水工混凝土尺寸效應(yīng)研究綜述

張 虹 胡廷正 楊全文

(1青州市何官鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)中心，山東 青州262512；2青州市仁河水庫管理局，山東 青州262500)

1 引言

尺寸效應(yīng)是指材料的力學(xué)性能不再是一個常數(shù)，而是隨著材料幾何尺寸的變化而變化?；炷脸叽缧?yīng)現(xiàn)象表現(xiàn)為混凝土強度及其相關(guān)的力學(xué)參數(shù)與試件尺寸之間的關(guān)系。目前，在水利工程領(lǐng)域中，混凝土是最重要的建筑材料。因此，研究混凝土的尺寸效應(yīng)，成為研究人員面臨的課題之一。本文將對水工混凝土尺寸效應(yīng)的研究結(jié)果進行分析和評述。

2 國內(nèi)外尺寸效應(yīng)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外對混凝土的尺寸效應(yīng)問題最早起源于15世紀，由Leonardo da vinci首先提出，并最早由Gonnerman將尺寸效應(yīng)用于混凝土材料的研究[1]，隨后越來越多的實驗揭示了混凝土材料存在著尺寸效應(yīng)。目前，混凝土強度尺寸效應(yīng)的研究工作主要集中在抗壓強度尺寸效應(yīng)、抗拉強度尺寸效應(yīng)、抗彎強度尺寸效應(yīng)和斷裂尺寸效應(yīng)等方面。

2.1 混凝土抗壓強度尺寸效應(yīng)

美國墾務(wù)局對普通混凝土圓柱體試件的試驗結(jié)果[2]表明：混凝土抗壓強度測試值隨試件尺寸的增大而減小，當試件超過某一界限后，尺寸效應(yīng)逐漸減緩。楊成球[3]和楊忠義[4]等人對全級配及相應(yīng)濕篩混凝土立方體試件進行了單軸抗壓強度尺寸效應(yīng)的實驗，結(jié)果表明：全級配與濕篩混凝土的強度均存在尺寸效應(yīng)，其變化規(guī)律符合Weibull統(tǒng)計理論。文獻[5~17]的實驗表明：普通混凝土和高強混凝土圓柱體試件都存在尺寸效應(yīng)，其表現(xiàn)抗壓強度隨圓柱體試件尺寸的增大而降低。黃煜鑌[18，19]對高強混凝土抗壓強度的尺寸效應(yīng)研究結(jié)果也顯示，強度越高，尺寸效應(yīng)更為明顯。Neville實驗測試結(jié)果顯示，小尺寸試件具有明顯高的強度。朱爾玉[20]等試驗分析了不同形狀和不同尺寸混凝土試件抗壓強度具有較高的相關(guān)性。雖然對抗壓強度的尺寸效應(yīng)現(xiàn)象已經(jīng)進行了許多的試驗研究和理論探討，但目前并沒有較大的進展。

2.2 混凝土抗拉強度尺寸效應(yīng)

由于混凝土的拉伸試驗較為困難，所以，對混凝土抗拉強度尺寸效應(yīng)研究相對較少。Carpinteri利用直接拉伸試驗中獲得了穩(wěn)定的、完整的軟化曲線。試驗結(jié)果[21]表明：混凝土拉伸強度具有顯著的尺寸效應(yīng)，截面寬度5cm的試件強度為4.33MPa，而當尺寸增大到40cm時強度僅為3.17MPa。對于劈裂抗拉強度，宣國良的分析表明：強度測試值隨試件尺寸的增大而減小[22~25]。對相同劈裂面積不同直徑的圓柱體試件，當其劈裂面上的受拉區(qū)面積相同時，具有相同的劈拉強度。因此，對于形狀相似的試件，可以用劈裂面積來研究劈拉強度的尺寸效應(yīng)。盡管大多數(shù)研究結(jié)果都證實，劈裂抗拉強度隨試件尺寸增大而降低，但也有部分結(jié)果得出不同的結(jié)論。Bazant等的研究表明，隨試件尺寸增大,劈裂抗拉強度反映出首先降低并隨后增大的趨勢；而Chen等人的研究認為劈裂抗拉強度隨尺寸增大而略有高；Rocco等人得出劈裂抗拉強度隨試件尺寸增大而單調(diào)降低并在大尺寸時趨近于一常數(shù)。

2.3 混凝土抗彎強度尺寸效應(yīng)

對抗彎強度尺寸效應(yīng)來講，研究結(jié)果也顯示混凝土的抗彎強度存在明顯的尺寸效應(yīng)[26,27]，但對于不同類型混凝土、不同因素對尺寸效應(yīng)的有關(guān)影響研究很少。Z.P.Bazant的試驗結(jié)果[28]表明：混凝土試件的抗彎強度隨著截面尺寸的增大而減小。從張彤[29]和李光偉[30]等人的測試結(jié)果也可看出這一點。但黃煜鑌[18,19]對高強混凝土的抗彎強度尺寸效應(yīng)進行了研究，結(jié)果顯示，超高強混凝土相比于高強混凝土，其抗彎強度對尺寸效應(yīng)的影響比較平緩，這與抗壓強度尺寸效應(yīng)的規(guī)律不同。

2.4 混凝土耐久性尺寸效應(yīng)

除以上研究外，冷發(fā)光等[31~33]通過鉆芯取樣對混凝土抗壓強度、氯離子滲透性能、抗凍融循環(huán)性能和抗硫酸鹽腐蝕性能等耐久性方面的試驗研究，發(fā)現(xiàn)混凝土尺寸效應(yīng)對耐久性有較大影響。曾偉等[34]對透水混凝土的性能也進行了試驗研究，結(jié)果表明：對于邊長150mm的立方試塊，除了10%孔隙率的lOOmm立方試塊尺寸效應(yīng)不明顯外，15%和20%孔隙率條件下的lOOmm、200mm試塊的尺寸效應(yīng)以及10%孔隙率的200mm試塊的尺寸效應(yīng)都超過普通混凝土。朱惠英[35~37]對堿-硅反應(yīng)膨脹值進行了初步探討，認為試件的橫截面尺寸是影響ASR膨脹結(jié)果的關(guān)鍵。

2.5 碾壓混凝土尺寸效應(yīng)

韓曉鳳，張仲卿等對碾壓混凝土層面抗剪斷強度進行了試驗，碾壓混凝土層面抗剪原位抗剪斷強度指標的尺寸效應(yīng)明顯[38~43]，f′和c′的值均隨試件尺寸的增大而減小，且f′和c′值隨尺寸變化的程度更大。王澤云[44]和文獻[45~48]的試驗結(jié)果認為，尺寸效應(yīng)對彈性模量沒有影響；對縱向應(yīng)變的影響也較小，但對橫向應(yīng)變有一定的影響，以較小試塊測得的應(yīng)變值較大。李光偉對極限拉伸值進行了研究[49]，全級配大體積混凝土的極限拉伸值低于濕篩小試件混凝土的極限拉伸值，兩者的比為0.54~0.76，平均為0.64；姜榮梅等[50~52]則提出碾壓混凝土極限拉伸值的濕篩尺寸效應(yīng)系數(shù)為0.70~0.79，平均值為O.74。

2.6 混凝土斷裂尺寸效應(yīng)

國內(nèi)外對混凝土斷裂尺寸效應(yīng)研究較多[53~57],但迄今為止尚未有一個公認的結(jié)論。一種觀點認為，混凝土斷裂能是實驗方法產(chǎn)生的誤差引起的，不依賴于試件的尺寸[58]。如Rajendra等認為斷裂能的尺寸效應(yīng)來源于測量位移過程中支座的影響所帶來的偏差[59]，同濟大學(xué)的張東［60］等以及重慶建筑大學(xué)的錢覺時［61］認為出現(xiàn)尺寸效應(yīng)是由于對荷載-位移曲線的尾部處理不當造成。另一種觀點認為,由實驗室測定的混凝土斷裂能存在尺寸效應(yīng),只有當試件的尺寸無限大時斷裂能才是恒定的常數(shù)[62,63]。大部分研究者發(fā)現(xiàn)[64~66]：對于幾何相似的混凝土試件，增大試件尺寸會引起斷裂能的增加；尺寸對于斷裂能的影響隨試件尺寸與骨料最大粒徑比值的增大而減少，當試件尺寸明顯大于骨料粒徑時，尺寸效應(yīng)的影響就不太明顯。徐世烺[67]等研究表明：三點彎曲梁法測試混凝土雙K斷裂參數(shù)無明顯的尺寸效應(yīng)，楔入劈拉試件由于豎向加載荷載引起附加力矩脅對裂縫尖端應(yīng)力場的影響，導(dǎo)致測試所得混凝土斷裂韌度值存在一定的尺寸效應(yīng)，當采取措施消除此影響或此影響較小時，楔入劈拉試件測得的雙K斷裂參數(shù)值也將無明顯的尺寸效應(yīng)。

3 結(jié)語

混凝土尺寸效應(yīng)是一種普遍現(xiàn)象，表現(xiàn)為各個方面，但混凝土尺寸效應(yīng)研究還有很多問題有待深入。

（1）完善大尺寸混凝土性能測試方法和技術(shù)，研究測試大尺寸混凝土性能的試驗設(shè)備。

（2）借鑒量子化學(xué)理論的相關(guān)知識，豐富大尺寸混凝土性能的相關(guān)理論，建立混凝土宏觀力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

（3）運用交叉學(xué)科的相關(guān)理論和現(xiàn)代計算機信息技術(shù)，研究大尺寸混凝土性能。

[1]黃海燕.混凝土尺寸效應(yīng)理論研究與斷裂參數(shù)分析.博士論文.2004：5-8

[2]姜福田.混凝土力學(xué)性能與測定(第一版).北京:中國鐵道出版社.1989年.

[3]楊成球,吳政.全級配混凝土強度尺寸效應(yīng)及變形特性研究.大連理工大學(xué)學(xué)報.1997(1):129-134.

[4]楊忠義.全級配混凝土強度的尺寸效應(yīng)研究.水電站設(shè)計. 2008(3):11-14.

[5]M.Lessard，0.Chaallal，P.C.Aitein. Testing high strength concrete compressi Vestrength，ACI Materials Journal. 1993(4):303-308.

[6]Z.P.Bazant，P.A.pfeiffer，Determination of fracture energy from size effect and Brittleness number.ACIMaterials Journ al.1987(6):463~480.

其他參考文獻省略