超高性能混凝土強度尺寸效應研究綜述

摘 要：【目的】超高性能混凝土（UHPC）具有廣闊的應用前景，但目前在應用中還存在諸多問題。其中，尺寸效應對UHPC力學性能的影響是不可忽視的重要因素?！痉椒ā炕诒姸鄬W者開展的宏觀力學試驗研究闡述了UHPC尺寸效應的研究現(xiàn)狀?！窘Y果】總結了試件形狀、鋼纖維類型、纖維摻量和纖維形狀對UHPC強度尺寸效應力學性能方面的影響?！窘Y論】通過對現(xiàn)有的試驗結果進行總結分析，對UHPC強度尺寸效應未來的研究方向提出相關建議，以期為相關人員提供參考。

關鍵詞：超高性能混凝土；尺寸效應；鋼纖維；力學性能

中圖分類號：TU528" " " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2025）01-0060-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.01.011

Review on the Size Effect of Strength in UHPC

MENG Jiangfeng1 LI Yuanchun1 AN Jikang2 SHI Yingying1

（1.The 11th Water Resources and Hydropower Bureau of China，Zhengzhou 450001， China; 2.School of Civil Engineering and Communications， North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450045， China）

Abstract： [Purposes] Ultra-high performance concrete （UHPC） has broad application prospects， but there are still many problems in the current application， and among them， the influence of size effect on the mechanical properties of UHPC is an important factor that cannot be ignored. [Methods] Based on the macroscopic mechanical experimental research carried out by scholars， this paper expounds the research status of the size effect of UHPC. [Findings] This paper summarized" the influence of specimen shape， steel fiber type， fiber content， and fiber shape on the size effect mechanical properties of UHPC strength. [Conclusions] Through the summary and analysis of existing test results， the future research direction of the size effect of UHPC strength is prospected， in order to provide reference and reference for relevant personnel.

Keywords： UHPC; size effect; steel fibre; mechanical properties

收稿日期：2024-01-16

作者簡介：孟江鋒（1992—），男，碩士，助理工程師，研究方向：混凝土斷裂力學。

通信作者：李嫄春（1977—），男，本科，高級工程師，研究方向：混凝土結構工程。

0 引言

隨著城市化的發(fā)展，建筑結構形式日趨復雜，實際工程對混凝土的要求越來越高，為了滿足工程要求，目前大多數(shù)建筑選用高強度、耐久性好的超高性能混凝土（UHPC）。然而，UHPC本身存在的諸多問題也成為業(yè)界關注的焦點，由混凝土脆性而引發(fā)的尺寸效應就是其中之一［1］。UHPC作為一種水泥基材料，具有卓越的耐久性和高強度。尺寸效應是UHPC材料的固有特性，使得大尺寸UHPC實際結構性能和縮尺模型測試結果存在差異［2］。因此研究UHPC的力學性能時需考慮尺寸對其產生的影響［3］。近些年來，國內外針對UHPC的研究主要集中在配合比設計［4-6］、力學性能［7-10］、耐久性［11-14］和微觀結構［15-17］等幾方面，然而，關于UHPC尺寸效應的研究仍存在不足。目前，通過試驗研究UHPC基本力學性能的尺寸效應仍是最直接、最有效的方法。在這些試驗中，研究人員主要開展抗壓強度尺寸效應、抗拉強度尺寸效應及抗折強度尺寸效應研究。試驗時所采用試件類型如圖1所示。

本研究主要從UHPC強度試驗方面闡述超高性能混凝土尺寸效應的研究現(xiàn)狀，深入分析混凝土強度尺寸效應對力學性能的影響?；谇叭说脑囼炑芯砍晒麑HPC尺寸效應未來的研究方向進行展望，以便為UHPC尺寸效應的研究提供參考。

1 UHPC 抗壓強度尺寸效應

1.1 試件形狀對UHPC抗壓強度尺寸效應影響

試件形狀對尺寸效應的影響是必須考慮的因素之一，當前各國標準中抗壓強度的測試試件通常采用尺寸為100 mm的立方體、Φ70 mm×140 mm的圓柱體和Φ100 mm×200 mm的圓柱體。陳寶春等［19］研究了UHPC的形狀與抗壓強度尺寸效應的換算關系，結果表明，立方體的尺寸效應比圓柱體的尺寸效應更明顯，并建議將UHPC的標準試件（100 mm立方體）的抗壓強度提高到120～130 MPa，同時將70.7 mm立方體作為非標準試件。UHPC的形狀與尺寸效應轉換關系如圖2所示。杜任遠等［20］的研究結果表明，邊長100 mm與150 mm的立方體試件的抗壓強度比值約為1.10，因此推薦100 mm為標準試件，150 m的立方體試件作為非標準試件。趙康等［21］對最佳摻量為2%的UHPC抗壓強度尺寸效應進行了研究，試驗結果表明，當摻量為2%時，UHPC的抗壓強度具有明顯的尺寸效應，當以邊長100 mm的立方體為基準時，邊長為70.7、150 mm的立方體試件的抗壓強度換算系數(shù)分別為0.98、1.16。

1.2 鋼纖維對UHPC抗壓強度尺寸效應影響

與普通混凝土相比，UHPC的破壞過程更為復雜，因此其尺寸效應也受到原材料種類、配合比、鋼纖維種類和摻量等眾多因素的影響，其中，鋼纖維的影響至關重要。有研究表明［22-25］，鋼纖維體積摻量會對UHPC立方體抗壓強度及軸心抗壓強度尺寸效應產生影響，并發(fā)現(xiàn)增大鋼纖維摻量可有效減少UHPC抗壓強度的尺寸效應。羅晨熙等［24］認為采用端勾型鋼纖維可大幅降低UHPC的抗壓強度的尺寸效應。杜任遠等［20］研究表明，鋼纖維摻量為2%時UHPC達到抗壓強度達到最大值。同樣，An等［26］采用纖維摻量分別為0、1%、2%的UHPC的抗壓強度尺寸效應，結果表明，纖維摻量為2%時UHPC抗壓強度尺寸效應最明顯。趙康等［21］也對鋼纖維摻量為2%的UHPC抗壓強度尺寸效應進行了研究，得到了同樣的結論。徐魏巍等［27］從試件的形狀效應、尺寸效應和鋼纖維體積率等幾方面進行了試驗研究，發(fā)現(xiàn)當鋼纖維的體積率為2.0%時，其抗壓強度相較于體積率為1.0%時提升了1.5倍，當高徑比為1時，其抗壓強度相較于高徑比為4時提升了1.5倍，表明鋼纖維UHPC試件的形狀效應和尺寸效應現(xiàn)象更為顯著。

蘇捷等［2］研究了含有不同鋼纖維體積摻量的UHPC立方體抗壓強度及尺寸效應的變化規(guī)律，結果表明，降低鋼纖維體積摻量，可以有效減輕UHPC立方體抗壓強度的尺寸效應，這是因為邊壁效應的存在導致的［28］。樊榮［3］通過UHPC立方體抗壓尺寸效應試驗，發(fā)現(xiàn)UHPC立方體抗壓尺寸效應現(xiàn)象均隨鋼纖維體積摻量的增加而更加明顯。另外，加入長鋼纖維后，相較于摻入短鋼纖維的UHPC立方體試件抗壓強度尺寸效應有所降低。以上研究表明，試件形狀、纖維摻量、纖維類型都會對UHPC抗壓強度尺寸效應產生影響。

2 UHPC 劈裂抗拉強度尺寸效應

對于超高性能混凝土（UHPC），由于其抗壓強度高，對試驗設備要求也高，一般實驗室很難滿足要求，但是其抗拉強度較低，因此實驗室常采用劈裂抗拉試驗來評價混凝土的抗拉性能?？估瓘姸仁呛饬拷Y構開裂和發(fā)生脆性破壞的重要指標。因此對UHPC抗拉強度尺寸效應的研究也是十分必要的。目前，開展UHPC劈裂抗拉強度尺寸效應試驗的研究還較少。樊榮［3］將試件尺寸（70.7、100、150 mm）、鋼纖維體積摻量（0、1%、2%）和長度（7、13 mm）作為變量，對UHPC的劈裂抗拉強度的尺寸效應進行了試驗研究和理論分析，通過試驗發(fā)現(xiàn)，UHPC劈裂抗拉尺寸效應均隨鋼纖維體積摻量的增加而更加明顯。另外，加入長鋼纖維后，UHPC劈裂抗拉強度尺寸效應均比摻入短鋼纖維弱。于浩［29］以纖維體積摻量和齡期為變化參數(shù)，研究了高延性纖維混凝土的劈裂抗拉強度尺寸效應，試驗結果表明，纖維的加入能夠對高延性纖維混凝土劈裂抗拉強度尺寸效應有所緩解；當纖維的體積摻量不變時，隨著養(yǎng)護齡期的延長，其尺寸效應變得更加明顯。以上研究表明，UHPC劈裂抗拉強度尺寸效應受纖維摻量、纖維類型、試件齡期等多方面影響。

3 UHPC抗折強度尺寸效應

抗折強度是UHPC強度尺寸效應研究中必不可少的部分。錢覺時等［30］開展了超高強鋼纖維混凝土抗折強度尺寸效應試驗，結果表明，抗折強度存在明顯的尺寸效應，并且混凝土脆性對混凝土強度尺寸效應具有一定影響。Reineck等［31］研究了超高性能纖維混凝土的抗折強度尺寸效應，結果表明抗折強度受高寬比影響大。通過進行超高性能混凝土梁三點和四點彎曲試驗，Wille等［32］和Mahmud等［33］認為，由于UHPC具有較高的韌性，故其抗折強度尺寸效應可以忽略不計。然而，Yoo等［34］在研究纖維幾何形狀對UHPC彎曲性能的尺寸效應時發(fā)現(xiàn)，超高性能混凝土的彎拉強度存在尺寸效應，這是由于纖維數(shù)量的減少和纖維取向不良造成的。此外，含有短鋼纖維比含有長鋼纖維的UHPC表現(xiàn)出更大的彎曲性能尺寸效應。蘇捷等［35］則討論了不同強度等級、鋼纖維類型及摻量對UHPC彎曲強度的影響，研究表明，UHPC梁抗折強度尺寸效應隨著UHPC強度等級的提高和鋼纖維摻量的增加而更加顯著；摻入端勾型比平直型鋼纖維尺寸效應更為明顯。此外，蘇捷等［36］還分析了鋼纖維摻量，粗骨料含量及水膠比對UHPC彎拉強度及尺寸效應的影響。結果表明，隨著粗骨料含量的提高，UHPC抗折強度尺寸效應更加顯著，隨水膠比的提高而逐漸減弱。以上研究表明，UHPC抗折強度尺寸效應受到多種因素的影響，其中，纖維摻量、纖維類型、纖維形狀的影響至關重要。

4 結論與建議

基于國內外學者大量試驗研究，得出UHPC存在明顯的尺寸效應，由于UHPC的破壞過程較為復雜，因此其尺寸效應也受到眾多因素的影響，所以對UHPC尺寸效應的研究還存在諸多問題：①國內外針對UHPC劈裂抗拉強度尺寸效應的研究相對較少；②針對UHPC強度尺寸效應機理的研究尚未給出明確的解釋；③UHPC尺寸效應缺乏微觀方面的研究。因此建議可將UHPC尺寸效應與其微觀結構聯(lián)系起來，從該方面入手進行尺寸效應的解釋及機理分析。

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