高强混凝土抗压强度尺寸效应综述.pdf

2 0 1 1年 第 5 期 (总 第2 5 9 期 ) Nu mb e r 5i n 2 0 1 1 ( T ot a lNo 2 5 9) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 T HE0R ETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 5 0 1 2 高强混凝土抗压强度尺寸效应综述 高志扬 ，许力 ，何林 。 ，刘数 华 ( 1 武汉 大学 水资源与水 电工程科学 国家重点实验室 ，湖北 武汉 4 3 0 0 7 2 ；2 辽宁蒲石 河抽水 蓄能有 限公 司，辽宁 丹东 1 1 8 2 1 6 3 四川二滩国际工程咨询有限责任公 司 ，四川 成都 6 1 0 0 7 2 ) 摘要 ： 尺寸效应是准脆性材料 的固有特征。 通过对 以往 1 1 0组的 HS C抗压强度试 验数据的统计 分析 ， 得 出以 1 5 c m立方体试件抗 压强 度为基准， 对于 1 0 c m立方体试件的尺寸换算系数为 0 9 1 ； 随着基准抗压强度的增大， 尺寸效应换算系数略有减小的趋势。 混凝土的脆性 越大 ， 其 尺寸效应越 明显 。 且分析 r造成 HS C尺寸效应更加明 显的原因 。 关键词 ： HS C；尺寸效应 ；抗压强度 ；机理分析 中图分类 号： T U5 2 8 0 1 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 5 0 0 3 3 0 3 Re vi e w on c ompr e s s i ve s t r eng t h si z e e ffe c t of h i g h s t r eng t h c on cr et e GAO Zhi - y a n g ， XU Li ， HE Lin ， L I U S hu h u a ( 1 S t a t e Ke y La bo r a t o r y o fWa t e r Re s o u r c e s a nd Hy d r o po we r En g i n e e r i n g S c i e n c e， Wu h a n Un i v e r s i t y， Wu h a n 4 3 0 07 2， Chi n a 2 Li a o ningPu s h i h ePu mp e d S t o r a g eCo mp a n yLt d ， Da n d o n g 1 1 8 21 6， China ； 3 S i c h u a n E r t a n I n t e r n a t i o n a l E n g i n e e r in g C o n s u l t i n g Co r p o r a t i o n ， L t d， C h e n g d u 6 1 0 0 7 2 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： S i z e e ff e c t s a r e t he e s s e n t i a l p r o p e r t y o fb r i t t l e ma t e r i a l s Ac c o r d i n g t O t he p a s t d a t a o f 1 1 0 g r o u ps O i l c o mp r e s s i v e s t r e n g t h， s o me s t a t i s t i c a l a n a l y s i s we r e ma de Th e r e s u l t s s h o w t h a t ： i ft h e 1 5 c m c u b e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h wa s t h e c o n t r o l s t r e n g t h， c o n v e r s i o n c o e ffi c i e n t s o f 1 0 c m c u b e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o fHSC we r e 0 91 Th e s i z e e ffe c t c o n v e r s i o n c o e ffi c i e n t t e n d s t o d e c r e a s e s l i g h t l y wi t h t h e i n c r e a s e o fc o n t r o l s t r e n gth， Th e l a r g e r b r i t t l e o f c o nc r e t e ， t h e m o r e o b v i o u s o f s i z e e f f e c t Th e c a u s e s a r e a l s o a n a l y z e d Key wor ds ： h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e ； s i z e e ffe c t ； c o mpr e s s i v e s t r e n g t h； me c h a n i s m 0 引言 具有重要的_ 程意义。 科学技术 日新月异 ， 混凝土技术的进步上则表现在其强度 等级的不断提高。 2 0世纪 8 0年代以来， 世界范围内对高强混凝 土 ( H i g h S t r e n g t h C o n c r e t e ， 简称 H S C) 的研究 与配制盛行 ， 且不 断走向实用工程 。 早在 1 9 2 5年 ， Go n n e r ma n 就注 意到混凝 土材 料 的强度 存 在尺寸效 应现象 ， 即材料 的力学性 能不再是一个 常数 ， 而是 随 着材料几何尺寸的变化而改变。 具体说就是随着混凝土试件尺 寸增大， 混凝土强度试验值出现规律性的下降。 对于普通混凝土 ( 其立方抗压强度常在 6 0 MP a以内) 强度的试件尺寸效应问题 ， 目前已有章可循。 G B T 5 0 0 8 1 2 0 0 2 普通混凝土力学性能试验 方法标准 规定 ： 标准试件为 1 5 c m立方体 ， 1 0 c m试件的尺寸 换算系数为 0 9 5 ， 2 0 C I I 1 试件的尺寸换算系数为 1 0 5 。 现行规范 按照 国际标 准 I S O 3 8 9 3等相关标准也给出了相 同的规定 2 - 3 。 但是， 高强高性能混凝土( 其立方抗压强度常在 6 0 MP a以 上 ) 的广泛应用还是近 十来年 的事情 ， 且 由于试验条件 的限制 ， 高强混凝土的尺寸效应的研究仍未得到很好的解决， 成为高强 混凝土应用和推广的障碍。 在工程实践中如果换算系数取值偏 大 ， 会导致机构工作可靠度降低 ； 而取值偏小 ， 则会 造成资源 的 无效浪费。 因此， 对高强混凝土立方抗压强度的尺寸效应的研究 收稿 日期 ：2 0 1 0 - 1 2 - 0 3 基金项 目：国家科技支撑计划课题 ( 2 0 0 8 B AE 6 1 舀 0 5 ) 1 高强混凝土抗压强度的尺寸效应 要弄清高强混凝土试件强度的尺寸效应问题， 需要大量进 行试验 ， 以获得足够的试验数据 。 经过科学 的筛选和严 密的数理 统计 ， 得 出较 为具有说服力的经验公式或者换算系数。 过去一段 时问内， 国内外研究者们做出了大量的工作 ， 主要体现见表 l 。 对表 1中试验数据进行统计分析 ， 。 。 的平均值为 0 9 1 4 ， 均方差 为 0 0 0 1 4 ， 离散系数为 O 0 4 1 。 这表 明所 选试 验数 据较为集 中， 满足数理统计要求。 建立 1 5 C l T I 立方体抗压强度 ，。 ) 与 1 0 c i n 立方体抗压强度( ， 。 ) 关系， 如图 1 所示。 对图 1 数据进行回归分析， 得出 1 5 C l T I 立方体抗压强度( ) 与 1 0 c m立方体抗压强度 ， ，。 ) 的相关关系为 ： 】0 =1 1 1 51 7 6 ( 1 ) 同时 ， 计算得出两者的相关系数为 0 9 4 ， 表明计算结果是 相当可靠 ， 两者高度相关。 由此统计可知对 HS C而言 ，。 ， O 9 1 ： 1 ， 显然略小于普通混凝土 的比例。由于 HS C通常具有较高 的强度 ， 而随着强度的增大， 脆性也会随之增大 5 。 类似研究表 明， 脆性越小的材料 ， 尺寸效应变化越小 ， 反之则表现为强度越 高脆性的影响越显著 ， 因而高强混凝土强度尺寸效应比普通混 凝土更加明显。 3 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 暑 34 ， M Pa 图 1 尺寸效应拟合曲线 暑 ； M P a 图 2 H S C强度与 | 1 0 比值的关系图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 由图 2分析可知 ， 对 于高强 混凝土而 言 ， 当 1 5 c m立方 体 抗压强度为 6 0 1 0 0 MP a时， 换算系数 ， 。 。 在( 0 8 ， 1 0 ) 区 问整体 略呈下降趋势 。 当前仍较缺乏混凝土强度大于 8 0 MP a的 试验数据 ， 特别是 1 0 0 MP a以上的相关资料 ， 但 随着混凝土结 构 应用领域的扩展 、 规模的增大 ， 结构工程 向总高更高 、 跨度更 大 、 荷载更大 的方 向发展 ， 因此对其性能要求也更 高。 高强化是 混凝土技术发展 的必由之路 ， 各 国对于高强混凝土的研究与应 用都相 当关注 ， 所 以确定 高强 ， 特别是 1 0 0 MP a以上高强混凝 土的换算 系数 以指导 以后 的工程应用至关重要 ， 就这一重要性 而言仍有大量_丁作要做 。 2 尺寸效应机理研 究 2 1 尺 寸效应 的 产生原 因 混凝土是一种 由粗 、 细骨料及硬化水 泥浆组成 的多相材料。 从微观上看， 混凝土是多相多孔的， 骨料中含有大量微裂隙和 微孑 L 洞 ， 是典型的非均匀材料。 对高强混凝土来讲 ， 由于其水灰 t ( w c) 较低 、 粗骨料粒径一般在 2 0mm 以下 ， 故其均 匀性 、 和 易性更为良好， 其破坏形态也更凸显出脆性提高这一事实。 在实 验室条件下 ， 由于试件几何相似且试验 条件稳定 ， 故边界条件 、 时问扩散、 水化热等原因的影响是基本上可以忽略的。 由以上 分析可知 ， 高强混凝土的尺寸效应与普通混凝土稍有不同， 抗 压强度随试块尺寸的增大而降低这一尺寸效应现象 ， 对高强混 凝土表现更为显著， 研究表明主要原因如下 一 s 】 ： 材料强度的 随机性引起 的尺寸效应 ， 即统计 尺寸效应 ； 由能量 释放引起 的尺寸效应 ， 即断裂力 学尺寸效应 ； 由裂 纹表 面的分形 特性 引起 的尺寸效应 。 这是 由于外部力场 引起 的裂纹是 不连续 的 、 随机的， 即材料在断裂前内部的微裂缝的演化过程中具有分形 特性 ， 从而引发尺寸效应 。 2 2尺寸效 应理论 分析 We i b u l l 统 计理论是基 于最弱键概念分析 和描述强度 尺 寸效应现象的。 该理论对由疲劳而变脆的金属结构特别合适， 但 由于混凝土的各向异性， 使得该该理论在应用于混凝土时尚需 修正。 能量释放引起的尺寸效应理论B a z a n t 尺寸效应律I I 7 。 该理论较为完善， 能很好的解释混凝土的尺寸效应规律 。 该理 论认 为 ： 混 凝土的尺寸效应 是在达到最 大荷载之前 ， 由于宏 观 裂纹 或包含有微裂纹 的大的断裂过 程区发生稳定 的增长 引起 的， 尤其是由宏观裂纹或微裂纹区的发展而产生的应力重分布 和贮存的能量释放引起的， 即尺寸效应是由宏观裂纹扩展时应 变能耗散引起的。微裂纹或断裂的分形特性引起的尺寸效应理 论C a 1 p i n t e r 多重分形尺寸效应律 。 由于混凝土 内部结构 的各向异性、 内部缺陷的随机和不连续分布， 使得混凝土内部 不同点的应力强度因子不同， 当承受外部力场时， 表现出来的 结果就是应力 强度 因子较低 的点所承受 的应力低 ， 断裂韧性较 低 ， 较先产生裂纹 ； 反之亦然 。 因此外立场所引起的裂纹是不连 续的、 随机的， 即材料在断裂前内部的微裂缝的演化过程是具 有分形特性。 3结 论 ( 1 ) 由统计分析知 ： 对于高强混凝土， 以 1 5 c m的立方试块 为 准， 对于 1 0 c m的立方试块的尺寸换算系数为0 9 1 。 且当 1 5 c m立 方体抗压强度为 6 0 - 1 0 0MP a 时， 换算系数 ，。 。在 ( O 8 ， 1 O ) 区问整体呈下降趋势 ， 即大尺寸试件的抗压强度较小。 ( 2 ) 导致高强混凝土尺寸效应换算系数较小的原因与 HS C 材料性质有关。 由于高强混凝土的粗骨料粒径较小， 水灰比( w c) 降低 ， 使得材料均一性更好， 强度很高， 是一种典型的弹脆性材 料。 材料开裂后裂纹很快失稳扩展， 甚至出现崩裂现象 ， 损伤集 中在局部区域 ， 因而尺寸效应更明显 。 参考文献 ： 1 钱觉时， 罗晖， 王智 水泥混凝土高强化与强度尺寸效应f J J 建筑材料 学报 ， 1 9 9 8 ， l ( 2 ) ： 1 3 4 1 3 8 2 】GB J l O 一8 9 ， 混凝土结构设计规 范【 M】 E 京 ： 中国建筑 工业 出版社 ， 1 98 9 【 3 】 G B 5 0 2 0 4 -2 0 0 2 ， 混凝土结构工程施工及验收规范【 s 辽宁： 辽宁科 学技术出版社 ， 1 9 9 2 4 】 陈肇元， 朱金铨， 吴佩钢 高强混凝土及其应用 M 北京： 清华大学出 版社 ， 1 9 9 2 ： 6 9 7 1 5 】 冷发光 粉煤灰高性能混凝土试件强度尺寸效应研究f J 】 l 混凝土 ， 2 0 0 0 ( 9 ) ： 1 8 1 9 【 6 】6 A N Mi n g - z h e ， Z HA N G L i - j u n ， YI Qu a n - x i n S i z e e f f e c t o n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f r e a c t i v e p o w d e r c o n c r e t e J S c i e n c e D i r e c t ， 2 0 0 8 ， 1 8 ( 2 )： 2 8 0 2 8 2 7 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 ( 5 ) 8 张晓东 ， 钟伟群 高强混凝土的力学性能【 J 哈尔滨建筑大学学报， 1 9 9 6 ， 2 9 ( 3 ) ： 6 2 6 8 9 1 黄煜镔 混凝土脆性与力学参数的尺寸效应及其相互关系的研究 D I 重庆 ： 重厌大学 ， 2 0 0 2 1 O 黄海燕 ， 张子明j 昆 凝土 的尺 寸效应【 J J 混 凝土 ， 2 o o 4 ( 3 ) ： 8 - 9 ( 1 l l B A Z A N T Z P ， C HE N E r p i n g S c a l i n g o f s t r u c t u r e f a i l u r e J A m e ri c a n S o c i e t y o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r s ， 1 9 9 7 ， 1 5 0 ( 1 2 0 ) ： 5 9 3 - 6 2 7 【 1 2 C AR P I N T E R I A， F E R R O F G S i z e e f f e c t s o n t e n s i l e f r a c t u r e p r o p e r t i e s： A u n i fi e d e x p l a n a t i o n b a s e d o n d i s o r d e r a n d f r a e t a l i t y o f c o n c r e t e mi e r o s t r u e t u r e J Ma t e r i a l s a n d s t r u c t u r e s ， 1 9 9 4 ( 2 7 ) ： 5 6 3 5 7 1 1 3 B A Z A N T Z P， P F E I F F E R P AD e t e r mi n a t i o n o f f r a c t u r e e n e r g y f r o m s i z e e f f e c t a n d b ri t t l e n e s s n u mb e r J AC I Ma t e ri a l s J ， 1 9 8 7， 8 4 ( 6 ) ： 4 6 3 - 48 0 1 4 S E NE R S ， B AR R B， A B U S I A F H _S i z e e f f e c t t e s t s i n u n r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o l u m n s J Ma g a z i n e of C o n c r e t e Re s e a r c h ， 1 9 9 9 ， 5 1 ( 1 ) ： 3 - 1 1 1 5 U 数华， 阎培渝， 冯建文 超高强混凝土 R P C强度的尺寸效应 R 1_ 武 汉大学研究报告。 2 0 1 0 【 1 6 黄海燕， 张子明 混凝土的统计尺寸效应 J 1 河海大学学报， 2 0 0 4 ， 1 3 2 ( 5 ) ： 2 9 1 2 9 4 f 1 7 B A Z A N T Z P， XI AN G Y u x i n S i z e e f f e c t i n c o m p r e s s i 0 n f r a c t u r e ： s p l i t t i n g c r a c k b a n d p r o p a g a t i o n J J o u rna l o f E n g i n e e r i n g Me c h a n i c s ， A S C E， 1 9 9 7 ， 1 2 3 ( 2 ) 1 8 B A Z A N T z P |S c a l i n g o f q u a s i b r i t t l e f r a c t u r e ： a s y m p o t o t i e a n a l y s i s J I n t e r n a t i o n al J o u r n a l of F r a c t u r e ， 1 9 9 7 ， 8 3 ( 1 ) 作者简 介 联 系地址 联 系电话 高志扬 ( 1 9 8 7 一 ) ， 男 ， 硕 士研 究生 ， 主要从 事高性能水泥基 材料研究。 武汉大学工学部十舍 2 3 5 室( 4 3 0 0 7 2 ) l 5 92 7 33 5l 5 5 35 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m