普通混凝土劈裂抗拉尺寸效應(yīng)試驗研究

葉 生

（安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 安徽 合肥 230051）

0.引言

混凝土由于其獨特的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于建筑土木領(lǐng)域，同時其相關(guān)領(lǐng)域研究被國內(nèi)外學(xué)者大量研究，隨著社會發(fā)展，對于高聳與復(fù)雜的混凝土結(jié)構(gòu)需求逐步成為不容忽視的方面，對于該類型混凝土結(jié)構(gòu)一般需要進(jìn)行方案前期論證，一般采用縮比例模型或有限元模擬計算兩種方式，其中縮比例尺模型試驗研究更為符合實際工程研究要求，然而混凝土力學(xué)性能受尺寸效應(yīng)具有明顯影響，因此對混凝土尺寸效應(yīng)的研究具有重要意義[1-3]。

目前對于混凝土尺寸效應(yīng)的研究，Wittmann[4]從混凝土材料的微觀角度、細(xì)觀角度和宏觀角度三個層次方面進(jìn)行研究；李家康[5]對多種強度混凝土抗壓強度尺寸效應(yīng)進(jìn)行研究；冷發(fā)光[6]對C70 高強混凝土抗壓強度尺寸效應(yīng)進(jìn)行研究，結(jié)果表明高強混凝土受尺寸效應(yīng)影響更為明顯；錢覺時[7]對不同截面尺寸混凝土彎拉作用下的尺寸效應(yīng)進(jìn)行研究；章文綱[8]對鋼纖維混凝土剪切尺寸效應(yīng)進(jìn)行研究。混凝土具有抗壓能力強和抗拉能力較弱的特點，對于混凝土抗拉尺寸效應(yīng)的研究具有重要意義，然而對于混凝土抗拉強度尺寸效應(yīng)的研究尚不系統(tǒng)。因此有必要系統(tǒng)的對混凝土抗拉強度尺寸效應(yīng)進(jìn)行研究。

本文設(shè)計三種強度等級普通混凝土，考慮三種不同立方體尺寸，應(yīng)用液壓伺服機和劈裂抗拉裝置對混凝土劈裂抗拉加載方式尺寸效應(yīng)進(jìn)行研究，通過試驗得到不同加載工況混凝土破壞形態(tài)和劈裂抗拉強度特征值，從定性和定量角度分析尺寸效應(yīng)對混凝土劈裂抗拉加載方式下的力學(xué)性能影響。

1.試驗方案

1.1 試件設(shè)計

本文設(shè)計三種不同強度等級混凝土分別為C30、C40 和C50，根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ55-2011)確定不同強度等級普通混凝土配合比，其中原材料水泥采用普通硅酸鹽水泥P.O 42.5，細(xì)骨料采用細(xì)度模數(shù)為2.4，表觀密度2700kg/m3的天然河砂，粗骨料采用粒徑5～20mm 的天然碎石骨料，不同強度等級的混凝土配合比如表1所示。

表1 不同強度等級的混凝土配合比(單位：kg/m3)

根據(jù)上述配合比要求，配制三種不同強度等級混凝土拌合物，依次將上述原料倒入攪拌機中進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，待攪拌均勻后倒入試模中，放置在振動臺振動密實，24 小時后脫模，放置在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)28 天，隨后開始試驗。

1.2 加載方案

本文主要對普通混凝土劈拉荷載作用下的尺寸效應(yīng)研究，考慮三種不同強度等級和三種不同尺寸，混凝土采用立方體尺寸試件，三種立方體邊長尺寸分別為70mm、100mm 和150mm，應(yīng)用如圖1所示液壓伺服機和劈裂裝置進(jìn)行相關(guān)試驗，該設(shè)備裝備獨立的荷載傳感器，其測量精度要求能夠滿足試驗需求。

圖1 試驗加載裝置

試驗加載采用力和位移混合控制加載方式，首先將混凝土試塊放置在劈裂裝置上，應(yīng)用液壓伺服機對劈裂裝置進(jìn)行相應(yīng)加載，將荷載作用傳遞在混凝土試塊上，采用力控制加載方式，加載卸載循環(huán)三次(0～10KN)，消除試件和加載裝置之間的間隙。正式加載是采用位移控制的加載方式，其加載的速率為0.5mm/min，待試塊破壞后，隨后停止加載，記錄最大劈裂抗拉荷載值作為分析特征值，每種工況設(shè)計三個試件，取均值分析。

2.試驗結(jié)果分析

2.1 破壞形態(tài)

根據(jù)上述試驗加載方案可得到不同截面尺寸混凝土劈裂破壞形態(tài)，通過對混凝土劈裂抗拉破壞形態(tài)分析，可從宏觀角度分析尺寸效應(yīng)對混凝土劈裂抗拉加載方式下的力學(xué)性能影響，考慮文章篇幅，選取強度為C50 混凝土，尺寸為100mm×100mm×100mm 作為分析對象，如圖2所示。

圖2 混凝土劈裂破壞形態(tài)

混凝土在劈裂荷載作用下，在混凝土試件的劈裂方向形成一條筆直的裂縫，其破壞機理在于在劈裂荷載作用的垂直方向形成拉應(yīng)變，當(dāng)拉應(yīng)變達(dá)到混凝土極限拉應(yīng)變時，試件發(fā)生斷裂破壞形態(tài)，如圖2(a)所示。在試件側(cè)面形成較為曲折的斷裂線，如圖2(b)所示，這主要和混凝土特性有關(guān)，因為混凝土屬于多相復(fù)合型材料。對于不同強度等級和不同立方體尺寸普通混凝土試件均表現(xiàn)出如圖2所示破壞形態(tài)，說明混凝土尺寸效應(yīng)對劈裂抗拉破壞形態(tài)沒有影響。

2.2 強度特征值

根據(jù)上述試驗的方案，得到三種不同強度等級的普通混凝土分別為三種不同試件尺寸時，試件的劈裂抗拉荷載值，應(yīng)用《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB50081-2002)規(guī)定的相關(guān)計算公式，將劈裂抗拉荷載值轉(zhuǎn)化為劈裂抗拉強度，針對混凝土劈裂抗拉強度特征值進(jìn)行分析，如公式1所示。不同強度等級和尺寸混凝土劈裂抗拉特征值如表2所示。

式中，ft為混凝土劈裂抗強度，單位：MPa，F(xiàn) 為混凝土劈裂抗拉荷載最大值，單位：KN，A 為混凝土劈裂破壞截面面積，單位 ：mm2。

表2 不同強度等級和尺寸混凝土劈裂抗拉特征值

由上述試驗研究數(shù)據(jù)，得到不同強度等級混凝土尺寸效應(yīng)對強度特征值影響，如圖3所示。從定量的角度分析不同強度等級時，混凝土尺寸效應(yīng)對其劈裂抗拉強度和劈裂抗拉強度降低百分幅度的影響。

圖3 不同強度等級混凝土尺寸效應(yīng)對強度特征值影響

如圖3所示，隨著抗壓強度設(shè)計值的提高，混凝土劈裂抗拉強度也逐步提高。當(dāng)立方體尺寸由 70mm×70mm×70mm提高至150mm×150mm×150mm，強度C30 普通混凝土，其劈裂抗拉強度由2.35MPa 降低至1.69MPa，劈裂抗拉強度降低了28.09%；強度C40 普通混凝土，其劈裂抗拉強度由3.02MPa 降低至2.12MPa，劈裂抗拉強度降低了29.80%；強度C50 普通混凝土，其劈裂抗拉強度由4.21MPa 降低至3.08MPa，劈裂抗拉強度降低了26.84%。三種強度等級混凝土(C30、C40 和C50)受尺寸效應(yīng)影響劈裂抗拉強度分別降低了0.66MPa、0.90 MPa 和1.13 MPa。由此可知三種不同強度等級混凝土劈裂抗拉強度受尺寸效應(yīng)具有明顯影響，隨著尺寸的提高，混凝土劈裂抗拉強度逐步降低，三種混凝土劈裂抗拉強度降低幅度范圍基本相同；隨著混凝土強度等級的提高，劈裂抗拉強度降低值逐步提高，其中C50 混凝土劈裂抗拉強度降低幅值最高為1.13MPa。

2.3 尺寸效應(yīng)律

對于混凝土力學(xué)性能尺寸效應(yīng)的研究，Bazant[9]基于尺寸效應(yīng)律提出了相應(yīng)的定量研究方法，如公式(2)所示，相關(guān)文獻(xiàn)[10]對于混凝土抗壓強度尺寸效應(yīng)的研究多采用該表達(dá)形式。

式中：σN普通混凝土名義受壓強度值，σ∞普通混凝土試件尺寸無限大時受壓強度值，Db普通混凝土尺寸系數(shù)，D 普通混凝土試件相關(guān)尺寸數(shù)據(jù)，σ∞和Db尺寸效應(yīng)律方程系數(shù)。

根據(jù)公式(2)提出如公式(3)所示普通混凝土劈裂抗拉強度尺寸效應(yīng)律計算公式，應(yīng)用邊長尺寸為70mm 試件劈裂抗拉強度進(jìn)行無量綱化處理得到如公式(4)所示普通混凝土劈裂抗拉強度統(tǒng)一尺寸效應(yīng)律方程。

由于不同強度等級混凝土劈裂抗拉強度降低幅度受尺寸效應(yīng)影響變化幅度相類似，故不考慮混凝土強度等級，提出相應(yīng)的統(tǒng)一尺寸效應(yīng)律方程，應(yīng)用本文試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)學(xué)回歸分析，得到如圖4 和公式(5)統(tǒng)一尺寸效應(yīng)方程。

圖4 混凝土劈裂抗拉尺寸效應(yīng)律

根據(jù)圖4 和公式(5)所示，應(yīng)用尺寸效應(yīng)律提出不同強度等級普通混凝土劈裂抗拉強度尺寸效應(yīng)律計算方程能較好的描述尺寸效應(yīng)對混凝土劈裂抗拉力學(xué)性能的影響。

3.結(jié)論

根據(jù)三種不同強度等級和三種不同立方體尺寸混凝土劈裂抗拉破壞形態(tài)和強度值進(jìn)行對比分析，研究尺寸效應(yīng)對劈裂抗拉力學(xué)性能影響，主要得到以下結(jié)論：

(1)尺寸效應(yīng)對不同強度等級混凝土劈裂抗拉破壞形態(tài)沒有影響，不同強度等級和不同尺寸混凝土試件破壞形態(tài)基本相同，均發(fā)生劈斷破壞形態(tài)，其破壞機理也均相同。

(2)相同強度等級混凝土，隨著尺寸邊長的提高，混凝土劈裂抗拉強度逐步降低，尺寸效應(yīng)對混凝土劈裂抗拉強度具有明顯影響；強度等級較高混凝土，其劈裂抗拉強度受尺寸效應(yīng)影響強度變化幅值較高；尺寸效應(yīng)對不同強度等級混凝土劈裂抗拉強度降低百分率影響較小，基本可忽略。

(3)基于尺寸效應(yīng)律計算方程，提出了不同強度等級普通混凝土尺寸效應(yīng)律計算方程，所得到的方程能夠較好的定量描述尺寸效應(yīng)對混凝土劈裂抗拉強度的影響。