混凝土芯樣的尺寸效應(yīng)分析

張斌

摘 要：隨著建筑行業(yè)的快速發(fā)展，混凝土結(jié)構(gòu)逐漸成為建筑施工中的主要形式，其對鋼筋直徑、鋼筋間距等各方面都提出較高的要求，需做好中小直徑芯樣取樣工作。然而從現(xiàn)行大多混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀看，在混凝土取芯鑒別方面，仍受尺寸效應(yīng)所影響，以不同尺寸混凝土為例，將其加工為不同高徑比芯樣，可發(fā)現(xiàn)在直徑變化時抗壓強(qiáng)度也發(fā)生明顯的變化。文章主要通過相應(yīng)的試驗(yàn)，探析尺寸效應(yīng)對混凝土芯樣產(chǎn)生的影響。

關(guān)鍵詞：混凝土芯樣；尺寸效應(yīng)；抗壓強(qiáng)度；影響

現(xiàn)行對混凝土強(qiáng)度測量中，我國多以鉆芯法檢驗(yàn)形式為主，其精度較高且直觀性較強(qiáng)。從相關(guān)技術(shù)規(guī)范中便可發(fā)現(xiàn)，在標(biāo)準(zhǔn)芯樣選取方面，主要以1：1高徑比、100mm直徑的混凝土圓柱體為主。需注意的是這種芯樣形式在實(shí)際應(yīng)用中多存在構(gòu)件尺寸過小、鋼筋間距過小等問題，使芯樣的應(yīng)用多以小直徑為主，這種尺寸芯樣對混凝土抗壓強(qiáng)度影響極為明顯。因此，文章通過尺寸效應(yīng)對混凝土芯樣的影響分析，具有十分重要的意義。

1 混凝土芯樣的尺寸效應(yīng)概述

1.1 尺寸效應(yīng)形成的原因

關(guān)于混凝土，其本身作為多相非均勻材料，形成尺寸效應(yīng)的因素也包含極多，綜合近年來國內(nèi)外學(xué)者研究表明，混凝土尺寸效應(yīng)的形成原因主要表現(xiàn)在：（1）Weibull提出尺寸效應(yīng)因材料強(qiáng)度分布處于隨機(jī)狀態(tài)而產(chǎn)生；（2）Sabnis提出混凝土干燥程度與凝固速度受不同試件尺寸所影響、澆筑材料質(zhì)量因不同的試模尺寸而影響；（3）Neville提出當(dāng)混凝土骨料與密實(shí)度因模板尺寸存在偏差而受到影響時，尺寸效應(yīng)便由此產(chǎn)生；（4）Bazant提出尺寸效應(yīng)產(chǎn)生的根源在于材料強(qiáng)度具有隨機(jī)性特征、水熱化反應(yīng)以及擴(kuò)散現(xiàn)象等。國內(nèi)在分析混凝土尺寸效應(yīng)過程中，大多也通過統(tǒng)計尺寸效應(yīng)理論或其他有限元模擬計算等方式。

1.2 混凝土芯樣尺寸效應(yīng)機(jī)理

現(xiàn)行對于非標(biāo)準(zhǔn)芯樣抗壓分析，大多研究多從三方面著手，即：第一，從芯樣抗壓強(qiáng)度影響因素方面著手，其在研究芯樣尺寸效應(yīng)的同時，強(qiáng)調(diào)抗壓強(qiáng)度受其他如混凝土齡期、粒徑以及干濕狀態(tài)影響。第二，在混凝土芯樣取值方面，不同行業(yè)給出不同的規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)，如建筑領(lǐng)域、港口工程以及冶金行業(yè)中的芯樣取值等。第三，在非標(biāo)準(zhǔn)芯樣討論中，側(cè)重于測定其基本抗壓強(qiáng)度，并分析抗壓強(qiáng)度區(qū)間。從混凝土芯樣尺寸效應(yīng)機(jī)理看，可具體細(xì)化為兩方面，其一為在判斷材料強(qiáng)度受試件端部約束力影響中，在試件邊長、高度增大的條件下，這種約束力影響程度會隨之減弱，可理解為材料強(qiáng)度在試件尺寸增大的情況下逐漸減弱。另一方面則表現(xiàn)為固體材料體積減小時，其內(nèi)部缺陷也會隨之減小，可見體積的減小會提升混凝土抗壓強(qiáng)度。事實(shí)上，對于芯樣抗壓強(qiáng)度的影響，通?？衫眯緲又睆脚c粗骨料粒徑進(jìn)行對比，其中的粗骨料除受顆粒大小影響外，很大程度也取決于其切割位置。除此之外，影響芯樣抗壓強(qiáng)度的因素也表現(xiàn)在芯樣干濕度、端部平整度、高徑比以及尺寸等方面。

2 尺寸效應(yīng)對混凝土芯樣強(qiáng)度影響試驗(yàn)

文章在研究混凝土芯樣強(qiáng)度受尺寸效應(yīng)影響時，涉及的材料主要以水泥、砂、粉煤灰、石以及卵石為主。其中的水泥主要以42.5強(qiáng)度等級的硅酸鹽水泥為主，其平均抗壓強(qiáng)度在3天、28天時分別可達(dá)到25.8MPa、54.5MPa；而所選擇粉煤灰與砂分別為I級粉煤灰以及2.7細(xì)度模數(shù)的中砂為主；其他材料如石、卵石等都以連續(xù)級配為主。另外，在芯樣制取方面，文章試驗(yàn)過程中主要選擇3000mm長、800mm寬以及250mm高的澆筑混凝土板為主，其將150×150×150試塊進(jìn)行預(yù)留，并將骨料粒徑控制在10mm、16mm以及20mm方面。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行不同規(guī)格芯樣的鉆取，可選擇φ32、φ49、φ67、φ100為規(guī)格，在此基礎(chǔ)上對不同直徑的混凝土板進(jìn)行不同高徑比的加工，主要以0.5、0.8、1.0、1.2、1.5等為高徑比。此時可得出相關(guān)的試驗(yàn)因素，如67mm直徑的試件，其以1.2為高徑比，且在最大粒徑上為5-16mm，此時可測出試件強(qiáng)度等級為C30。

3 混凝土芯樣強(qiáng)度受尺寸效應(yīng)影響結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果討論

根據(jù)整個試驗(yàn)結(jié)果能夠發(fā)現(xiàn)，由于小直徑芯樣，其在試驗(yàn)中所獲取的抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)本身帶有明顯的離散性特征，所以考慮引入平均值法，并配合拉依達(dá)原則使所有可疑數(shù)據(jù)被剔除，以此得到相關(guān)的試驗(yàn)結(jié)果。如φ100規(guī)格芯樣，以0.5為高徑比，在抗壓強(qiáng)度測量中，不同板號強(qiáng)度分別為45.86MPa、46.40MPa、43.84MPa，而同樣規(guī)格芯樣與板號，選取0.8高徑比，可得到的抗壓強(qiáng)度為26.50MPa、32.60MPa、26.50MPa；再以φ67規(guī)格芯樣為例，選取1.0作為高徑比，三個板號的強(qiáng)度分別為23.38MPa、27.00MPa、26.29MPa，同樣芯樣規(guī)格與板，選取1.2高徑比，可得到的抗壓強(qiáng)度為21.32MPa、24.60MPa、21.12MPa。同理，可使其他規(guī)格下的抗壓強(qiáng)度被測量。

另外，實(shí)際進(jìn)行芯樣抗壓強(qiáng)度測定中，也可根據(jù)不同直徑芯樣，對高徑比變化下芯樣抗壓強(qiáng)度受到的影響進(jìn)行折線圖繪制，能夠發(fā)現(xiàn)高徑比減小過程中，芯樣抗壓強(qiáng)度會隨之增大，說明混凝土尺寸效應(yīng)在芯樣高徑比極小的情況下將較為顯著，即使芯樣級配不同、強(qiáng)度等級不同，其都會保持同樣的變化趨勢。

3.2 混凝土芯樣抗壓強(qiáng)度系數(shù)分析與數(shù)據(jù)回歸

為進(jìn)一步驗(yàn)證混凝土抗壓強(qiáng)度受尺寸效應(yīng)的影響，可對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行系數(shù)換算，能夠得到在高徑比為1.5、1.2、1.0、0.8、0.5情況下各規(guī)格混凝土的抗壓強(qiáng)度系數(shù)，其中在高徑比為0.5與0.8時，若直徑較小，換算系數(shù)極大。而在1.2與1.5高徑比條件下，直徑減小時，換算系數(shù)將表現(xiàn)出先增大后變小的趨勢。另外，根據(jù)所測得的試驗(yàn)結(jié)果與換算系數(shù)，可采取數(shù)據(jù)回歸形式，通過構(gòu)建相應(yīng)的回歸方程，能夠得出利用比較小直徑芯樣高徑比的形式，可使混凝土抗壓強(qiáng)度被準(zhǔn)確測量出來。同時，根據(jù)構(gòu)建的回歸方程，能夠分析到芯樣強(qiáng)度受高徑比的影響最為明顯，以f、f非標(biāo)分別表示為標(biāo)準(zhǔn)與非標(biāo)準(zhǔn)芯樣的抗壓強(qiáng)度，且選取D與H作為芯樣直徑與高度，能夠推出f=（0.691+0.187+0.065）f非標(biāo)。從該回歸方程便可證明上述推理的正確性，即影響芯樣強(qiáng)度的主要以高徑比為主。

4 結(jié)語

尺寸效應(yīng)是影響混凝土芯樣的主要因素。通過文中試驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)，混凝土芯樣在抗壓強(qiáng)度上，很大程度受高徑比所影響，如超出1高徑比情況下，直徑減小時芯樣強(qiáng)度會表現(xiàn)出先減后增趨勢，而在高徑比為1以內(nèi)時，直徑減小時芯樣抗壓強(qiáng)度會隨之提升。另外，在進(jìn)行系數(shù)換算與方程回歸中，也可驗(yàn)證混凝土芯樣強(qiáng)度受強(qiáng)度的影響。

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