CN105842070A - 一种桥梁上部预应力混凝土抗压强度与弹性模量检测方法 - Google Patents

一种桥梁上部预应力混凝土抗压强度与弹性模量检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种桥梁上部预应力混凝土抗压强度与弹性模量检测方法，研究实际工程中C50、C55混凝土在不同龄期下弹性模量与抗压强度的演化规律及其相互关系，解决了交通建设施工中的实际问题以及为编制相关规范提供试验依据，研究成果对行业技术进步以及社会经济发展具有重要意义和作用。

Description

一种桥梁上部预应力混凝土抗压强度与弹性模量检测方法
技术领域
本发明涉及一种桥梁上部结构预应力混凝土抗压强度与弹性模量检测方法，属于混凝土技术领域。
背景技术
在现代桥梁工程特别是桥梁上部结构施工中，由于工期紧迫，任务繁重，通常预应力钢筋张拉时混凝土龄期短，混凝土强度达到了设计要求，但弹性模量还处在比较低的状态。混凝土弹性模量处于较低状态时张拉预应力将导致混凝土徐变增大，特别是跨径较大的预制梁和连续刚构桥在建成后的若干年内(运营时间远小于设计基准期)产生超出规范要求的下挠和裂缝，影响桥梁的安全运营和耐久性。这就对混凝土材料提出了新的技术要求，混凝土早龄期的力学性能决定着施工进度、混凝土结构和构件的安全和耐久性，因此研究预应力混凝土弹性模量与抗压强度的特征关系以及不同龄期和不同环境温度下弹性模量与抗压强度的演化规律具有十分重要的意义。
目前国内外相关的研究进展和取得的成果：
对于标准养护条件下早龄期混凝土弹性模量和抗压强度随龄期变化的关系，N.J.Gardner研究了早期混凝土强度(Gardner N J.Strength develogment and durability of CSA type30cement/slag/fly-ash concrete for arctic marine applications[J].Durability of building material.1986(4)：2.)。
Sau、Klieger等结合试验进行了以养护温度、水泥种类为参量的低龄期混凝土强度的预测(Sau P L.A study ofthe casting and curing temperature on the mechanical properties of concrete[D].M.Eng Thesis，University of Ottawa,1984.)。
欧洲模式规范CEB-FIP model code 1990中，混凝土的抗压强度、弹性模量随龄期增长的计算公式：
fc(t)＝βtfc，28，
式中，fc,28，和Ec,28分别为标准养护条件下28天龄期混凝土抗压强度和弹性模量，βt为与混凝土龄期相关的系数。美国ACI 209 R-1992(R2008)也给出经验公式：
式中，w为单位体积混凝土的重量。
国内朱伯芳在水利学报中发表了《混凝土的弹性模量,徐变度与应力松弛系数》和《再论混凝土弹性模量的表达式》，根据中国水利水电科学研究院的试验结果，得出早龄期混凝土抗拉强度、极限拉伸变形及早龄期混凝土弹性模量的时变规律，并分别给出指数型、双曲线型、对数型和插值型混凝土抗压强度、弹性模量随材料成熟度发展的经验公式。张建仁等发表的《混凝土早期抗压强度和弹性模量的试验研究》[J].中外公路，2003,23(2)：89-92，通过对不同设计强度的混凝土试块进行早龄期轴心抗压强度和弹性模量的试验研究，获得了它们的统计参数、分布类型及随龄期变化的表达式。吴会平等发表了《预应力混凝土箱梁弹性模量控制浅析》[J].高性能混凝土的研究与应用——第五届全国高性能混凝土学术交流会论文,2004，探讨了影响混凝土弹性模量的各种因素，得出弹性模量与抗压强度的平方根呈线性相关关系。谢静发表的《不同长径聚丙烯纤维对高强混凝土高温后力学性能影响的研究》论文中研究了高强混凝土弹性模量及其高温作用后的变化规律。李晓文等发表了《预应力混凝土弹性模量力学性能试验研究》[J].商品混凝土,2010,12:67-70，在新疆乌鲁木齐地区的特殊地理环境和气候因素下，指出3d龄期的混凝土虽然强度达到了设计要求，但弹性模量还处在比较低的状态，也就是说混凝土强度的增长速度要高于弹性模量的增长速度。这与冯太坤(混凝土的强度与抗压弹性模量增长变化初探[J].中国高新技术企业,2007(4),158)的研究恰好相反，他指出混凝土的养护早期抗压强度没有抗压弹性模量增长得快,混凝土早期相对容许应变较小。
目前桥梁工程施工中要求抗压强度和弹性模量的双重控制，但可供取用的标准数据还没有完备地建立起来，特别是混凝土龄期、强度、弹性模量的特征关系是工程中亟待解决的关键问题。
发明内容
本发明旨在提供一种桥梁上部预应力混凝土抗压强度与弹性模量检测方法，采用通用混凝土原材料，研究桥梁用C50、C55混凝土在不同龄期下弹性模量与抗压强度的演化规律及其相互关系，继而推广到通常桥梁用混凝土强度等级的混凝土在不同龄期下弹性模量与抗压强度的演化规律及其相互关系，解决了我国交通建设施工中的实际问题以及为编制相关规范提供试验依据，研究成果并对行业技术进步以及社会经济发展具有重要意义。
本发明提供了一种桥梁上部预应力混凝土抗压强度与弹性模量检测方法，包括以下步骤：
(1)准备原材料
混凝土采用与工程中相同的原材料，混凝土和易性根据施工工艺要求确定：
水泥：选取普通硅酸盐水泥P.O 52.5级水泥、P.O 42.5级水泥；
骨料：砂、石使用符合国家标准的质地坚硬、级配良好、洁净的中砂和碎石；石灰石碎石5-20mm连续级配，5-10mm掺量30％，10-20mm掺量70％；
矿物掺合料：采用符合现行国家或行业标准的I级粉煤灰、S105或S95矿粉；
外加剂：采用聚羧酸高效减水剂；
拌合水：符合《混凝土用水标准》JGJ 63-2006规定。
2)混凝土配合比：
混凝土配料比如下：
水胶比：(0.27～0.35)∶1；
水泥用量：400kg/m3～500kg/m3；
矿物掺合料总用量：70kg/m3～95kg/m3，所述粉煤灰质量占矿物掺合料总用量的最大比例为0.6。
中砂用量：600kg/m3～750kg/m3；
碎石用量：1000kg/m3～1200kg/m3；
减水剂掺量：1.0wt％～1.5wt％(质量百分比为减水剂质量占胶凝材料质量的百分比)。
3)主要仪器设备
全自动混凝土压力试验机；微机控制电液伺服万能试验机；弹性模量测定仪。
(2)试件的制备及测试：
1)试件制作：
试验试件数量：在两个强度等级下，分别制作5个龄期(3d、5d、7d、28d、56d)的试件，每个龄期内做一组“10压+3轴+10弹”，即10个抗压强度试验样本：尺寸为150mm×150mm×150mm，3个轴心抗压确定弹性模量加荷参数样本：尺寸为150mm×150mm×300mm，10个弹性模量试验样本：尺寸为150mm×150mm×300mm。
统计评定样本数一般不少于10组，每种条件方案，取样本150mm×150mm×150mm共10个抗压强度试验，150mm×150mm×300mm共3个轴心抗压确定弹性模量加荷参数，150mm×150mm×300mm共10个弹性模量试验。
采用钢模制备桥梁用C50、C55混凝土立方体试件和棱柱体试件。
根据《混凝土强度检验评定标准》GB/T 50107－2010，当连续生产的混凝土，生产条件在较长时间内保持一致，且同一品种、同一强度等级混凝土的强度变异性保持稳定时，一个检验批的样本容量应为连续的3组试件。
上述试件的取样频率和数量应符合下列规定：
a、每100盘，但不超过100m3的同配合比混凝土，取样次数不应少于一次；
b、每一工作班拌制的同配合比的混凝土不足100盘和100m3时其取样次数不应少于一次；
c、当一次连续浇筑同配合比混凝土超过1000m3时，每200m3取样不应少于一次；
d、当连续生产的混凝土，生产条件在较长时间内保持一致，且同一品种、同一强度等级混凝土的强度变异性保持稳定时，一个检验批的样本容量应为连续的3组试件，其强度应同时符合下列规定：
mfcu≥fcu,k+0.7σ0；fcu，min≥fcu,k-0.7σ0；fcu，min≥0.90fcu,k
检验批混凝土立方体抗压强度的标准差，应根据前一个检验期内同一品种混凝土试件的强度数据计算：
σ 0 = Σ i = 1 n ( f c u , i 3 - nm f c u 2 ) 2 n - 1
式中：mfcu——同一检验批混凝土立方体抗压强度的平均值(N/mm2)，精确到0.1(N/mm2)；
fcu,k——混凝土立方体抗压强度标准值(N/mm2)，精确到0.1(N/mm2)；
σ0——检验批混凝土立方体抗压强度的标准差(N/mm2)，精确到0.01(N/mm2)；当检验批混凝土强度标准差s0计算值小于2.5N/mm2时，应取2.5N/mm2；
fcu,i——前一检验期内同一品种、同一强度等级的i组混凝土试件的立方体抗压强度代表值(N/mm2)，精确到0.1(N/mm2)；该检验期不应少于60d，也不得大于90d；
n——前一检验期内样本容量，在该期间内样本容量不应少于45；
fcu,min——同一检验批混凝土立方体抗压强度的最小值(N/mm2)，精确到0.01(N/mm2)。
2)养护条件
试件采取同条件养护，即与工地上混凝土的养护条件相同；
同条件养护根据工程进度取为相应季节温度。
3)检测指标：抗压强度、弹性模量
4)实验方法和实验设备
采用标准试验方法《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTGE30-2005)测定混凝土抗压强度，结合微变形测量仪测定其弹性模量。
分别测定C50、C55混凝土试件龄期为3d、5d、7d、28d、56d的力学性能指标，包括抗压强度、轴压强度和弹性模量，研究随着龄期的增长混凝土抗压强度和弹性模量的变化规律。
所用主要仪器设备：STYE-3000C型电脑全自动混凝土压力试验机；WAW-1000kN微机控制电液伺服万能试验机；150mm×150mm×150mm立方体钢模；150mm×150mm×300mm棱柱体钢模。
(3)数据处理
本研究试验数据处理根据肖维勒(Chauvel)准则和格拉布斯(Grubbs)准则。
进一步地，所述养护条件为：环境温度为10℃-30℃，相对湿度为20％-80％。
本发明的有益效果：
(1)混凝土是具有地域特征的建筑材料，本发明提出了对我国的混凝土早龄期性能进行试验研究，同时研究提出混凝土早龄期性能是施工期混凝土结构控制的前提。
(2)采用通用混凝土原材料，研究桥梁用C50～C55高性能混凝土在不同龄期和环境温度下弹性模量与抗压强度的演化规律及其相互关系，对解决我国交通建设施工中的实际问题、控制桥梁施工进度及编制相关规范提供试验依据，并对推进行业技术进步具有重要作用和意义。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例：
本发明公路桥梁预应力混凝土抗压强度弹性模量双参数无损检测方法的步骤如下：
按照上述公路桥梁预应力混凝土抗压强度和弹性模量分析，针对C50≤fcu.k≤C55的公路桥梁预应力混凝土，测出了抗压强度和弹性模量，并按照上述方法进行数据处理，采用回归方程式拟合出了适用于公路桥梁预应力混凝土的龄期与高性能混凝土抗压强度、弹性模量的关系公式。
1.采用的混凝土原材料和上述原材料相同，采用如下配合比制备试件。
表1混凝土配合比
采用山西黄河新型化工HJSX-A型聚羧酸高效减水剂，减水率为29％；
2.技术路线如下：
步骤一：试件制作，采用满足上述要求的混凝土原材料和配合比，在商品混凝土搅拌楼中搅拌，制作C50和C55两个强度等级的混凝土。在两个强度等级下，分别制作5个龄期(3d、5d、7d、28d、56d)的试件，每一个龄期制备10个标准立方体(150mm×150mm×150mm)试件和13个标准棱柱体(150mm×150mm×300mm)试件，立方体试件用于测量混凝土抗压强度，3个棱柱体试件用于测量混凝土轴心抗压强度，另外10个测量混凝土弹性模量，同一龄期的试件要求在同一天内制作完成；
步骤二：试件采取同条件养护即与工地上混凝土的养护条件相同；
步骤三：强度测试：用电液伺服万能试验机测量混凝土标准立方体试件的抗压强度和混凝土标准棱柱体试件的轴心抗压强度；
步骤四：弹性模量测试：用电液伺服万能试验机测量混凝土标准棱柱体试件的弹性模量。
按照上述技术路线，测出抗压强度和弹性模量，处理后的有效数据分别如下表所示。
表2 C55抗压强度值(MPa)
表3 C50混凝土抗压强度(MPa)
表4 C55混凝土弹性模量(×104MPa)
表5 C50混凝土弹性模量(×104MPa)
3.采用回归方程式拟合出了适用于公路桥梁预应力混凝土C50≤fcu.k≤C55的高性能混凝土抗压强度、弹性模量的关系公式。
下面内容属于对上述公式的验证：
本发明内容在实体工程里必沁水河特大桥项目中试用，详述如下：
里必沁水河特大桥项目基本情况如下：
里必沁水河特大桥，桥长1347m，本桥主桥跨径组成为80+3×150+80米C50、C55预应力混凝土连续刚构，该桥主桥上部结构采用直腹板预应力混凝土箱梁，箱梁为单箱单室断面，采用纵向、竖向、横向三向预应力混凝土结构，箱梁顶面、底面横坡与路线横坡一致，桥面纵坡为1.3％。
根据《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》(CECS 02：2005)超声回弹测试方法，对里必沁水河特大桥预应力混凝土箱梁实体进行了龄期为3d、5d、7d、14d、28d时的超声值、回弹值测试，同时测试了相应龄期混凝土同条件养护混凝土试件的抗压强度、弹性模量，运用本发明建立的系列模型推定了里必沁水河特大桥预应力混凝土箱梁实体混凝土抗压强度、弹性模量，并与试块实测值进行了对比校核，验证了本发明所得模型的正确性。
具体如下：
(1)在施工场地采用与项目相同的混凝土配合比制备5个龄期(3d、5d、7d、14d、28d)的试件,每一个龄期制备10个标准立方体(150mm×150mm×150mm)试件和13个标准棱柱体(150mm×150mm×300mm)试件，同一龄期的试件在一天内完成；具体混凝土配合比如表11所示；
表6混凝土配合比(kg/m3)
(2)试件采取同条件养护，即同施工现场混凝土养护方式一样；
(3)试件到达相应龄期(3d、5d、7d、14d、28d)后，测试混凝土试件的抗压强度、弹性模量；
表7箱梁抗压强度实测值和推定值
表8箱梁实体弹性模量实测值和推定值
通过对箱梁抗压强度、弹性模量的实测值和龄期推定值进行比较，可以得出：
(1)经计算，抗压强度曲线的相对误差为7.46％，弹性模量曲线的相对误差为4.85％，符合要求。
(2)本发明所给出高性能混凝土抗压强度、弹性模量与龄期的关系公式适用于公路桥梁C50≤fcu,k≤C55预应力混凝土早龄期及后期的抗压强度弹性模量双参数控制检测方法；实际工程中所用混凝土配合比在本发明所述的配合比范围之内的可以直接应用本发明所给的公式；为了得到适用于具体工程的更高精度的抗压强度值和弹性模量值，可根据本发明所述步骤自行得出相关公式。

Claims (6)

1.一种桥梁上部预应力混凝土抗压强度与弹性模量检测方法，其特征在于：通过实验和数据统计分析建立公路桥梁预应力混凝土抗压强度和弹性模量与龄期双参数控制曲线，包括以下步骤：
步骤一：试件制作，采用满足要求的混凝土原材料和配合比，在商品混凝土搅拌楼中搅拌，制作C50和C55两个强度等级的混凝土；在两个强度等级下，分别制作不同龄期的试件，每个龄期内做一组“10压+3轴+10弹”，即10个抗压强度试验样本，3个轴心抗压确定弹性模量加荷参数样本，10个弹性模量试验样本；同一龄期的试件要求在同一天内制作完成；
步骤二：试件采取同条件养护，即与工地上混凝土的养护条件相同；
步骤三：试件达到龄期后，用电液伺服万能试验机测量混凝土标准立方体试件的抗压强度和混凝土标准棱柱体试件的轴心抗压强度；
步骤四：弹性模量测试：用电液伺服万能试验机测量混凝土标准棱柱体试件的弹性模量。
步骤五：数据处理：本研究试验数据处理根据肖维勒准则和格拉布斯准则。
2.如权利要求1所述的公路桥梁预应力混凝土抗压强度弹性模量双参数无损检测方法，其特征在于，混凝土配料比如下：
水胶比：0.27～0.35；
水泥用量：400kg/m3～500kg/m3；
矿物掺合料总用量：70kg/m3～95kg/m3，所述粉煤灰质量占矿物掺合料总用量的最大比例为0.6。
中砂用量：600kg/m3～750kg/m3；
碎石用量：1000kg/m3～1200kg/m3；
减水剂掺量：1.0wt％～1.5wt％。
3.根据权利要求2所述的桥梁上部预应力混凝土抗压强度与弹性模量检测方法，其特征在于：所述混凝土采用与工程中相同的原材料，混凝土的和易性根据施工工艺要求确定；
水泥：选取普通硅酸盐水泥P.O 52.5级水泥、P.O 42.5级水泥；
骨料：砂、石使用符合国家标准的质地坚硬、级配良好、洁净的中砂和碎石；
石灰石碎石5-20mm连续级配，5-10mm掺量30％，10-20mm掺量70％；
矿物掺合料：采用符合现行国家或行业标准的I级粉煤灰、S105或S95矿粉；
外加剂：采用聚羧酸高效减水剂；
拌合水：符合《混凝土用水标准》JGJ 63-2006规定。
4.如权利要求1所述的公路桥梁预应力混凝土超声回弹双参数无损检测方法，其特征在于，所述不同龄期选择3d、5d、7d、28d、56d五个龄期；所述抗压强度试验样本的尺寸为 150mm×150mm×150mm，轴心抗压确定弹性模量加荷参数样本的尺寸为150mm×150mm×300mm，弹性模量试验样本的尺寸为150mm×150mm×300mm。
5.根据权利要求1所述的桥梁上部预应力混凝土抗压强度与弹性模量检测方法，其特征在于：所述试件的取样频率和数量应符合下列规定：
a、每100盘，但不超过100m3的同配合比混凝土，取样次数不应少于一次；
b、每一工作班拌制的同配合比的混凝土不足100盘和100m3时其取样次数不应少于一次；
c、当一次连续浇筑同配合比混凝土超过1000m3时，每200m3取样不应少于一次；
d、当连续生产的混凝土，生产条件在较长时间内保持一致，且同一品种、同一强度等级混凝土的强度变异性保持稳定时，一个检验批的样本容量应为连续的3组试件，其强度应同时符合下列规定：
mfcu≥fcu,k+0.7σ0；fcu ， min≥fcu,k-0.7σ0；fcu ， min≥0.90fcu,k
检验批混凝土立方体抗压强度的标准差，应根据前一个检验期内同一品种混凝土试件的强度数据计算：
式中：mfcu——同一检验批混凝土立方体抗压强度的平均值(N/mm2)，精确到0.1(N/mm2)；
fcu,k——混凝土立方体抗压强度标准值(N/mm2)，精确到0.1(N/mm2)；
σ0——检验批混凝土立方体抗压强度的标准差(N/mm2)，精确到0.01(N/mm2)；当检验批混凝土强度标准差s0计算值小于2.5N/mm2时，应取2.5N/mm2；
fcu,i——前一检验期内同一品种、同一强度等级的i组混凝土试件的立方体抗压强度代表值(N/mm2)，精确到0.1(N/mm2)；该检验期不应少于60d，也不得大于90d；
n——前一检验期内样本容量，在该期间内样本容量不应少于45；
fcu,min——同一检验批混凝土立方体抗压强度的最小值(N/mm2)，精确到0.01(N/mm2)。
6.根据权利要求1所述的桥梁上部预应力混凝土抗压强度与弹性模量检测方法，其特征在于：所述养护条件为：环境温度为10℃-30℃，相对湿度为20％-80％。
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