尺寸效應(yīng)對(duì)混凝土受壓力學(xué)性能影響試驗(yàn)研究

葉 生

(安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 土木工程系,安徽 合肥 230051)

混凝土尺寸效應(yīng)是指混凝土力學(xué)性能隨著混凝土構(gòu)件尺寸的變化而發(fā)生變化，對(duì)于其尺寸效應(yīng)的研究，有助于理解從模型試驗(yàn)和實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的異同點(diǎn)，尺寸效應(yīng)的研究對(duì)于復(fù)雜混凝土結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用發(fā)展具有重要意義[1-3]。

對(duì)于混凝土尺寸效應(yīng)的研究，目前研究主要從混凝土單軸受壓、單軸受拉和受剪加載方式角度進(jìn)行研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，混凝土的強(qiáng)度隨著尺寸的提高而逐步降低，并運(yùn)用多種理論討論該作用機(jī)理，然而對(duì)于目前的試驗(yàn)研究一般從單一的強(qiáng)度值角度進(jìn)行分析[4-6]。對(duì)于多種強(qiáng)度等級(jí)混凝土尺寸效應(yīng)的影響從定性的角度分析，較少文獻(xiàn)從定量的角度研究不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土尺寸效應(yīng)對(duì)受壓力學(xué)性能的影響[7]。對(duì)于從定性和定量角度分析多種強(qiáng)度等級(jí)混凝土受壓力學(xué)性能受尺寸效應(yīng)的影響對(duì)混凝土的研究應(yīng)用具有重要工程價(jià)值。

本文設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)、邊長(zhǎng)尺寸均不同的立方體混凝土試塊，采用液壓機(jī)對(duì)混凝土試件進(jìn)行單軸受壓試驗(yàn)研究，從而確定不同加載工況時(shí)的混凝土抗壓強(qiáng)度特征值和破壞形態(tài)，同時(shí)從尺寸效應(yīng)度、尺寸效應(yīng)律以及機(jī)理探討角度分析尺寸效應(yīng)對(duì)普通混凝土受壓力學(xué)性能的作用影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 配合比設(shè)計(jì)

本文考慮C30、C40和C50強(qiáng)度等級(jí)不同的混凝土，參考(JGJ55—2011) 《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》確定如表1所示混凝土配合比。原材料中采用相同來(lái)源的城市自來(lái)水和代號(hào)為P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)為2.4的河砂，粗骨料為粒徑范圍為5～20 mm碎石。

表1混凝土配合比設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表
Table1Data sheet for concrete mix design (kg/m3)

混凝土強(qiáng)度等級(jí)水水泥河砂新料碎石C301764265241 287C401764375211 280C502064875611 196

1.2 試件設(shè)計(jì)和加載方案

對(duì)混凝土受壓尺寸效應(yīng)的研究，需要考慮不同的尺寸試件，本文設(shè)計(jì)立方體試件的尺寸分別為70 mm×70 mm×70 mm、100 mm×100 mm×100 mm和150 mm×150 mm×150 mm，采用液壓機(jī)對(duì)不同加載工況混凝土進(jìn)行單軸受壓試驗(yàn)，液壓機(jī)中裝有如圖1所示、滿(mǎn)足精度要求的荷載傳感器。

圖1 加載試驗(yàn)設(shè)備Fig.1 Loading Test Equipment

加載混凝土試塊對(duì)混凝土加載面應(yīng)用機(jī)械黃油對(duì)其進(jìn)行減摩處理，避免摩擦作用影響試驗(yàn)結(jié)果。加載采用荷載和位移混合控制加載方式，首先采用荷載控制加載方式，對(duì)試件進(jìn)行加載卸載重復(fù)3次，從0加載至30 kN再到0，通過(guò)該種方式處理混凝土加載面與試件的間隙。正式加載設(shè)置的加載速率為0.5 mm每分鐘，通過(guò)位移控制加載方式，直到試件破壞停止加載，采集獲取荷載特征值，考慮混凝土材料的隨機(jī)性和離散性，相同加載工程設(shè)計(jì)3個(gè)試件進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，取荷載的平均值來(lái)進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)分析

2.1 破壞模式

通過(guò)對(duì)3種不同強(qiáng)度等級(jí)和3種不同立方體尺寸混凝土試件受壓尺寸效應(yīng)試驗(yàn)研究，得到不同加載工況混凝土破壞形態(tài)，考慮文章篇幅，選取C40混凝土3種不同尺寸單軸受壓破壞形態(tài)進(jìn)行研究，如圖2所示。

圖2 不同立方體尺寸混凝土受壓破壞形態(tài)Fig.2 Failure modes of concrete with different cube sizes under compression

混凝土單軸受壓破壞機(jī)理在于，隨著軸向荷載的逐步增大，在軸向形成壓應(yīng)變，同時(shí)，受泊松比效應(yīng)的影響，在垂直于壓應(yīng)力方向上形成拉應(yīng)變；隨著軸向壓應(yīng)力逐步提高，則與壓應(yīng)力方向相垂直的拉應(yīng)變也隨之提高，如果試驗(yàn)時(shí)混凝土拉應(yīng)變高于極限拉應(yīng)變值后，試件在非加載面方向形成均勻的裂縫帶，3種不同尺寸混凝土均表現(xiàn)出該破壞形態(tài)，存在不同的是受尺寸效應(yīng)影響，隨著試件尺寸的增大，試件破壞裂縫表現(xiàn)得越不明顯，整體性相對(duì)越好。3種不同強(qiáng)度等級(jí)普通混凝土受壓破壞形態(tài)受尺寸效應(yīng)影響均表現(xiàn)出該變化規(guī)律。

2.2 抗壓強(qiáng)度

根據(jù)上述試驗(yàn)加載方案，得到3種不同強(qiáng)度等級(jí)C30、C40和C50和3種不同立方體尺寸的普通混凝土受壓荷載和抗壓強(qiáng)度特征值，如表2所示。

表2不同加載工況混凝土受壓荷載強(qiáng)度特征值

Table2Characteristic values of compressive loadstrength of concrete under different loading conditions

混凝土強(qiáng)度等級(jí)立方體/(mm×mm×mm)受壓荷載/kN抗壓強(qiáng)度/MPaC3070×70×70100×100×100150×150×150157.54301.09630.2432.1530.1128.01C4070×70×70100×100×100150×150×150213.54402.49848.4943.5840.2537.71C5070×70×70100×100×100150×150×150260.97486.551026.3153.2648.6645.61

根據(jù)表2所示分析，三種不同強(qiáng)度等級(jí)普通混凝土均表現(xiàn)出明顯的尺寸效應(yīng)，相同強(qiáng)度等級(jí)混凝土，隨著邊長(zhǎng)尺寸的提高，混凝土抗壓強(qiáng)度發(fā)生明顯降低的趨勢(shì)，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)較高時(shí)，受尺寸效應(yīng)影響，其抗壓強(qiáng)度降低幅值也隨之提高，為進(jìn)一步探究尺寸效應(yīng)對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度特征值的影響，本文將從尺寸效應(yīng)度和尺寸效應(yīng)律兩個(gè)角度進(jìn)行定性和定量分析。

2.3 尺寸效應(yīng)

2.3.1 尺寸效應(yīng)度

為進(jìn)一步探究尺寸效應(yīng)對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度特征值的影響，本文引入尺寸效應(yīng)度γ，即以最小尺寸70 mm×70 mm×70 mm混凝土試件抗壓強(qiáng)度特征值作為參照值，以其他兩種尺寸100 mm×100 mm×100 mm和150 mm×150 mm×150 mm混凝土試件抗壓強(qiáng)度特征值作為分析值進(jìn)行研究，即如公式(1)～(2)所示。根據(jù)表2混凝土抗壓強(qiáng)度特征值，可得到如表3所示不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)度。

(1)

(2)

式中，γ100、γ150分別為立方體尺寸為100 mm×100 mm×100 mm和150 mm×150 mm×150 mm混凝土試件的尺寸效應(yīng)度，fcu,70、fcu,100和fcu,150混凝土立方體抗壓強(qiáng)度，MPa。

表3不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)度

Table3Size effect of cubic compressive strength ofconcrete with different strength grades

工況C30C40C50γ100/%6.357.648.65γ150/%12.8813.4714.36

由表2和表3分析，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30時(shí)，其抗壓強(qiáng)度從100 mm×100 mm×100 mm立方體尺寸的32.15 MPa降低至150 mm×150 mm×150 mm立方體尺寸的28.01 MPa，降低幅值為4.14 MPa，尺寸效應(yīng)度為12.88%；當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40時(shí)，立方體抗壓強(qiáng)度從43.58降低至37.71，降低幅值為5.87 MPa，尺寸效應(yīng)度為13.47%；當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50時(shí)，立方體抗壓強(qiáng)度從53.26降低至45.61，降低幅值為7.65 MPa，尺寸效應(yīng)度為14.36%；由此可知，隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，混凝土抗壓強(qiáng)度降低幅值逐步提高，受尺寸效應(yīng)影響到額尺寸效應(yīng)度也隨之提高。

2.3.2 尺寸效應(yīng)律

在尺寸效應(yīng)的定量研究過(guò)程中，Bazant[8]根據(jù)相關(guān)理論提出了相應(yīng)的尺寸效應(yīng)律方程，通過(guò)本文不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土試件具體的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，表明立方體邊長(zhǎng)的尺寸差異對(duì)影響普通混凝土的抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)度較小，故本文基于Bazant所提出的相關(guān)方程，提出了如公式(3)所示3種強(qiáng)度等級(jí)混凝土試件關(guān)于尺寸效應(yīng)律的通用方程。

(3)

式中，σ為不同尺寸混凝土抗壓強(qiáng)度值，單位:MPa；σ為70 mm×70 mm×70 mm尺寸混凝土抗壓強(qiáng)度值，單位:MPa；D為混凝土立方體邊長(zhǎng)，單位:mm；a和b為待定系數(shù)。

根據(jù)表2和公式(3)，應(yīng)用數(shù)學(xué)軟件進(jìn)行數(shù)學(xué)回歸分析，基于尺寸效應(yīng)律研究不同強(qiáng)度等級(jí)普通混凝土受尺寸效應(yīng)影響變化關(guān)系，如圖3和公式(4)所示。

R2=0.987 19

(4)

根據(jù)圖2和公式(4)分析，3種不同強(qiáng)度等級(jí)普通混凝土抗壓強(qiáng)度受尺寸效應(yīng)具有明顯的影響，應(yīng)用尺寸效應(yīng)律通用方程來(lái)驗(yàn)證混凝土抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)具有良好的適用性。

3 機(jī)理探討

混凝土屬于多相復(fù)合型材料，其主要構(gòu)成成分有水泥、水、細(xì)骨料和粗骨料部分，也可以將其簡(jiǎn)化為砂漿和粗骨料兩個(gè)部分，由于其組成特性原因，混凝土中砂漿和粗骨料之間的膠結(jié)面屬于最為薄弱的環(huán)節(jié)，由于該薄弱環(huán)節(jié)部分存在一定的隨機(jī)性和離散性，最終導(dǎo)致混凝土材料的基本特性，由此可將不同尺寸的混凝土立方體簡(jiǎn)化為如圖4所示模型。

圖3 混凝土尺寸效應(yīng)對(duì)抗壓強(qiáng)度影響Fig.3 Effect of concrete size on compressive strength

圖4 不同尺寸混凝土立方體模型Fig.4 Concrete cube models of different sizes

混凝土尺寸效應(yīng)的產(chǎn)生導(dǎo)致尺寸越大的試件，其抗壓強(qiáng)度越低。根據(jù)混凝土組成特性分析，混凝土強(qiáng)度的大小，主要是由混凝土中薄弱環(huán)節(jié)決定，即混凝土中低強(qiáng)度單元，隨著試件尺寸的增大，產(chǎn)生低強(qiáng)度單元的概率越高，隨著試件尺寸的減小，產(chǎn)生低強(qiáng)度單元的概率越低。根據(jù)圖3尺寸效應(yīng)模型分析，最終導(dǎo)致隨著混凝土尺寸的增大，混凝土抗壓強(qiáng)度逐步降低，抗壓強(qiáng)度受尺寸效應(yīng)具有明顯的影響。

4 結(jié)論

本文對(duì)3種不同強(qiáng)度等級(jí)和3種立方體尺寸混凝土進(jìn)行單軸受壓試驗(yàn)研究，對(duì)混凝土抗壓受力方式尺寸效應(yīng)研究，得到以下3點(diǎn)結(jié)論：

(1)混凝土破壞形態(tài)表現(xiàn)出明顯的尺寸效應(yīng)，隨著尺寸的提高，混凝土破壞后的整體性相對(duì)較好，非加載面裂縫較為不明顯；但不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土受尺寸效應(yīng)影響均表現(xiàn)出相同的破壞機(jī)理和破壞規(guī)律。

(2)相同強(qiáng)度等級(jí)混凝土的抗壓強(qiáng)度特征值隨著立方體尺寸的提高而逐步降低，尺寸效應(yīng)對(duì)于強(qiáng)度等級(jí)高的混凝土試件工況，其抗壓強(qiáng)度降低幅值將逐步提高，但抗壓強(qiáng)度降低百分率基本穩(wěn)定。

(3)基于尺寸效應(yīng)度和尺寸效應(yīng)律對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)進(jìn)行定量分析，同時(shí)基于尺寸效應(yīng)律提出普通混凝土抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)統(tǒng)一方程，所提出的方程具有良好的適用性。