探讨原材料与试验方法——一个实验验证的案例

8.4.1.1　原材料及设备

原材料：水泥采用42.5级普通硅酸盐水泥；粗骨料为碎石，粒径为12.5mm左右，自来水。混凝土配合比为水泥：碎石：水=1：3.5：0.368。CCCW材料选用混凝土添加剂XYEX，掺入量为水泥加入质量的3%。所使用的钢筋为长320m、

直径为12mm的光圆钢筋，其牌号及化学成分同前一样。埋入混凝土以前先用18%-12%盐酸除锈，然后用砂纸除去钢筋表面的钝化膜，用无水乙醇处理表面。3%Nacl试验盐水由分析纯化学试剂与自来水配制。

设备：100欧姆电阻两只，高阻抗电压表采用Keithey2700多通道数据自动采集处理系统，导线若干，塑料板，自制木模具等。

8.4.1.2　试验方法

钢材的拉伸性能测定：通过试验了解常用建筑钢筋物理性能；掌握测定钢筋的屈服强度、抗拉强度、伸长率三个指标的操作，依据《金属材料拉伸试验第一部分：室温试验方法》（GB/T 228.1-2010）；学会钢筋质量和强度等级的评定。

主要仪器设备：（1）万能试验机（2）钢板尺、游标卡尺等。

试件制备：试验前检查钢筋表面有无锈蚀、剥皮、砂眼等情况，若有这些情况应做好记录。抗拉试验用钢筋试件一般不经过车削加工。试验应在室内温度10～30℃下进行；试件原始尺寸的测定（1）用两个或一系列等分小冲点或细划线标出原始标距（标记不应影响试样断裂），测量标距长度L0，精确至0.1 mm。

圆形试件横断面直径应在标距的两端及中间处两个相互垂直的方向上各测一次，取其算术平均值，选用三处测得的横截面积中最小值，横截面积按下式计算：

式中　A0——试件的横截面积（mm2）；

　　　d0——圆形试件原始横断面直径（mm）。

试验步骤：屈服强度与抗拉强度的测定（1）打开电脑测试软件，选择低碳钢拉伸试验程序，设定力学测量系统零点。

（2）将试件固定在试验机夹头内，开动试验机进行拉伸。拉伸速度为：屈服前，应力速率控制在10 Mpa/s；屈服后，试验机活动夹头在荷载下的移动速率应为0.00025～0.0025 s-1。

（3）拉伸曲线中，不计初始瞬时效应的屈服阶段中最小值所对应的最小荷载，即为屈服点荷载Fs。

（4）向试件连续施荷直至拉断由测力系统读出的最大荷载，即为试件的抗拉极限荷载Fb。

断后伸长率的测定：

（1）将已拉断试件断裂的部分仔细地配接在一起使其轴线处于同一条直线上。如拉断处由于各种原因形成缝隙，则此缝隙应计入试件拉断后的标距部分长度内。测量试样断后标Lu。

（2）使用分辨力足够的量具或测量装置测定断后伸长量（Lu-L0），并准确到±0.25 mm。

（3）如规定的最小断后伸长率小于5%，建议采取特殊方法进行测量。原则上只有断裂处于最接近的标距标记的距离不小于原始标距的1/3时，方为有效。但断后伸长率大于或等于规定值，不管断裂位置处于何处测量均为有效。但断后伸长距标记的距离小于原始标距的1/3时，可采用移位法测定断后伸长率。

结果计算与处理：（1）屈服强度按下式计算：

式中　σs——屈服强度（Mpa）；

　　　FS——屈服时的荷载（N）；

　　　A0——试件原横截面面积（mm2）。

（2）抗拉强度按下式计算：

式中　σb——屈服强度（Mpa），精确至1 MPa；

　　　Fb——最大荷载（N）；

　　　A0——试件原横截面面积（mm2）。

（3）断后伸长率按下式计算：

式中　A——断后伸长率，修约至0.5%；

　　　L0——原始标距，（mm）；

　　　Lu——断后标距（mm）。

（4）根据供需双方协议规定钢筋的伸长率值。当试验结果有一项不合格时，应另取双倍数量的试样重做试验，如仍有不合格项目，则该批钢材判为拉伸性能不合格。

混凝土立方体抗压强度及表观密度测定：

通过测定混凝土的立方体抗压强度及表观密度，为检查混凝土质量及确定混凝土的试验配合比和混凝土等级提供主要数据。掌握混凝土表观密度和强度的测定、混凝土的成型与养护方法，依据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T 50080-2002）、《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2002）、《混凝土强度检验评定标准》（GB/T 50107-2010）。

主要仪器设备：压力试验机：精度（示值的相对误差）应不低于±2%；混凝土试模：标准立方体塑料模具；标准振动台：振动频率为50±3 Hz，空载振幅约为0.5 mm；容量筒，抹刀，捣棒等。

试验步骤：混凝土表观密度的测定（1）用湿布把容量筒内外擦拭干净，称出容量筒质量，精确至50 g。

（2）坍落度不大于70 mm的混凝土用振动台振实；大于70 mm的混凝土宜用捣棒捣实。

采用振动台振实时，一次将混凝土拌合物灌到高出容量筒口。装料时可用捣棒稍加插捣，振动过程中如混凝土低于筒口，随时添加混凝土，直至表面出浆为止。

采用捣棒捣实时，采用5 L容量筒，分两层装入，每层的插捣次数为25次，每次由边缘向中心均匀插捣，插捣第二层时，捣棒应穿透本层至下一层的表面。每一层插捣完后用橡皮锤轻轻沿容器外壁敲打5～10次，进行振实，直至拌合物表面插捣孔消失并不见大气泡为止。

（3）用刮尺将筒口多余的混凝土拌合物刮去，表面如有凹陷应填平。将容量筒外壁擦净，称出混凝土试样与容量筒总质量，精确至50 g。

混凝土的成型与养护：试验前，应选好试模尺寸，混凝土强度试验所用试模尺寸与骨料最大粒径的关系见表8-4。

表8-4　试件尺寸与骨料最大粒径的关系

（1）将试模擦干净并在其内涂一薄层机油或脱模剂。

（2）将混凝土拌合物均匀搅拌，一次装满试模。装料时，应用抹刀沿试模内壁略加插捣，并应使混凝土拌合物稍有富裕。放于振动台上振至混凝土拌合物表面开始泛浆为止，最后用抹刀刮平，混凝土抗压强度应以三个试件为一组，每个试块做好标记。

（3）试模移入养护室内静置一昼夜，然后按编号拆模，拆模后的试件应放在20±2℃、相对湿度95%以上的标准条件下养护（试件成型后应立即用不透水的薄膜覆盖表面，以防止水分蒸发。采用标准养护的试件应在温度为20℃±5℃环境下静置一至两昼夜，然后编号、拆模）。试件应放在架上，彼此间隔10～20 mm，养护直至试压龄期为止。同条件养护试件的拆模试件可与实际构件的拆模时间相同。拆模后，试件仍需保持同条件养护。

混凝土立方体抗压强度测定：

（1）试块从养护地点取出后应及时进行试验，将试件表面和上下承压板面檫干净，量出所需尺寸，并检查其外观，试件尺寸测量应精确到1 mm，并据此计算试件的承压面积。

（2）将试件安放在试验机下压板中心，试件的承压面与成型时的顶面垂直，试件的中心应与试验机下承压板中心对准。混凝土强度等级》C60时，试件周围应设置防崩裂网罩。开动试验机，当上压板与试件接近时，调整球形座，使接触均衡。

（3）混凝土的试压应连续而均匀地加荷，混凝土强度等级＜C30时，加荷速度取每秒钟0.3～0.5MPa；混凝土强度等级》C30且＜C60时，取每秒钟0.5～0.8MPa；混凝土强度等级》C60时，取每秒钟0.8～1.0MPa。当接近与破坏时，停止调节试验机油门，直至试件破坏，然后记录破坏荷载和抗压强度fcu。

试验结果：

（1）混凝土拌合物的表观密度γ（精确至10 kg/m3）

式中，γ——表观密度，kg/m3；

　　　V——容量筒容积，L；

　　　W1——容量筒质量，kg；

　　　W2——容量筒和试样总质量，kg。

（2）混凝土试件的抗压强度按下式计算（精确至0.1 MPa）：

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式中，fcu——混凝土立方体试件抗压强度，Mpa；

　　　F——试件破坏荷载，N；

　　　A——试件承压面积，mm2。

抗压强度也可由测试仪器直接读出并记录。

计算三个测值的算术平均值作为该组试件的抗压强度值，精确到0.1MPa。三个测值中的最大值或最小值中如有一个与中间值的差值超过中间值的15%时，则把最大及最小一并舍除，取中间值为该组的抗压强度值；如有两个测值与中间值的差均超过中间值15%，则该组的试验结果无效。

（3）混凝土的抗压强度是以150 mm×150 mm×150 mm的立方体试件的抗压强度为标准。用非标准试件测得的强度值均应乘以其他尺寸试件测定结果，均应换算成边长为150 mm立方体的标准抗压强度，换算时均应分别乘以表8-4中的尺寸换算系数。

（4）混凝土立方体抗压强度试块标准养护龄期为28 d，测试时龄期不是28 d的，可以根据公式换算：

提高混凝土强度的措施主要有以下各点：

（1）采用高强度等级的水泥：提高水泥的强度等级可有效提高混凝土的强度，但由于水泥强度等级的增加受到原料、生产工艺的制约，故单纯靠提高水泥强度来达到提高混凝土强度的目的，往往是不现实的，也是不经济的。

（2）降低水灰比：这是提高混凝土强度的有效措施。降低混凝土拌合物的水灰比，可降低硬化混凝土的孔隙率，明显增加水泥与骨料间的粘结力，使强度提高。但降低水灰比，会使混凝土拌合物的工作性下降。因此必须有相应的技术措施配合，如采用机械强力振捣、掺加提高工作性的外加剂等。

（3）湿热养护：除采用蒸气养护、蒸压养护、冬季骨料预热等技术措施外，还可利用蓄存水泥本身的水化热来提高强度的增长速度。

（4）龄期调整：如前所述，混凝土随着龄期的延续，强度会持续上升。实践证明，混凝土的龄期在3-6个月时，强度较28d会提高25-50%.工程某些部位的混凝土如在6个月后才能满载使用，则该部位的强度等级可适当降低，以节约水泥。但具体应用时，应得到设计、管理单位的批准。

（5）改进施工工艺：如采用机械搅拌和强力振捣，都可使混凝土拌合物在低水灰比的情况下更加均匀、密实地浇筑，从而获得更高的强度。近年来，国外研制的高速搅拌法、二次投料搅拌法及高频振捣法等新的施工工艺在国内的工程中应用，都取得了较好的效果。

（6）掺加外加剂：掺加外加剂是提高混凝土强度的有效方法之一，减水剂和早强剂都对混凝土的强度发展起到明显的作用。

普通混凝土和易性测定：掌握坍落度法测定普通混凝土拌合物和易性的方法，依据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T50080-2002）；检验所设计的混凝土配合比是否符合施工和易性的要求，以作为调整混凝土配合比设计控制混凝土质量的依据。

主要仪器设备：坍落度筒：由薄钢板或其他金属材制成的圆台形筒，上下直径分别为100 mm和200 mm，高300 mm，内壁光滑，在筒外2/3高度处安有两个手把，下端焊有脚踏板。捣棒：直径为16 mm，长650 mm的钢棒。方头小号铁锹，直尺等。

试验操作步骤：试验前应按所计算出来的混凝土初步计算配合比，计算出试样所需的各种材料用量，骨料的称量应以风干状态为准，如表面含水，则应扣除骨料所含有水分。

（1）将所需的各种材料分别用不同的仪器准确称量。

（2）将水泥、砂倒在钢板上干拌均匀，加入一部分水搅拌成砂浆，然后加入石子及其余的水，在板上来往翻拌，铲切，直至均匀为止，若用搅拌机拌合，应先将搅拌机筒内壁用水湿润后，倒入石子、砂、水泥干拌1 min，再徐徐加水拌2 min左右。

（3）采用人工拌和时，应先将坍落度筒内外擦净，用水润湿，把筒放在经过水润湿而不吸水的刚性平板上，其他用具亦需用水湿润。

（4）将坍落度筒放在底板中心，用双脚踏住筒两边的脚踏板，坍落度筒在装料时应保持固定的位置。将拌合好的混凝土试样用小铲分三层均匀地装入筒内，捣实后每层高度为筒高的1/3左右。每层用捣棒由边缘向中心插捣25次，各次插捣在截面上均匀分布，插捣筒边混凝土时，捣棒可以稍稍倾斜，插捣底层时，捣棒应贯穿整个深度，插捣第二层和顶层时，捣棒应插透本层至下一层的表面。浇捣顶层时，混凝土应浇到高出筒口。顶层插捣完后，刮去多余的混凝土，并用抹刀抹平。

（5）清楚筒边底板上的混凝土后，垂直平稳地提起坍落度筒。坍落度筒的提离过程应在5～10 s内完成；从开始装料到坍落度筒的整个过程应不间断进行，并应在150 s内完成，如图8-23所示。

图8-23　坍落度实验

结果观察与分析：（1）提起坍落度筒后，测量筒高与坍落后混凝土试体最高点之间的高度差。即为该混凝土拌合物的坍落度值（T），以mm表示，精确到1 mm，结果表达修约至5 mm。当混凝土拌合物的坍落度大于220 mm时，用钢尺测量混凝土扩展后最终的最大值和最小直径，在这两个直径之差小于50 mm的条件下，用其算术平均值作为坍落扩展度值；否则，此次试验无效。

坍落度筒提起后，如混凝土发生崩塌或一边破坏，则应该重新取样另行测定，如第二次仍出现上述现象，则表示该混凝土和易性不好，应予以记录备查。

（2）保水性以混凝土拌合物中稀浆析出程度来评定。坍落度筒提起后如有较多的稀浆从底部析出，锥体部分的混凝土也因此失浆而骨料外露，则表明此混凝土拌合物保水性不好，如无这种现象，则表明保水性良好。

（3）粘聚性的检测方法是用捣棒在已坍落的混凝土锥体侧面轻轻敲打。此时，如果锥体逐渐下沉，则表示粘聚性良好；如果锥体倒塌，部分崩裂或出现离析现象，则表示粘聚性不好。

（4）如坍落度不满足要求，或保水性及粘聚性不良，应保证水灰比不变的条件下，适当调整水及水泥用量或砂率或外加剂，直至和易性符合要求为止。

试验按美国标准进行。试件尺寸如图8-25所示。试件有两种，一种为不加CCCW的普通钢筋混凝土，另一种为掺入XYPEX的钢筋混凝土。试件分别编号为A、B腐蚀试验采用干湿循环实验，即试件先在空气中自然干燥2周，然后将盐水注入试样顶端的池中，浸泡2周为一个循环。试件的四周及顶部（中间盛溶液的池子除外）。每根钢筋仅其中部150mm长保留清洁干净表面作为试验面，余部按标准要求接好导线后亦用环氧树脂涂抹封闭，实物试样如图8-25。混凝土试件成型以后1天脱模，并在20℃标准养护条件下封闭养护至28天后取出，然后进行干湿循环试验，每个试样置于架高至少13mm的非导电支持架上，允许空气在试样下部流动。

钢筋腐蚀程度的评价方法。（1）自然电位法：对于混凝土表面完好、未发现有锈迹和锈胀裂缝的构件，但有理由怀疑混凝土中钢筋可能已经锈蚀时（如检测发现混凝土的碳化深度超过混凝土保护层厚度），可以采用自然电位法或混凝土电阻法对混凝土中的钢筋锈蚀情况进行初步判断。

采用自然电位法检测时，根据构件表面的实测腐蚀电位等值线图8-24，可按以下标准或检测设备的操作规程，定性判断混凝土中钢筋锈蚀的可能性。

图8-24　锈蚀活动图

-350～-500mV，有锈蚀活动性，发生锈蚀概率95%；

-200～-350mV，有锈蚀活动性，发生锈蚀概率50%；

-200mV以上，无锈蚀活动性或锈蚀活动性不确定，发生锈蚀概率为5%。

（2）混凝土电阻法：采用混凝土电阻法检测时，可根据实测混凝土电阻率按以下标准或检测设备的操作规程，定性判断混凝土中钢筋锈蚀的可能性。如图8-25所示。

图8-25　混凝土电阻法

100kΩ·cm以上，即使高氯化合物浓度或炭化情况下，锈蚀速率也极低；

50～100kΩ·cm，低锈蚀速率；

10～50kΩ·cm，钢筋活化时出现中高锈蚀速率；

低于10kΩ·cm，混凝土电阻率不是钢筋锈蚀的控制因素。

（3）电流密度法：采用电流密度检测时，可根据实测电流密度计算钢筋年锈蚀深度：δ=11.64icom（mm）

（4）锈胀裂缝法：对于已经锈胀开裂的结构构件，可根据锈胀裂缝宽度按式推算钢筋锈蚀深度，但宜用直接破型法进行校核和修正。

式中，δ——钢筋锈蚀深度（mm）；

　　　w、c、d和fcuk——分别为锈胀裂缝宽度（mm）、保护层厚度（mm）、钢筋直径（mm）和混凝土立方体抗压强度（MPa）；

　　　kw、kcd、kcu和kk——分别为锈胀裂缝宽度与钢筋直径之比、保护层厚度与钢筋之比、混凝土立方体抗压强度标准的影响系数及常数项，详见表8-5：

表8-5　有关系数的取值

（5）破损检测法：破损检测时宜选择保护层空鼓、锈胀开裂或剥落等钢筋锈蚀严重的部位，根据锈蚀钢筋的有效截面积和锈前公称截面积计算钢筋的截面锈损率，或根据锈蚀钢筋净重和锈前公称质量计算钢筋的失重率。

在破损检测部位，凿除混凝土保护层，并刮除钢筋表面的锈蚀层后，采用游标卡尺测量钢筋在两个正交方向锈损后的有效直径，然后近似按照椭圆计算锈蚀钢筋的有效截面积。

如图8-24所示，采用高阻抗电压表测试欧电阻两端的电压值，即可以获得腐蚀电偶的腐蚀电流值，见式8-1。该值与混凝土内钢筋的腐蚀速度具有直接相关性。该方法简便易行、测试速度快、可长期连续观测。

图8-24　宏观电池电流棱柱示意图

图8-25　混凝土中钢筋锈蚀实体图