高強混凝土強度和耐久性測定的尺寸效應

韓唯偉，劉數華

（武漢大學水資源與水電工程科學國家重點試驗室，湖北　武漢　430072）

高強混凝土強度和耐久性測定的尺寸效應

韓唯偉，劉數華

（武漢大學水資源與水電工程科學國家重點試驗室，湖北武漢430072）

高性能混凝土是當前國家重點推廣技術，其強度和耐久性具有尺寸效應現象。室內試驗和不同養(yǎng)護條件下，標準試件15cm 立方體和10cm 立方體抗壓強度之間具有較高的線性相關性，尺寸效應換算系數 fcu,15/fcu,10隨標準抗壓強度的增大呈減小趨勢。隨著尺寸的增大，試件的抗?jié)B性和抗凍性均大大降低。結構芯樣在尺寸效應上較試件小，但其存在更多的微裂紋和缺陷，使得抗?jié)B性和抗凍性急劇降低，不能用于評價混凝土結構的耐久性。

高強混凝土；試件；芯樣；強度；耐久性；尺寸效應

科學技術日新月異，混凝土技術的進步表現在其強度等級的不斷提高。20世紀80年代以來，世界范圍內對高強度等級混凝土的研究與配制盛行，且不斷走向實用工程。

早在1925年，Gonnerman 就注意到混凝土材料的強度存在尺寸效應現象，即材料的力學性能不再是一個常數，而是隨著材料幾何尺寸的變化而改變。具體說就是隨著混凝土試件尺寸增大，混凝土強度試驗值出現規(guī)律性的下降。對于普通混凝土（其強度等級常在 C60以內）的試件強度尺寸效應問題，目前已有章可循。GB/T50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》規(guī)定：標準試件為15cm 立方體，10cm 試件的尺寸換算系數為0.95，20cm 試件的尺寸換算系數為1.05。國內各類相關現行規(guī)范按照國際標準 ISO3893等相關標準也給出了相同的規(guī)定[1,2]。

國外 J.R. del Viso 等研究認為立方體試件的測試抗壓強度會隨著試件尺寸的增加（即邊長的增大）而減小，存在著明顯的尺寸效應，而對于高徑比為2的圓柱體試件，抗壓強度隨試件大小的變化很小，尺寸效應很小，如圖1所示。

在國內，清華大學、哈爾濱建筑大學、中國建筑科學研究院等單位[3,4]就高強度等級混凝土（其強度等級在 C60以上）試件強度的尺寸效應問題進行了大量試驗，經過科學的篩選和嚴密的數理統(tǒng)計繪制出圖2。同時，經數值回歸分析，建立15cm 立方體抗壓強度（fcu,15）與10cm 立方體抗壓強度（fcu,10）關系：

計算得出 fcu,15和 fcu,10的相關系數 R2為0.945，表明兩者高度相關。由此統(tǒng)計可知對高強度等級混凝土而言，fcu,15/ fcu,10=0.914，略小于普通混凝土的相應轉換系數0.95。由于高強混凝土通常具有較高的強度，而隨著強度的增大，脆性也會隨之增大。相關研究表明，脆性越小的材料，尺寸效應變化越??；反之則表現為強度越高，脆性的影響越顯著，因而高強混凝土強度尺寸效應比普通混凝土更加明顯。

圖1　高強度等級混凝土試件抗壓強度的尺寸效應

圖2　尺寸效應擬合曲線

高強度等級混凝土的廣泛應用還是近十來年的事情，且由于試驗條件的限制（目前國內壓力機最高噸位普遍為2000kN），使得高強混凝土的強度測試受到限制，因而高強度等級混凝土的尺寸效應仍缺少研究，成為高強度等級混凝土應用和推廣的障礙。在工程實踐中如果換算系數取值偏大，會導致結構工程可靠度降低；而取值偏小，則會造成資源的無效浪費。因此，需要找出10cm與15cm 立方體試件強度之間的轉換關系，即 fcu,15與 fcu,10之間的比值。本文針對強度 C60～C100范圍的高強度等級混凝土，通過大量試驗研究高強度等級混凝土試件尺寸效應和不同養(yǎng)護條件下高強度等級混凝土的力學性能、耐久性及其相關性能。

1　強度

室內制備 C60～C100高性能混凝土，試件尺寸為10cm和15cm 立方體，標準養(yǎng)護28d 后測試抗壓強度，將試驗結果繪制到 fcu,15—fcu,10坐標系中，得到圖3所示?？梢钥闯?5cm立方體抗壓強度（fcu,15）和10cm 立方體抗壓強度（fcu,10）兩者具有很高的相關性，從該圖中回歸兩者的相關關系式為：

圖4為尺寸轉換系數 fcu,15/fcu,10隨15cm 立方體標準試件抗壓強度 fcu,15的變化，從總體來看，fcu,15/fcu,10隨強度的增大而略有減小，但兩者之間的線性相關性較差，如式（3）所示：

圖3　高性能混凝土抗壓強度 fcu,10和 fcu,15的關系

圖5和圖6是高強度等級混凝土試件強度分別與標準差和離散系數的關系。從標準差來看，隨著試件強度水平的提高，標準差也隨之增大，兩者的相關關系回歸式為（4）。從離散系數來看，總體規(guī)律也是隨著試件強度的提高，離散系數略有增大趨勢，說明更難進行質量控制。而且，10cm 試件的離散系數總體要高于15cm 試件，說明大尺寸試件抗壓強度的穩(wěn)定性更高。

圖4　高性能混凝土抗壓強度 fcu,15與轉換系數 fcu,15/fcu,10的關系

圖5　標準差 σ 與高性能混凝土試件強度的關系

圖6　離散系數 Cv 與試件強度的關系

從調研和試驗結果來看，高強度等級混凝土試件強度的尺寸效應更顯著：fcu,15與 fcu,10的轉換系數以0.90～0.95為宜。對于試驗中的 C60～C100混凝土，由于所有材料、試驗環(huán)境和測試方法均相同，因而呈現出較好的規(guī)律：尺寸效應轉換系數 fcu,15/fcu,10隨基準尺寸試件抗壓強度的提高而略有減小，介于0.86～0.93之間。標準差和離散系數隨著試件強度的提高而略有增大，試件越大，離散系數越小，穩(wěn)定性越高。

為進一步研究不同養(yǎng)護條件高強度等級混凝土的力學性能，針對 C60、C70、C80、C90及 C100分別大批量成型10cm 和15cm 立方體試件，并在標準養(yǎng)護（標養(yǎng)）、同條件養(yǎng)護（同養(yǎng)）、覆蓋塑料膜養(yǎng)護（塑養(yǎng)）及覆蓋麻袋養(yǎng)護（麻養(yǎng)）等條件下，測試試件28d 抗壓強度，對比不同養(yǎng)護條件下高強度等級混凝土的力學性能，結果如表1所示?？梢钥闯?，對于10cm 和15cm 兩種立方體試件，在不同養(yǎng)護條件下28d 抗壓強度差別不大，差值比均控制在5% 以內。就大小次序而言，塑養(yǎng)最大，其次是麻養(yǎng)，同養(yǎng)與標養(yǎng)接近。

表1　C60～C100不同養(yǎng)護條件下的尺寸效應　MPa

2　耐久性

2.1抗?jié)B性

Mehta 于1994年提出混凝土劣化的整體性模型：當結構承載以及外界環(huán)境的破壞，例如冷熱循環(huán)、干濕循環(huán)，水泥砂漿與粗骨料間的過渡區(qū)原生的微細裂縫就會擴展，導致混凝土失去水密性，對混凝土劣化起決定影響的水和各種離子就很容易侵入。飽水的混凝土由于一種或幾種體積膨脹現象（如水結冰、鋼筋銹蝕與鈣礬石或堿硅凝膠生成），其孔溶液的靜水壓力上升。同時，由于水泥漿里的氫氧根離子溶蝕，被氯離子或硫酸根離子所取代，硅酸鈣水化物就會喪失膠凝性和強度，這兩種損傷過程都會使微裂縫擴展，導致水密性進一步喪失，加速了損傷。該模型依據實驗室與現場的經驗，認為混凝土的飽水程度對膨脹和開裂起主導作用，提高抗?jié)B性是改善結構耐久性的關鍵[5,6]。

表2　抗?jié)B性的尺寸效應

從表2試驗結果來看，試件尺寸變化使得其電量值和氯離子滲透深度均有所變化。隨著試件尺寸增大，電量值有增大的趨勢，而氯離子滲透深度有降低的趨勢。隨著試件尺寸增加，單位面積電量值比降低，但不同原材料和配合比其降低數值不同?？鄢孛娣e和厚度的直接影響后，中、小型試件電量值的尺寸效應不明顯，而大型試件電量值就具有明顯的尺寸效應，使得電量值降低20% 左右。中、小型試件的氯離子滲透深度接近，而大型試件的氯離子滲透深度較低，具有明顯的尺寸效應，氯離子滲透深度降低約30%。

為了研究養(yǎng)護溫度對混凝土抗?jié)B性影響，將澆筑后的混凝土放置在20℃、50℃、60℃、80℃的水池中養(yǎng)護至測定時間，試件抗壓強度測試齡期為28d，滲透性測試齡期為90d，試驗結果如表3所示：混凝土在50℃后強度就急速下降；水的滲透系數和 Cl-滲透系數 K 隨溫度的提高而增大，電阻隨養(yǎng)護溫度的提高而減小，說明隨著養(yǎng)護溫度的提高，混凝土的抗?jié)B性降低。

國外[5]曾測試野外成型混凝土及結構芯樣的抗?jié)B性，如圖7所示。從圖可知，相同混凝土配合比，野外養(yǎng)護的混凝土試件和從結構鉆取的芯樣的滲透系數和劈拉強度有較大差別：芯樣的滲透系數是試件的兩倍，遠高于試件，而芯樣劈拉強度則略低于試件。

圖7　野外混凝土及芯樣的滲透性和劈拉強度

2.2抗凍耐久性

三峽工程設計服役壽命為500年，為此須使用高耐久性的高性能混凝土，混凝土的設計抗凍等級為 F300。三峽公司實驗中心[7]進行了不同尺寸試件的抗凍性試驗，表3為部分試驗結果，由于質量損失較小，此表中只列出不同凍融循環(huán)次數后的相對動彈模。

從表3試驗結果來看，不管是棱柱體試件還是圓柱體試件，經過相同次數的凍融循環(huán)后，小試件的相對動彈模均高于大試件。由此可見，高性能混凝土的抗凍耐久性具有顯著的尺寸效應。混凝土試件的尺寸越大，在凍融循環(huán)這種溫度變化過程中，試件內外溫差較大，由此產生的拉應力更大，因而在抗凍試驗中更易遭受破壞。

表3　不同尺寸混凝土在多次凍融循環(huán)后的相對動彈模量　%

此外，國內兩個世人矚目的工程（三峽工程和青藏鐵路）[6]進行的室內成型試件與現場鉆取芯樣的快速凍融對比試驗，試驗人員發(fā)現：試件無一例外順利地通過300次以上的凍融循環(huán)，而芯樣僅經歷50次，甚至還不到25次循環(huán)就已經破壞，室內試件和現場芯樣測試存在很大的差異。產生顯著差異的主要原因最初認為是，振搗條件、振搗參數及其影響現場新拌與硬化混凝土的含氣量，但經過一番試驗比較后，發(fā)現差異并不大；隨后又進行了不同骨料粒徑、試件形狀和尺寸、養(yǎng)護條件，以及在室內成型大塊試件，然后再從中鉆取芯樣（以便暴露出骨料與漿體的界面）來進行對比試驗，但結果依然沒有反映出室內成型試件和現場鉆取芯樣之間的巨大反差。

混凝土具有高度非均質和動態(tài)的微結構，包含骨料、水泥漿基體和10～50μm 厚的界面過渡區(qū)。由于溫度變形和自身變形，在硬化早期形成內應力（拉應力）、損傷和微裂縫，使其微結構中的界面區(qū)進一步削弱。特別是如今的高強度等級混凝土，拌和過程加入的膠凝材料活性高、細度高、用量大，攪拌后出機口混凝土的初溫很高，這種混凝土即使?jié)沧⒊尚蛿嗝娉叽绮缓艽蟮臉嫾矔蚍艧崴俾士於竭_很高的溫峰，使隨后降溫的幅度明顯增大。而在升溫與降溫階段，即混凝土膨脹和收縮過程，其彈性模量存在巨大反差，再疊加上期間的自身收縮和水分蒸發(fā)引起的收縮，就使混凝土生成較大的拉應力。而且，現場混凝土澆注過程中的泌水、離析使其形成薄弱界面，混凝土在早齡期由于收縮變形受約束形成的彈性拉應力和損傷又將進一步削弱界面；而試件在室內成型時是攪拌完后立即澆注且澆注高度小，不大會出現那么薄弱的界面，且硬化過程出現的溫度變形和自身變形由于不受約束，也不會產生拉應力和損傷[7]。

同時，目前評估混凝土耐久性的方法，是針對室內成型沒有受過損傷的試件；按照自然界環(huán)境變化的速率去進行，獲得對不同原材料或配比的試驗結果則需很長時間。為了加快試驗進度，就要將試驗條件設置得比自然環(huán)境更嚴酷，例如快速凍融試驗方法中，要將試件置于四周充水的橡膠套里，在幾小時里就完成一個凍融循環(huán)，混凝土試件的溫度在8～-17℃大范圍反復變化。在如此嚴酷的環(huán)境里，已經存在損傷的芯樣很快飽水，并隨著凍融循環(huán)的繼續(xù)，損傷進一步加劇，所以破壞迅速；而室內成型的試件不僅沒受損傷，而且表面一層密實的漿體形成“第一道防線”，可以避免周圍的水分滲入，在經歷盡管十分嚴酷的凍融循環(huán)過程出現損傷的速率大為減慢。因此，試件和芯樣的抗凍試驗結果存在很大反差，現場鉆取的芯樣不能用于評估混凝土的抗凍性[8]。

3　結論

（1）高性能混凝土的尺寸轉換系數 fcu,15/fcu,10隨標準試件抗壓強度的增大而呈減小趨勢，主要集中在0.85～0.95范圍內，約為0.915，但有較大波動。因而，高強度等級混凝土抗壓強度宜采用標準試件通過試驗測定；使用非標準尺寸試件時，尺寸折算系數應由試驗確定。

（2）高強度等級混凝土的耐久性具有顯著尺寸效應，隨著試件尺寸的增大，抗?jié)B性和抗凍性均大大降低。養(yǎng)護環(huán)境對高強度等級混凝土的抗?jié)B性有較大影響，適宜的養(yǎng)護溫度和較長的濕養(yǎng)時間有利于提高混凝土的抗?jié)B性。

（3）混凝土芯樣可用于評價其強度，而不能評價耐久性。

[1] GBJ10—89．混凝土結構設計規(guī)范[S]．

[2] GB50204—292．混凝土結構工程施工及驗收規(guī)范[S]．

[3] 陳肇元，朱金銓，吳佩鋼．高強混凝土及其應用[M]．北京：清華大學出版社，1992．

[4] 冷發(fā)光．粉煤灰高性能混凝土試件強度尺寸效應研究[J] ．混凝土，2000(9)：18-19．

[5] Xiang Shu, Baoshan Huang, Hao Wu, Qiao Dong, Edwin G. Burdette. Performance comparison of laboratory and field produced pervious concrete mixtures [J]. Building and Environment.2011(25)：3187-3192.

[6] Lulu Basheer, JoergKropp, David J. Cleland. Assessment of the durability of concrete from its permeation properties: a review [J]. Construction and Building Materials2001(15)：93-103.

[7] Leopoldo Franco, Alberto Noli, Paolo De Girolamo, Martina Ercolani. Concrete strength and durability of prototype tetrapods and dolosse: results of field and laboratory tests [J] Coastal Engineering2000(40):207-219

[8] 覃維祖．混凝土耐久性評估：用試件還是用芯樣[J]．混凝土世界，2010.10：25-28．

［通訊地址］湖北省武漢市武漢大學工學部 水資源與水電工程科學國家重點實驗室（430072）

Size effect on the strength and durability of high strength concrete

Han Weiwei, Liu Shuhua
(Wuhan university, Water resources and hydropower engineering science and state key laboratory, HubeiWuhan430072)

High performance concrete is a national key promotional technique at present in China, but its strength and durability are affected by its size. There is a significant linear correlation between compressive strength of standard specimens of15cm3and10cm3under the condition of laboratory experiment anddifferent curing condition, and the conversion coefficient of size effect fcu,15/fcu,10decreases with the increase of standard compressive strength. Impermeability and frost-resistance of specimens decrease significantly when sizes of samples increase. Effect of size oncore samples is smaller than that on specimens, but there are more microcracksand defects in core samples which lead to the decrease of impermeability and frost-resistance of samples, so core samples cannot be used to evaluate the durability of concrete.

high strength concrete; specimen; core samples; strength, durability; size effect

韓唯偉（1990—），女，武漢大學水利水電學院在讀研究生，主要研究礦渣在不同膠凝體中的水化機制，特別是礦渣在超硫酸鹽水泥和堿激發(fā)礦渣水泥中的水化機制。