蔣正武， 周 磊， 李文婷

（同濟(jì)大學(xué) 先進(jìn)土木工程材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804）

骨料是混凝土的重要組分之一，約占混凝土體積的3／4.與水泥、減水劑等組分相比，骨料對(duì)混凝土工作性、力學(xué)性能與耐久性等影響十分顯著.目前，人們研究較多的是骨料粒徑、級(jí)配、粒型等參數(shù)對(duì)混凝土性能的影響.其實(shí)，不同骨料巖性對(duì)混凝土性能也影響顯著［1－2］.因此，研究不同地區(qū)骨料巖性對(duì)混凝土性能的影響規(guī)律，對(duì)指導(dǎo)混凝土制備與應(yīng)用具有重要的理論與技術(shù)指導(dǎo)意義.

石灰?guī)r是地殼中分布最廣的礦產(chǎn)之一.中國(guó)盛產(chǎn)石灰?guī)r，尤其在西南地區(qū)，如在除東部之外的貴州省全境，寒武系至三疊系的碳酸鹽巖分布廣泛，其總厚度為3 000～12 000m，分布面積為12.7萬km2，占全省總面積的72%左右.貴州地區(qū)因河砂資源匱乏，配制混凝土的粗、細(xì)骨料大多來自石灰?guī)r［3］.另外，在實(shí)際工程應(yīng)用及相關(guān)技術(shù)規(guī)程中，對(duì)后張法預(yù)應(yīng)力混凝土張拉時(shí)間的確定，即如何采用抗壓強(qiáng)度、彈性模量指標(biāo)來確定預(yù)應(yīng)力混凝土張拉時(shí)間一直存在爭(zhēng)議，而且關(guān)于這方面的專題研究也很少［4］.在此背景下，本文系統(tǒng)研究了不同強(qiáng)度等級(jí)石灰?guī)r骨料混凝土的彈性模量與抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律及其相關(guān)性，并與砂巖混凝土進(jìn)行了比較，以期指導(dǎo)預(yù)應(yīng)力混凝土張拉施工.

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

石灰?guī)r混凝土粗骨料采用產(chǎn)自貴州省的石灰?guī)r碎石（單軸平均抗壓強(qiáng)度107.2MPa，壓碎值12.8%1）本文所涉及的壓碎值、含量等均為質(zhì)量分?jǐn)?shù).）和機(jī)制砂（細(xì)度模數(shù)2.9，中砂，石粉含量12%）；砂巖混凝土粗骨料采用浙江湖州生產(chǎn)的砂巖碎石（單軸平均抗壓強(qiáng)度102.1MPa，壓碎值14.1%）和機(jī)制砂（細(xì)度模數(shù)2.8，中砂，石粉含量2.1%）；所使用的水泥是烏蒙山P·O 52.5水泥；減水劑為聚羧酸減水劑，固含量為24.8%；拌和水為自來水.

1.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)公路工程性能需求，并根據(jù)前期大量試驗(yàn)，設(shè)計(jì)并確定C30，C55兩種強(qiáng)度等級(jí)的混凝土配合比，見表1.分別成型了石灰?guī)r與砂巖骨料混凝土，測(cè)試其1，3，7，28，90d齡期的抗壓強(qiáng)度與彈性模量.混凝土制備、成型、養(yǎng)護(hù)及測(cè)試均按照GB 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》執(zhí)行.

表1 不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土配合比Table 1 Mix proportion of concrete with different strength grades

2 結(jié)果分析

2.1 不同巖性骨料對(duì)混凝土力學(xué)性能影響

圖1，2分別給出了C30，C55兩種強(qiáng)度等級(jí)的石灰?guī)r和砂巖骨料混凝土抗壓強(qiáng)度、彈性模量隨齡期的發(fā)展規(guī)律.

圖1 不同強(qiáng)度等級(jí)的不同巖性骨料混凝土抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律Fig.1 Development rule of compressive strength of concrete with different strength grades and different lithological aggregates

由圖1可見，對(duì)同種骨料，不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土早期抗壓強(qiáng)度均發(fā)展較快，后期趨緩.對(duì)不同巖性骨料而言，相同配合比的石灰?guī)r骨料混凝土抗壓強(qiáng)度比砂巖骨料混凝土抗壓強(qiáng)度高.

圖2 不同強(qiáng)度等級(jí)的不同巖性骨料混凝土彈性模量發(fā)展規(guī)律Fig.2 Development rule of elastic modulus of concrete with different strength grades and different lithological aggregates

由圖2可見，不同巖性骨料混凝土的早期彈性模量都呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，7d后增長(zhǎng)緩慢.對(duì)于C55和C30混凝土而言，石灰?guī)r骨料混凝土的彈性模量都比砂巖骨料混凝土彈性模量高，但砂巖骨料混凝土彈性模量后期增幅較石灰?guī)r骨料混凝土高.

混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量等宏觀性能受其水灰比、膠凝材料性能、集料性能等多方面因素的影響.本試驗(yàn)中，相同強(qiáng)度等級(jí)、不同巖性骨料混凝土均使用相同的膠凝材料、水灰比及施工工藝，因此其強(qiáng)度和彈性模量的差異主要取決于骨料的性質(zhì).石灰?guī)r骨料的強(qiáng)度優(yōu)于砂巖骨料，因此對(duì)不同巖性骨料而言，相同配合比的石灰?guī)r骨料混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量均比砂巖骨料混凝土高.

2.2 不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土抗壓強(qiáng)度與齡期關(guān)系模型

研究［5－9］表明，對(duì)于大多數(shù)混凝土，其抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系符合對(duì)數(shù)關(guān)系，但其中的常數(shù)A和B隨著材料的不同而不同，即式（1）：

基于以上思路，本文對(duì)設(shè)計(jì)強(qiáng)度分別為C30，C55的混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期增長(zhǎng)的關(guān)系曲線進(jìn)行擬合.將式（1）中的y值取為ft／f28d（ft為標(biāo)養(yǎng)齡期為t的混凝土抗壓強(qiáng)度，f28d為標(biāo)養(yǎng)齡期為28d的混凝土抗壓強(qiáng)度），則可得到不同強(qiáng)度等級(jí)石灰?guī)r骨料混凝土及砂巖骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度與齡期關(guān)系擬合曲線，其具體參數(shù)見表2，3.

表2 不同強(qiáng)度等級(jí)石灰?guī)r骨料混凝土抗壓強(qiáng)度與齡期關(guān)系擬合曲線參數(shù)Table 2 Parameters of fitting curve of the relationship between compressive strength and age of limestone aggregate concrete with different strength grades

表3 不同強(qiáng)度等級(jí)砂巖骨料混凝土抗壓強(qiáng)度與齡期關(guān)系擬合曲線參數(shù)Table 3 Parameters of fitting curve of the relationship between compressive strength and age of sandstone aggregate concrete with different strength grades

由表2可以看出，不同強(qiáng)度等級(jí)的石灰?guī)r骨料混凝土抗壓強(qiáng)度與齡期關(guān)系均滿足式（1）的線性方程關(guān)系，且系數(shù)A和B與混凝土強(qiáng)度等級(jí)也存在線性關(guān)系.進(jìn)一步研究A，B與f28d之間關(guān)系，可得到公式：

把式（2），（3）代入以ft／f28d為y值的式（1），則可得到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下石灰?guī)r骨料混凝土抗壓強(qiáng)度與齡期關(guān)系模型：

采用上述步驟，同樣可以得到砂巖骨料混凝土抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系模型：

2.3 不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土彈性模量與齡期關(guān)系模型

研究［7－8，10］表明，混凝土的彈性模量與齡期關(guān)系也滿足對(duì)數(shù)關(guān)系.因此，進(jìn)一步利用式（1），對(duì)C30，C55兩種強(qiáng)度等級(jí)、不同巖性骨料混凝土的彈性模量與齡期關(guān)系進(jìn)行了數(shù)據(jù)擬合.

取Et／E28d為y值（Et為標(biāo)養(yǎng)齡期為t的混凝土彈性模量，E28d為標(biāo)養(yǎng)齡期為28d的混凝土彈性模量），利用式（1）對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸，具體參數(shù)見表4，5.

表4 不同強(qiáng)度等級(jí)石灰?guī)r骨料混凝土彈性模量與齡期關(guān)系擬合曲線參數(shù)Table 4 Parameters of fitting curve of the relationship between elastic modulus and age of limestone aggregate concrete with different strength grades

表5 不同強(qiáng)度等級(jí)砂巖骨料混凝土彈性模量與齡期關(guān)系擬合曲線參數(shù)Table 5 Parameters of fitting curve of the relationship between elasticity modulus and age of sandstone aggregate concrete with different strength grades

同樣可以推導(dǎo)出石灰?guī)r骨料、砂巖骨料混凝土彈性模量與齡期的關(guān)系模型：

2.4 不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土彈性模量與抗壓強(qiáng)度關(guān)系模型

研究［11－13］表明，一般混凝土的彈性模量與抗壓強(qiáng)度平方根的關(guān)系滿足線性關(guān)系，即：y＝A′x＋B′，其中Et為y值，ft1／2為x值.對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)石灰?guī)r與砂巖骨料混凝土彈性模量－抗壓強(qiáng)度平方根進(jìn)行數(shù)值擬合，具體擬合曲線見圖3.

圖3 不同強(qiáng)度等級(jí)石灰?guī)r與砂巖骨料混凝土的Et 與ft1／2之間關(guān)系Fig.3 Relationship between Etand ft1／2 of limestone and sandstone aggregate concrete with different strength grades

表6 不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土彈性模量與抗壓強(qiáng)度平方根擬合曲線參數(shù)Table 6 Parameters of fitting curve of the relationship between elastic modulus and the square root of compressive strength of concrete with different strength grades

由圖3可見：不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土的彈性模量與抗壓強(qiáng)度平方根都呈線性關(guān)系，其擬合曲線參數(shù)見表6.對(duì)于石灰?guī)r骨料而言，隨強(qiáng)度等級(jí)的提高，其彈性模量－抗壓強(qiáng)度平方根曲線的線性斜率逐漸減小，表明石灰?guī)r骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度越高，其相對(duì)彈性模量增長(zhǎng)越緩慢；對(duì)于砂巖骨料而言，隨強(qiáng)度等級(jí)的提高，其彈性模量－抗壓強(qiáng)度平方根曲線的線性斜率逐漸增加，表明砂巖骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度越高，其相對(duì)彈性模量增長(zhǎng)越快.

圖3中石灰?guī)r骨料混凝土和砂巖骨料混凝土的彈性模量－抗壓強(qiáng)度平方根線性關(guān)系曲線幾乎平行，說明石灰?guī)r骨料和砂巖骨料混凝土的彈性模量－抗壓強(qiáng)度平方根關(guān)系趨勢(shì)是一致的.抗壓強(qiáng)度一定時(shí)，石灰?guī)r骨料混凝土的彈性模量高于砂巖骨料混凝土的彈性模量，也表明對(duì)于不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，其彈性模量與抗壓強(qiáng)度平方根之間的關(guān)系受骨料種類、強(qiáng)度等級(jí)影響不大.因此，對(duì)2種巖性骨料混凝土彈性模量與抗壓強(qiáng)度關(guān)系進(jìn)行進(jìn)一步擬合分析，分別得到了石灰?guī)r骨料與砂巖骨料混凝土彈性模量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系模型，如表7所示.

表7表示了石灰?guī)r骨料與砂巖骨料混凝土彈性模量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，對(duì)于相同巖性骨料的混凝土具有更普遍的適用性，這對(duì)于工程中預(yù)測(cè)同種巖性骨料混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量的發(fā)展提供了理論依據(jù).

表7 不同巖性骨料混凝土彈性模量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系模型Table 7 Relational model between elastic modulus and compressive strength of concrete with different lithological aggregate

3 結(jié)論

（1）基于C30，C50兩種強(qiáng)度等級(jí)混凝土的抗壓強(qiáng)度、彈性模量與齡期之間的相互關(guān)系所得出的模型能較準(zhǔn)確地反映混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量的發(fā)展規(guī)律，對(duì)工程實(shí)踐中預(yù)測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度、彈性模量，制定施工進(jìn)度提供了理論依據(jù).

（2）相同配合比下，同一齡期石灰?guī)r骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度、彈性模量均比砂巖骨料混凝土高.

（3）石灰?guī)r、砂巖骨料混凝土抗壓強(qiáng)度、彈性模量與齡期的關(guān)系均符合對(duì)數(shù)關(guān)系模型，但對(duì)于不同巖性骨料，其參數(shù)值不同.

（4）不同強(qiáng)度等級(jí)、不同巖性骨料混凝土的彈性模量與抗壓強(qiáng)度平方根均呈線性關(guān)系；隨強(qiáng)度等級(jí)的增大，石灰?guī)r骨料混凝土彈性模量增長(zhǎng)減緩，而砂巖骨料混凝土則與之相反.

（5）用石灰?guī)r骨料配制的不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土，其早期抗壓強(qiáng)度發(fā)展比彈性模量慢.因此對(duì)石灰?guī)r骨料預(yù)應(yīng)力混凝土張拉齡期控制來說，應(yīng)以控制其抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)值為主，彈性模量為輔.

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