粘结以构成钢筋与混凝土的非粘结区域，以防止在拉应力作用下使混凝土端部发生锥形破坏，钢筋应变片设置在钢筋与混凝土的粘结区域且与钢筋接触，混凝土应变片位于混凝土试件的中间位置。在本实施方式中，在钢筋与混凝土的粘结区域内每隔5D设置两个钢筋应变片，且两个钢筋应变片设置在钢筋两纵肋的对称位置，D为钢筋公称直径；混凝土试件为长1440mm、断面100×100mm的棱柱体试件，混凝土试件两端露出的钢筋的长度为90mm，钢筋与混凝土的粘结区域为1200mm，钢筋的D为12mm；在钢筋与混凝土的非粘结区域的长度为120mm，通过如下方式实现钢筋与混凝土的非粘结：在钢筋上涂抹隔离剂、并以胶带纸包裹以将钢筋与混凝土隔离开。

步骤S102，获得螺纹钢筋的端部拉力值、混凝土试件中的钢筋应变值及混凝土应变值：将外露在混凝土试件的钢筋两端固定在混凝土单轴抗拉试验机的相对的拉伸件上，并在混凝土试件下方设置辊轴支撑装置以支撑混凝土试件，将数据采集仪与钢筋应变片、混凝土应变片及混凝土单轴抗拉试验机的拉力计量装置电性连接；以预定拉力增加值逐渐增大作用外露在混凝土试件的钢筋两端上的拉力，来对螺纹钢筋进行拉伸，数据采集仪根据钢筋应变片、混凝土应变片产生的应变信号产生对应的钢筋应变值及混凝土应变值，数据采集仪获取混凝土单轴抗拉试验机的拉力计量装置产生的螺纹钢筋的端部拉力值，并记录产生的钢筋应变值、混凝土应变值、螺纹钢筋的端部拉力值；

步骤S104，混凝土试件的拉伸弹性模量的计算：根据记录的钢筋应变值、螺纹钢筋的端部拉力值及如下公式计算混凝土的拉伸应力值：

σ_{C} = \frac{P - A_{S} E_{S} ϵ_{S}}{A_{C}}

步骤S106，根据记录的混凝土应变值及计算的混凝土拉伸应力值计算混凝土试件的拉伸弹性模量。

以下通过实验对比来阐述上述混凝土的单轴抗拉弹性模量测量方法获得的拉伸弹性模量值优于现有技术中将压缩弹性模量值作为拉伸弹性模量值：

1.1材料及混凝土配合比

水泥采用P.O 42.5级水泥，表观密度3.12g/cm³，比表面积3300cm²/g。采用的粉煤灰表观密度2.30g/cm³，比表面积3640cm²/g。45m筛余19％、烧失量4.2％，属II级粉煤灰，其化学成分见表1。

表1粉煤灰的化学成分

CaO

SiO₂

Al₂O₃

Fe₂O₃

MgO

SO₃

K₂O

Na₂O

Loss

0.98％

62.4％

23.7％

3.19％

0.55％

0.24％

1.38％

0.63％

4.0％

粗骨料采用5～20mm连续级配碎石，表观密度2.73g/cm³，吸水率0.75％。细骨料采用河砂，表观密度为2.62g/cm³，吸水率为1.15％。钢筋采用12 HRB335级热轧带肋钢筋，屈服强度335MPa，抗拉强度455MPa。混凝土配合比设计中固定水胶比为59％，取粉煤灰对水泥的质量置换率为20％(FA20)与无置换(FA0)两种混凝土进行试验，配合比见表2。

表2混凝土配合比

1.2测量装置与测量方法

混凝土单轴抗拉试件与试验装置分别如图1和图2所示。混凝土试件20为长1440mm、断面100×100mm的棱柱体试件。沿混凝土试件20纵向轴心方向通长浇筑公称直径12mm(HRB335，图中记号：D12)的螺纹钢筋，试件两端各露出90mm钢筋用以加载拉伸应力，钢筋与混凝土的粘结区域为1200mm。为防止拉应力作用下混凝土端部发生锥形破坏，在距混凝土两端面各120mm范围内的钢筋上涂抹隔离剂、并以胶带纸包裹设置为非粘结区域。在钢筋-混凝土粘结区域内，沿钢筋两纵肋每隔5D(D为钢筋公称直径：12mm)对称位置处粘贴检长3mm的钢筋应变片。

将外露在混凝土试件20的钢筋两端固定在混凝土单轴抗拉试验机10的相对的拉伸件上，并在混凝土试件下方设置辊轴支撑装置11以支撑混凝土试件，将数据采集仪与钢筋应变片、混凝土应变片及混凝土单轴抗拉试验机的拉力计量装置12电性连接，通过数据采集仪观察采集应力、应变的增加情况，每增加1kN应力采集一次相应的应变，其中，拉力计量装置12为安装在钢筋端部的荷重计。

为便于测定不同龄期混凝土弹性模量的变化规律，并与规范中给定的公式进行比较，研究主要进行了以早龄期为中心(1，2，3，5，7，28，91天)的单轴拉伸试验及抗压试验。抗压试验采用边长为150mm的标准立方体试件。混凝土试件均在标准养护条件(室内温度20±2℃，水中养护)下养护至规定龄期拆模。

1.3测量结果分析

1.3.1钢筋-混凝土粘结区域内钢筋与混凝土的应变分布

粉煤灰混凝土龄期1天与91天钢筋-混凝土粘结区域内不同位置的钢筋应变分别见图3和图4。图中，横坐标的零点为图1所示钢筋混凝土试件的中央位置，端部拉力的最大值表示混凝土试件首次发生开裂的拉力值。对于龄期1天的混凝土试件，虽然混凝土强度低下，但仍对钢筋有很大约束，如图3所示，在距离混凝土试件中央30D(360mm，图中“0”点为试件中央位置，下同)范围内钢筋的平均应变分布大致相同，而越靠近试件端部，钢筋承担的拉力越大，混凝土承担的拉力相应减小。且随着端部拉力的不断增加，钢筋应变相同的区域有逐渐缩小的趋势。随着龄期的增长，混凝土的强度不断提高，对钢筋的握裹力应有进一步增强，但在本试验中，包含图4所示的91天结果在内，混凝土各龄期的钢筋平均应变相同的区域并未扩大。因此可以推断，在螺纹钢与混凝土抗拉结构体系中，二者之间的摩阻及机械咬合作用效果大于化学胶着力产生的效果。试验观察结果表明，包含无置换混凝土在内，大部分混凝土试件的首次开裂都发生在此区域内。由此说明，距离试件中央30D区域内钢筋与混凝土几乎不存在相对滑移、呈完全一体化形态，由此，本文将此区域定义为“钢筋-混凝土完全粘结区域”。

钢筋-混凝土完全粘结区域内钢筋-混凝土的应变关系如图5所示。由图可知，在此区域内，除龄期1天与2天在高应变范围内钢筋较混凝土表面应变有所偏离外，其余龄期两者基本一致。相对于此，无置换混凝土试件中钢筋与混凝土的应变关系更加趋于一致。

1.3.2拉伸弹性模量的计算方法及结果

以粉煤灰混凝土FA20试件单轴抗拉试验结果为例，混凝土各龄期的拉伸应力-应变关系如图6所示。混凝土的拉伸应力可由试验测定的钢筋端部拉力、试件中央螺纹钢筋的钢筋应变值得，具体如式(1)所示：

σ_{C} = \frac{P - A_{S} E_{S} ϵ_{S}}{A_{C}} - - - (1)

式中，σ_C:混凝土拉伸应力，P：螺纹钢筋的端部拉力值，A_S：钢筋公称断面积，E_S：钢筋弹性模量，ε_S：试件中央螺纹钢筋的钢筋应变值，A_C：混凝土试件断面积。其中，钢筋应变值可以为试件中央螺纹钢筋上的各钢筋应变片产生的应变值的平均值、也可以为其中任意一个钢筋应变片产生的应变值。

由图6可知，不同龄期混凝土的应力-应变都大致呈直线关系，因此，本研究通过对两者的直线回归求出了混凝土的拉伸弹性模量。但因混凝土临近破坏前及破坏时其应力、应变有较大变化，在计算弹性模量时，为保证计算结果的准确性，去除了图中实心圆所描绘的数值。

FA0与FA20混凝土拉伸弹性模量随龄期的变化如图7所示。随着混凝土龄期的增长，拉伸弹性模量都呈增大的趋势，尤其在早龄期有较明显的增长。无置换混凝土早龄期的拉伸弹性模量明显高于粉煤灰混凝土，到28天龄期时，无置换混凝土的拉伸弹性模量增至36.30kN/mm²，而粉煤灰混凝土只达到27.15kN/mm²，两者之间存在较大差距。但在91天龄期，无置换混凝土增长幅度甚微，而粉煤灰混凝土仍有大幅度的增长，并且接近无置换混凝土的水平。由此可知，粉煤灰的火山灰反应对混凝土中长期力学性能的贡献较大。

混凝土拉伸弹性模量与依据抗压强度试验结果计算得出的压缩弹性模量关系如图8所示。无置换混凝土FA0各龄期的拉伸弹性模量均高于压缩弹性模量，拉伸与压缩弹性模量的比值(记为拉压弹性模量比)在1.0～1.4之间。龄期7天拉伸与压缩弹性模量几乎相等，但早于7天时，两者之间差异明显，而在龄期28天(1.09)与91天(1.11)时拉压弹性模量比趋于稳定，比值约为1.1。与此相类似，粉煤灰混凝土FA20的拉伸弹性模量也均高于压缩弹性模量，但拉压弹性模量比均在1.2以上，且最大值高于1.4。与无置换混凝土不同，粉煤灰混凝土的拉压弹性模量比由龄期28天的1.28增至91天的1.38，可见中长期粉煤灰混凝土拉伸弹性模量的增长量高于压缩弹性模量。

在混凝土结构的温度应力解析、结构变形计算与后期维护等设计与施工中，一般不严格区分其拉伸弹性模量和压缩弹性模量，而多采用压缩弹性模量进行分析处理。但根据以上结果，不同龄期混凝土的拉伸弹性模量均高于压缩弹性模量，特别是对于粉煤灰混凝土来说，拉伸与压缩弹性模量之间的差距十分明显，且在中长期仍有较大差距。因此，以压缩弹性模量来代替拉伸弹性模量，并不一定适用于所有情况，且对于粉煤灰混凝土尤为重要。

1.3.3依据压缩强度的弹性模量计算

混凝土结构设计规范GB50010-2010中给出了式(2)所示的依据压缩强度计算弹性模量的计算公式:

E = \frac{10^{5}}{2.2 + 34.7 / f_{c u, k}} - - - (2)

其中，E为混凝土的弹性模量，f_cu,k为混凝土的强度等级值。

抗压强度与弹性模量的关系见图9。为方便比较，图中同时给出了依据规范公式使用抗压强度试验结果计算所得的弹性模量曲线。对于试验所用的两种混凝土，相同抗压强度等级对应的拉伸或压缩弹性模量的试验结果并无差异。由此可知，普通混凝土弹性模量的推算公式也同样适用于粉煤灰混凝土。另外，试验所得的弹性模量均高于依据规范公式计算的结果，且压缩和拉伸弹性模量分别高出规范公式计算结果约3kN/mm²和9kN/mm²。因而，在预测混凝土早期开裂等工程实践中，若依据规范公式计算混凝土的拉伸弹性模量，很有可能造成计算拉应力远低于实际拉应力，从而给混凝土构筑物的施工、管理等带来危害。

Claims

1.一种混凝土的单轴抗拉弹性模量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

σ_{C} = \frac{P - A_{S} E_{S} ϵ_{S}}{A_{C}}

2.如权利要求1所述的混凝土的单轴抗拉弹性模量测量方法，其特征在于：在钢筋与混凝土的粘结区域内每隔5D设置两个钢筋应变片，且两个钢筋应变片设置在钢筋两纵肋的对称位置，D为钢筋公称直径。

3.如权利要求2所述的混凝土的单轴抗拉弹性模量测量方法，其特征在于：混凝土试件为长1440mm、断面100×100mm的棱柱体试件，混凝土试件两端露出的钢筋的长度为90mm，钢筋与混凝土的粘结区域为1200mm，钢筋的D为12mm。

4.如权利要求3所述的混凝土的单轴抗拉弹性模量测量方法，其特征在于：在钢筋与混凝土的非粘结区域的长度为120mm，通过如下方式实现钢筋与混凝土的非粘结：在钢筋上涂抹隔离剂、并以胶带纸包裹以将钢筋与混凝土隔离开。