钢纤维体积率对C30混凝土立方体抗压强度尺寸效应的影响.pdf

第 3 6卷第 2期 华 北 水 利 水 电 大 学 学 报( 自 然 科 学 版) V o 1 3 6 N o 2 2 0 1 5年 4月 J o u r n a l o f No r t h Ch i n a Un i v e r s i t y o f Wa t e r Re s o u r c e s a n d E l e c t ri c P o w e r( Na t u r a l S c i e n c e E d i t i o n ) Ap r 2 0 1 5 DOI ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 25 6 3 4 2 01 5 0 2 0 0 3 钢 纤维体 积 率对 C 3 0混凝土立方体 抗压 强度尺寸效应 的影 响 解 伟 ，罗 维 ，李树 山 ，王惊涛 ( 华北水利水 电大 学 土 木与交通学院 ， 河南 郑州 4 5 0 0 4 5 ) 摘 要 ： 混凝 土作为一种准脆性材料 ， 其抗压强度存 在尺寸效应现象 为了研究钢纤 维体积率 对混凝土 强度尺 寸效 应 的影 响规律 ， 对 钢纤维体积率分别 为 0 0 0 ， 0 7 5 ， 1 5 0 ， 试件边 长分别为 1 0 0 ， 1 5 0 ， 2 0 0 m m的 2 7组 共计 8 1 块钢纤维混 凝土立方体试件进行 了立 方体 抗压强 度试验 在 B a z a n t 混 凝土 尺寸效应 律 的基 础上 ， 提 出了 C 3 0钢纤 维混凝土尺寸效应 计算公式 ， 明确 了钢纤维体积率对尺寸效应 的影响 ， 并根据 钢纤维混 凝 土立方 体抗压强度试验 的结果 进行验证 结果表明 ： 钢纤维混凝土立方体抗 压强度 的尺寸效应 会随着钢纤 维体积 率的增大而变得更加 明显 ， 本文建立 的钢纤 维混凝 土尺 寸效应计 算公 式能够 较好地 分析 和预测在 不 同钢 纤维体积率 以及不 同试 件尺寸下 的钢纤维混凝 土立方体的抗压强度 关键 词 ： 钢纤维 混凝土 ； 立方体抗压强度 ； 钢纤维体积率 ； 尺寸效应 中图分类号 ： T U 5 2 8 ； T V 3 3 9 文献标识码 ： A 文章 编号 ： 1 0 0 2 5 6 3 4 ( 2 0 1 5 ) 0 2 0 0 1 1 0 4 在 当代土 木 工程 中 ， 混 凝 土 结 构 物 的 尺 寸通 常 都 十分 庞 大 以现 有 的 试 验 条 件很 难 对 工 程结 构 物 进行足尺模型试验 ， 在实验室 内仅 能通 过小尺寸模 型 进行 试 验研 究 因此 ， 如 何利 用 小尺 寸模 型 的试验 结 果来 反 映实 际 工程构 件 的真 实力 学性 能 是 目前土 木 工程 领 域 的研究 热 点之 一 众 所 周知 ， 钢 纤维 混凝 土 作 为准脆 性 材料 ， 其 抗压 强度 存 在尺 寸效 应现 象 混 凝土 抗压 强 度 的尺寸 效应 主要 表 现 为随 着试 件尺 寸 的 变化 ， 混凝 土 试 件 的 抗 压 强 度 也会 随 之 发生 变 化 近 年来 ， 许 多学 者对 混凝 土 材料 强度 的尺寸 效应 开 展 了系 统 研 究 ， 取 得 了较 为 统 一 的 共 识 例 如 ， 我国 的 普 通混凝 土力 学性能试 验方法 标准 ( G B T 5 0 0 8 1 2 0 0 2 ) 中以边 长 1 5 0 m m 的立 方体 试 件 为标 准试 件 ， 同 时指 出混凝 土强 度 等级 C 6 0时 ， 用 非标 准试 块 测得 的强 度值 应乘 以相应 的 尺寸换 算 系 数 对 2 0 0 m m X 2 0 0 m m X 2 0 0 mm 的试 件 ， 换算 系 数 取 为 1 0 5； 对 1 0 0 i n n x 1 0 0 m m X 1 0 0 m m 的 试 件 ， 换算 系数 为 0 9 5 从 现 在 已有 的规 范 来 看 ， 我 国 在 制定 混凝 土规 范 时在一 定程 度上 已经考 虑 了试 件 尺 寸对 混凝 土强 度 的影 响 与对普通混凝土强度的尺寸效应的研究成果相 比 ， 对 钢纤维 混凝 土强 度 的尺 寸 效 应 的研 究 稍 显 不 足 钢纤维混凝土是通过掺入一定体积率 的钢纤维 来增 强 混凝 土 的力 学 性 能 ， 掺 入 的 钢纤 维 起 到 了微 小 配筋 的作用 近年来 ， 一 些学 者对 钢纤 维混 凝 土强 度 的尺 寸效应 开 展 了研 究 高丹 盈 等 对 钢 纤 维 高 强混凝土立方体试件进行抗压强度试验 ， 研究不同 类 型的 钢纤维 和 钢纤 维体 积率 对高 强混 凝土 立方 体 抗压性能的影响 ， 给 出了钢纤维高强混凝土立方体 试件 抗压 强度 的 尺寸 效 应 规 律 赵 顺 波 等 通 过 标 准试 件 和非标 准试 件 的受 力 性 能 试 验 ， 研 究 了钢 纤 维 的长度 和体 积 率 、 骨 料粒 径 、 混凝 土强 度等 级对 钢 纤维 混凝 土抗 压 强 度 的尺 寸 效 应 的影 响 规 律 ， 提 出 了相 应 的尺 寸换 算 系数 本 文 在 现有 研 究 成 果 的基 础上 ， 对不同钢纤维体积率 的 C 3 0钢纤维混凝土立 方体 试件 进行 抗 压 强度 试 验 ， 根 据 B a z a n t 提 出的 混 收 稿 日期 ： 2 0 1 5一O l一2 7 基金项 目： 国家 自然科学基 金重点项 目( U1 4 0 4 5 2 3 ) ； 河南 省科技攻 关项 目( 1 4 2 1 0 2 3 1 0 5 3 6 ) ； 水 利部 堤防安 全与病 害 防治 工程 技术研究 中心开 放课 题 ( 2 0 1 4 0 1 ) ； 郑 州市科技攻关项 目( 1 3 1 P P T G G 4 1 0 3 ) 作者简介 ： 解伟 ( 1 9 5 9 一 ) ， 男 ， 河南开封人 ， 教授 ， 博 导 ， 博士 ， 主要从事水工结构 和结 构工程方面的研究 1 2 华 北 水 利 水 电 大 学 学 报( 自 然 科 学 版 ) 2 O l 5年 4月 凝 土强 度 尺寸 效应 律 ， 得 到 了 钢纤 维体 积 率 对 C 3 0 混凝土 立 方体抗 压强 度尺 寸效应 的影 响规 律 1 试验概况 1 1 试 件 设计 为研究 在不 同钢 纤维体 积 率下钢 纤 维混凝 土立 方体抗 压 强度 的尺 寸 效应 规 律 ， 试 验 中钢 纤 维混 凝 土立方体试件的边长分别取为 1 0 0 ， 1 5 0， 2 0 0 m m； 钢 纤维 体积 率分 别 取为 0 0 0 ， 0 7 5 ， 1 5 0 ； 混凝 土强 度等 级 C 3 0， 龄 期 2 8 d 对 9种 规 格 的试 件 ， 每 种规 格制 作 3组 ， 每组 3块 ， 共 计 8 1块 1 2原材 料及 配合 比 试 验 采用 的水 泥 为 P0 4 2 5普 通 硅 酸 盐 水 泥 ； 其 水 泥胶 砂 2 8 d抗 压 强度 为 5 7 5 MP a ； 细 骨料 为河砂 ， 细度模 数 为 2 4 ； 粗 骨 料 为 碎 石 ， 碎 石级 配 为 52 0 mm连 续 级 配 ( 碎石 级 配 良好 ) ； 减 水 剂采 用 F D N型 高效减 水剂 ， 减 水 率 为 2 5 试 验 混 凝 土 配合 比见表 1 试验采用的钢纤维为铣削型钢纤维 ， 其平 均长 度 为 3 2 3 1 7 mm， 等效 直径 为 0 9 4 3 3 m m， 长径 比为 3 4 2 6 表 1混 凝 土 配 合 比 1 3试件 成型 与试 验加 载方 法 混凝 土 的各原 材 料 按 规定 的精 度称 量 后 ， 首 先 将碎 石 、 砂 和水 泥放 人 搅 拌 机 连 续 搅 拌 ； 1 m i n后 ， 将钢 纤维 均匀 撒入 搅 拌 机 继 续搅 拌 ； 再 将 配 置 好 的 减水剂水溶液加入搅拌机 ， 搅拌 2 m i n后出料 将拌 好的钢纤维混凝土装入试模后尽快将其放在振动台 上振 捣密 实 ， 振 捣 时 间为 0 5 m i n 试 件 成 型 2 4 h后 脱模 ， 拆模 后 立 即放 入 温 度 ( 2 02 ) 、 相 对 湿 度 9 5 的标 准养 护室 养护 2 8 d 试 件 承 压平 面 的平 面 度不 超过 0 0 0 0 5 d ( d为边 长 ) ， 相 邻 面 间 的夹 角 为 9 0 。 ， 公 差不 超过 0 5 。 ， 试 件 各边 长 的尺 寸公 差 不 超 过 1 m m 按照 钢纤维混凝 土试验方法 ( C E C S 1 3 ： 8 9 ) 的规 定 ， 试 验 中采用 2 0 0 0 k N的 压力 试验 机 ， 试 件 破坏 荷载 应力 大于 压力机 全量程 的 2 0 且 小于 压 力机全量程的 8 0 ， 加 载速 度为0 5 0 8 M P a s 2 混凝土立方体抗压试验结果 分析 2 1 钢 纤 维 体 积 率 对 混 凝 土 立 方 体 抗 压 强 度 的 影 响 图 1 给 出 了钢 纤 维体积 率对 混凝 土立 方体抗 压 强 度 的影 响 可 以看 出 ， 随着 钢 纤维体 积率 的不 断增 大 ， 钢纤 维 混凝 土立 方体 的抗压 强度 也 随之增 大 以 标 准试 件 ( 边 长 为 1 5 0 mm) 为 例 ， 钢 纤 维 体 积 率 为 0 7 5 时， 立方体抗压强度增加 了 6 ； 钢纤维体积 率 为 1 5 0 时 ， 立方 体抗 压强 度增 加 了 1 3 图 2给 出了钢纤维体积率对混凝土立方体抗压 强度 比( f o 。 ) 的影 响 其 中 为混 凝 土立 方 体抗 压 强度 为 钢 纤 维 体 积 率 为 0 0 0 的立 方 体 抗 压 强度 可 以看 出 ： 边 长 为 1 O 0 m m 的 立方 体 试 块 的 抗 压强度 比为 1 0 01 1 9 ； 边 长 为 1 5 0 m m 的立 方 体试 件 的抗压 强度 比为 1 0 01 1 3 ； 边 长 为2 0 0 mm 的立方体 试 件 的抗 压强 度 比为 1 0 01 1 0 45 日 4 0 曼 3 5 鳗 幽 彗3 0 繇 2 5 2 0 O 0 0 o 7 5 1 5 O 钢纤维体积率 图 1 立方体 抗压 强度与钢 纤维体积 率的关系 S 矮 幽 懋 赠 O - 8 O 0 O o 7 5 钢纤维体积率 e o 图 2立方体抗压强度比 ( ) 与钢纤维体积率的关 系 2 2试件 尺 寸对 混凝 土立方 体抗压 强 度的 影响 图 3给 出了试 件尺 寸对 钢纤维 混凝 土立方 体 抗 压强 度 的影 响 可 以看 出 ， 钢纤 维混凝 土立方 体抗 压 强度 具有 非 常明显 的尺 寸 效应 现 象 ， 即大 尺 寸 试 件 第 3 6卷第 2期 解伟 ， 等 ： 钢纤维体积率对 C 3 0混 凝土立方体抗压强度尺 寸效 应的影响 1 3 的抗 压强 度 明显 比小 尺寸 试 件 的抗压 强度 低 4 5 4 0 董 3 5 罾 萋3 0 赠 2 5 2 0 1 0 o 1 5 O 2 0 0 试件尺寸 mm 图 3 立方 体 抗 压 强 度 与 试 件 尺寸 的 关 系 图 4给 出 了试件 尺寸 对 混凝 土立 方体 抗 压强 度 比( 。 。) 的影 响 其 中 。 。 表示 边长 为 1 0 0 mm 的立 方 体试 件 的抗 压强 度 由 图 4可 知 ： 边 长 为 1 0 0 m m的混凝土立方体试件 的抗 压强度是边 长为 1 5 0 m m的混凝土立方体试件的抗压强度的 1 0 8倍 左右 ； 边 长 为 1 0 0 m m 的混 凝 土 立 方 体 试 件 的抗 压 强度 是 边长 为 2 0 0 mm 的混 凝 土 立 方体 试 件 的抗 压 强度 的 1 I 6倍 左 右 疆 赠 0 7 l o o 1 5 0 试件尺寸 mm 图 4 立方体 抗压 强度 比( ， c 。 。 ) 与试 件尺寸的关 系 为 了对混 凝 土立 方体 抗压 强度 的尺寸 效应 换算 系数 做定 量 描述 ， 以边 长 为 1 5 0 m m 的 混 凝 土 立 方 体试 件 为基 准 尺寸 试件 ， 边 长 为 1 0 0 mm 和 2 0 0 m m 的混凝土立方体试件 为非基准尺寸试件 非基准尺 寸试 件 的尺寸 效应 换算 系数 等 于基 准尺 寸立 方体 的 抗 压强 度 与非 基 准 尺 寸立 方 体 的抗 压 强 度 的 比值 具 体计 算公 式 如下 ： l 0 o = u ,1 5 0 1 0 0 1 0 0 ， ( 1 ) 2 0 0= u , 1 5 0 f o 2 0 0 X 1 0 0 ， ( 2 ) 式 中 ： 。 2 o 0 分别 表 示 边 长为 1 0 0 m m 和 2 0 0 mm 的混凝土立方体试件的抗压强度 的尺寸效应换算系 数 ； 。 。 。 ， 。 ， 分 别 表 示 边 长 为 1 0 0， 1 5 0， 2 0 0 mm的混凝土立方体试件 的抗压强度 由公式计 算所得结果绘制图 5 由图可知 ： 边长为 1 0 0 m m 的 混 凝 土立 方体抗 压 强度 的尺 寸效 应换 算 系数平 均 值 为 0 9 2 6 ； 边 长 为 2 0 0 m m 的钢 纤维 混凝 土立 方 体 抗 压 强度 的 尺寸效 应 换算 系数 的平 均值 为 1 0 7 0 籁 蜗 琳 趟 b 图 5 尺 寸 效 应 换 算 系数 与 钢 纤 维 体 积 率 的 关 系 2 3尺寸 效应 分析 汤 寄予 等 通过 大 量 的 试 验 ， 得 到 钢纤 维 混凝 土立方体的抗压强度统计公式为 - - L ( 1 + 入 ) ， ( 3 ) 式 中 ： 为 钢 纤 维 混 凝 土 立 方 体 试 件 的抗 压 强 度 ； 为 混凝 土基 体 的抗压 强 度 ； O l 为 本 次试 验 中钢纤 维 对混 凝 土基体 抗 压强度 的增强 系数 ， 经 统计 分析 ， 取值为 0 2 5 ； A 为纤维含量特征参数 ， 其值 为体积 率 P 与长 径 比 Z d 的乘 积 B a z a n t 尺寸效 应 理 论 认 为 ： 混 凝 土 材 料 为 准 脆 性 材料 ， 混凝 土试 件 在受 压 达到最 大 荷载 之前 ， 其 内 部 出现 了宏 观裂 缝 ， 这 些 宏 观 裂 缝 再 次 扩展 时耗 散 了应 变 能 ， 从 而产 生 尺寸效 应 现 象 B a z a n t 得 到 了在 任 意试 件尺 寸下 试件 的抗 压 强度 与试 件尺 寸 的关系 表 达式 为 N= ( 1+ Dh D) ， ( 4 ) 式 中 ： 为 任意 尺寸 试件 的名 义抗 压 强 度 ； o - 为尺 寸极 大 时 的名 义抗 压 强 度 ， 是 常 数 ， 其 值 由 试 验 确 定 ， 经统 计分 析此 次取 值 为 2 7 7 4； D 为结构 特 征尺 寸 ， 是 常 数 ， 其 值 由试 验确 定 ， 经 统计 分 析 此 次 取 值 为3 7 5 ； D为试 件 边 长 根 据 本 文试 验 结 果 ， 可 以得 到 C 3 0混凝 土立方体 的抗 压强度的尺寸效应律公 式 为 L = 2 7 7 4 ( 1+ 3 7 5 D) ( 5 ) 根据 公式 ( 3 ) 与公 式 ( 5 ) ， 可 以得 到 C 3 0钢纤 维 混凝 土立 方体 抗压 强度 的尺寸效 应 律公 式为 f , o = 2 7 7 4 ( 1+O A f ) ( 1+ 3 7 5 D) ( 6 ) 计 算 本次 试验 每种 规格 试件 的抗 压 强度 的变 异 系数 ， 最大值不超过 7 1 ， 表 明试验数据及结果切 实可靠 每种规格 的抗压强度 的实测数据 的平均值 与式 ( 6 ) 的预 测 值 对 比结 果见 表 2 经 计 算 ， 实 测 抗 华 北 水 利 水 电 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) 2 0 1 5年 4月 压 强度 与预测 抗 压强度 的 相关 系数 为 0 9 7 ， 表 明尺 寸 效应 律公 式计 算结 果 与 试 验 结 果 吻合 较 好 ， 该 公 式 能较 好地 预测 不 同试 件 尺寸下 的钢 纤维 混凝 土立 方 体 的抗压 强度 表 2试 验 结 果 与 预 测 结 果 对 比 3 结语 1 ) 混 凝 土 立 方 体 抗 压 强 度 的尺 寸 效 应 对 钢 纤 维混 凝 土抗压 强度 的影 响 比对普 通混凝 土抗 压 强度 的影响更加明显 ， 当钢纤维混凝土立方体试件采用 1 0 0 mm 1 0 0 mm1 0 0 mm 或 2 0 0 mm 2 0 0 mlT I 2 0 0 m m的非标准立方体试件测试抗压强度时， 可乘 以尺寸效 应换 算 系数 0 9 2或 1 0 8 ， 以 换 算 成 标 准 试件 的抗 压强 度 2 ) 在 B a z a n t 混 凝 土尺 寸效 应 律 基础 上 ， 提 出 了 C 3 0钢纤维混凝土 的尺寸效应计算公式， 明确 了钢 纤 维体 积率 对尺 寸 效 应 的影 响 该 公 式 能 够 较好 地 分析和预测不同钢纤维体积率和不同试件尺寸的钢 纤维混 凝 土立方 体 的抗压 强度 参 考 文 献 1 B a z a n t Z P S i z e e f f e c t J I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f S o l i d s a n d S t r u c t u r e s ， 2 0 0 0， 3 7( 4)： 6 98 0 2 苏捷 ， 方 志 普通混凝土与高 强混凝 土抗压强 度的 尺寸 效应 J 建筑材料学报 ， 2 0 1 3 ， 1 6 ( 6 ) ： 1 0 7 81 0 8 6 3 高丹盈 ， 赵 军 ， 汤寄予 钢纤 维高 强混凝 土劈 拉强 度尺 寸效应试验研 究 J 建筑 材料学 报 ， 2 0 0 4 ， 2 7 ( 3 ) ： 2 9 5 2 98 4 孙丽 ， 宋丽 莎， 邢通 ， 等 混杂 纤维混凝 土拌合 物工作性 能试 验研究 J 华北水利水 电学 院学报 ， 2 0 1 3 ， 3 4 ( 1 ) ： 4 6 49 5 宋丽莎 ， 孙丽 ， 曹晨 杰 ， 等 混 杂纤维混凝 土拌合 物工作 性能试 验研 究 J 华 北水 利 水 电学 院 学 报 ， 2 0 1 3 ， 3 4 ( 1 )： 2 42 6 6 赵军 ， 高丹 盈 ， 朱海 堂 钢纤 维高 强混凝 土抗 压性 能试 验研究 J 新型建筑材料 ， 2 0 0 5 ( 1 ) ： 2 42 7 7 赵顺 波 ， 钱 晓军 ， 杜 晖 钢 纤维 混凝 土基 本力 学性 能 的 尺寸效应研究 J 港工技术 ， 2 0 0 7 ( 6 ) ： 3 43 7 8 汤 寄予 纤维 高 强 混 凝 土 基 本力 学 性 能 的 试 验研 究 D 郑 州 ： 郑州大学 ， 2 0 0 3 9 大连理工大学 C E C S 3 8 ： 2 0 0 4钢纤 维混凝 土结 构技 术 规程 S 北京 ： 中国计划出版社 ， 2 0 0 4 I n fiue n c e s o f St e e 1 fibe r Vo l ume Fr ac t i o ns o n t h e S i z e Ef f e c t o f t he Co m pr e s s i v e S t r e n g t h o f C3 0 Con c r e t e Cub e s XI E W e i ，L UO We i ，LI S h u s h a n，W ANG J i n g t a o ( S c h o o l o f C i v i l a n d T r a f f i c En g i n e e r i n g ，No r t h C h i n a Un i v e r s i t y o f Wa t e r Re s o u r c e s a n d El e c t r i c P o we r ，Z h e n g z h o u 4 5 0 0 4 5，Ch i n a ) Abs t r ac t：Con c r e t e a s a qu a s i b r i t t l e ma t e r i a l ，i t s c o mp r e s s i v e s t r e n g t h e x i s t s a p h e no me n o n o f s i z e e ffe c t I n o r d e r t o r e s e a r c h t h e i n - flu e n e e r u l e s o f s t e e l fib e r v o l u m e f r a c t i on s o n t h e s i z e e ffe c t o f c o nc r e t e S c o mp r e s s i v e s t r e n g t h，we t e s t e d t he c o mpr e s s i v e s t r e n g t h f o r 27 g r o up s a n d a t o t a l o f 81 pi e c e s o f s t e e l fibe r r e i nf o r c e d c o n c r e t e c u b e s wh o s e v o l u me f r a c t i o ns r e s p e c t i v e l y we r e 0 00 ，0 7 5a nd 1 50 ，a n d s i d e l e ng t h s o f t e s t p i e c es r e s p e c t i v e l y we r e 1 00 mm ， 1 5 0 m m a n d 20 0 m m Ba s e d o n Ba z a n t s i z e e ffe c t r ul e s o f c o n c r e t e，we p r o p o s e d t he c a l c ul a t i n g f o r mul a s o f s i z e e f f e c t o f C3 0 s t e e l fib e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e，a nd d e f i n e d t h e i n flue n c e s o f s t e e l f i be r v o l u me f r a c t i on s o n t he s i z e e ffe c t ，t h e n we v e r i fie d t he s e b y t h e e x pe r i me nt a l r e s uh s o f t he c o mp r e s s i v e s t r e ng t h o f s t e e l fib e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e c u be s Th e r e s ul t s s ho w t ha t t he s i z e e ffe c t o f c o mpr e s s i v e s t r e ng t h o f s t e e l f i b e r r e i nf o r c e d c o n c r e t e c u be s be c o me s mo r e a n d mo r e o b v i o us wi t h t h e i nc r e a s e o f s t e e l fib e r vo l u me fra c t i o n，a nd t he c a l c ul a t i n g f o r mul a s o f s i z e e ffe c t o f s t e e l fib e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e c a n be t t e r a na l y z e a n d f o r e c a s t t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f s t e e l fib e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e c u be s wi t h di ffe r e n t s t e e l f i b e r v o l u me fra c - t i o n s a n d di f f e r e n t t e s t pi e c e S s i z e s Ke y wor d s：s t e e l fib e r r e i nf o r c e d c o n c r e t e；c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f c ub e；s t e e l f i b e r v o l ume f r a c t i o n；s i z e e ffe c t ( 责 任 编 辑 ：陈海 涛 )