尺寸效应对混凝土芯样强度影响的试验研究.pdf

第 3 9卷第5期 2 0 1 3年 1 0月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e l 23 尺寸效应对混凝土芯样强度影响的试验研究 刘红义 ， 张劲泉， 程寿山， 和海芳 ( 交通运输部公路科学研究院， 北京1 0 0 0 8 8 ) 摘要： 针对不同级配的普通混凝土分别钻取尺寸为 + 1 0 o 、 4 , 6 7 、 4 , 4 9 、 6 3 2四种直径芯样 ， 加工成高径比为 1 5 、 1 2 、 1 0 、 0 8 、 0 5的混凝土芯样， 测定其抗压强度。试验结果表明， 直径相同的条件下， 混凝土芯样随着高径比的 减小芯样抗压强度增大， 高径 比相同的条件下， 混凝土芯样随着直径的减小抗压强度的变化规律不一致， 根据试验 结果提出了不同直径和高径比的芯样与标准芯样抗压强度的换算系数， 分别建立了换算系数关于直径和高径比的 回归方程 。 关键词： 尺寸效应 ； 强度； 混凝土芯样； 直径 ； 高径比 中图分类号： T U 5 2 8 3 1 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 81 9 3 3 【 2 0 1 3 ) 0 51 2 3 0 4 Ex p e r i m e n t a l s t u d y o n e ffe c t o n t h e s i z e e ffe c t o f c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f c o n c r e t e c o r e s a mp l e s L I U Ho n g y i， Z HANG J i n q u a n， C HE NG S h o u s h a n ， HE Ha i f a n g ( R e s e a r c h I n s t i t u t e o f Hi g h w a y ， Mi n i s t r y o f T r a n s p o ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 8 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： l o0 mi l l 、 6 7 mm、 4 9 mm 、 3 2 mm d i a me t e r c o r e s a mp l e s a r e d r i l l e d f r o m d i f f e r e n t g r a d a t i o n l e v e l o f o r d i n a r y c o n c ret e p l a n， t h e n p r o c e s s e d i n t o h i g h d i a me t e r r a t i o 1 5、 1 2、 l - 0 、 0 8、 0 。 5 o f d i ff e r e n t c o r e s a mp l e s t o d e t e r mi n e t h e i r c o mp r e s s i v e s t e r n g t h T h e r e s u l t s s h o w t h a t u n d e r t h e c o n d i t i o n o f t h e s a l n e d i a me t e r c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f c o n c r e t e c o r e s a mp l e s i n c r e a s e w i t h h i g h - d i a me t e r r a t i o r e d u c e d， a n d c o n c r e t e c o r e s a mp l e s c o mp res s i v e s t r e n gth v a r i e s i n c o n s i s t e n t l y u n d e r t h e s a me h i g h - d i a me t e r r a t i o c o n d i t i o n Ac c o r d i n g t o t h e res u l t s， c o n v e r s i o n c o e f f i c i e n t s o f c o mp r e s s i v e s t r e n gth b e t we e n n o n s t a n d a r d c o r e s a mp l e s a n d t h e s t and a r d s are p r e s e n t e d， r e g r e s s i o n e q u a t i o n o f c o n v e r s i o n f a c t o r s we r e e s t a b l i s h e d o n t h e d i a me t e r a n d h e i g h t t o diam e t e r r a t i o Ke y wo r d s ： s i z e e ff e c t ； c o m p r e s s i v e s t r e n gt h ； c o r e s a m p l e s ； d i a m e t e r ； r a t i o o f h e i ght -t o - d i a me t e r 0 前言 钻芯法检验混凝土强度是从结构物 中钻取芯样 来测定混凝土的抗压强度， 是一种直接测量混凝土 强度的技术， 具有直观、 精度高等特点。目前， 我国 C E C S 0 3 ： 2 0 0 7 ( 钻芯法检测混凝土强度技术规程 J 规定直径为 1 0 0 m m高径 比为 1 ： 1 的混凝土 圆柱体 试件为标准芯样 。但是 ， 在实际应 用过程中常常 由 于钢筋间距小、 构件尺寸小、 避免降低承载力等只能 获取小直径芯样。另外， 在圬工拱桥垮塌事故现场 混凝土材料大多呈破碎状和小块状， 这就决定了现 场取样只能获取小直径芯样 。国内外的科研检测机 构如中国建筑科学研究院 J 、 天津港湾工程研究 所 J 、 上海 市建 设 工 程 质 量 检 测 中 心l- 4 J 、 同济 大 收稿 日期 ： 2 0 1 2 - 0 4 1 7 作者简介 ： 刘红义 ( 1 9 8 o一) ， 男 ， 硕士 ， 研究 方 向： 桥 隧结 构检 测技 术。 基金项 目： 西部交通建 设科技 项 目( 2 0 0 8 - 3 1 8 - 2 2 3 - 4 3 ) Ema i l ： 1 h y 0 2 0 2 7 08 2 1 6 3 a o m 学 引、 东南大学 引、 华侨大学 、 意大利都灵理工大 学 - 8 】 等都对小直径 芯样检测混凝土抗压 强度做 了 大量的试验研究工作 ， 主要研究 的小直径芯样直径 范围有 7 5 r flm、 7 0 m m、 5 0 m m 、 2 8 m m等， 但对高径 比对芯样强度的影响以及它们综合影响较少涉及。 下面针对不同直径的芯样， 研究直径和高径比对混 凝土芯样强度 的影响。 1 试验研究 1 1 试验原材料 水泥： 金隅牌普通硅酸盐水泥( P 0) ， 强度等级 4 2 5 ， 3天平均抗压强度 2 5 8 M P a ， 2 8天平均抗压 强度5 4 5 M P a ， 北京新北水水泥有限责任公司生 产 。 砂： 中砂， 细度模数 2 7 ， 北京榆构砂石有限公 司生产 。 粉煤灰 ： I 级粉煤灰 ， 主要成分见表 1 ， 邯峰发电 厂生产。 石 ： 52 0 m m碎石， 连续级配， 北京榆构砂石有 l 2 4 四川建筑科学研究 第 3 9卷 限公司生产。 51 6 m m卵石 ， 连续级配 ， 北京榆构砂石有限 公司生产 。 51 0 m m卵石 ， 连续级配 ， 北京榆构砂石有限 公司生产。 表 1 粉煤灰的成分及物理性质 Tabl e 1 Phy s i a l pr o pr e t i e s an d c ompo s i t i o n o f fly as h 1 2试件及芯样制取 专门浇筑 6块长宽高分别为 3 0 0 0 T i m 8 0 0 m m 2 5 0 m m 素混凝土板， 所用骨料最 大粒 径分别为 1 0 m m、 1 6 m m、 2 0 mm， 每块 板均 预 留 1 5 01 5 0 1 5 0标准立方体试块。在每块素混凝 土板上分别钻 取 , 1 0 0 、 6 7 、 6 4 9 、 , , 3 2等四种规格芯样 ， 每种直径 芯样再加工成高径 比分别为 1 5 、 1 2 、 1 0、 0 8 、 0 5 等五种规格。每块板上制取芯样 9 4个， 共计 5 6 4个 芯样 。具体试验因素水平见表 2 。 表 2因素水平 Ta b l e 2 F a c t o r a n d l e v e l t a b l e o f c o n c r e t e c o r e s 2 试验 结果及分析 2 1 试验结果 考虑到小直径芯样抗压强度数据的离散性 ， 本 次试验制作了较多芯样 ， 对试验结果的统计采用平 均值法 ， 对可疑数据根据拉依达 3 叮原则进行剔除 ， 数据的处理还考虑到芯样的破坏状态， 分析芯样破 坏是否正常， 确保试验结果的可靠性 ， 试验结果见表 3。 2 2不同直径混凝土芯样抗压强度折线图分析 绘制不同直径条件下各板f 昆 凝土芯样抗压强度 随高径比变化的折线图， 如图 1 5 所示， 可以看出 不同直径的混凝土芯样抗压强度随着高径比的减小 而增大， 并且高径比越小时芯样抗压强度增加的越 多， 表明芯样高径比越小混凝土的尺寸效应越显著， 并且不同强度等级 、 不 同级配 的芯样表 现出了相同 的趋势。 2 3 不同高径比混凝土芯样抗压强度折线图分析 绘制不同高径比条件下各板混凝土芯样抗压强 度随直径变化的折线 图 ， 如 图59 所示 ， 可 以看出 表 3 芯样抗压强度 ( M P a ) 试 验结果 Ta b l e 3 Te s t r e s u l t s o f c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f c onc r e t e c or e s ampl e s 注： 1 0 01 0表示 芯样直径为 1 0 0m高径比为 1 。 图 1 直径 1 0 0 mm时芯样抗压强度随高径比的变化曲线 F i g 1 Ch a n g e c I l r v e s o f s a mp l e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h 、 t h r a t i o o f h e i g h t - t o - d i a me t e r a t d i a m e t e r 1 0 0 ton i 图2 直径 6 7 m m时芯样抗压强度随高径比的变化曲线 F i g 2 Ch a n g e c u r v e s o f s a m p l e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h wi t h r a t i o o f h e i g h t t o d i am e t e r a t d i am e t e r 6 7 I n n i 图3 直径 4 9 m m时芯样抗压强度随高径比的变化 曲线 F i g 3 Ch a n g e c u r v e s o f s a m p l e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h 、 t h r at i o o f he i g ht - t o- di a m e t e r at di ame t e r 4 9 mi l l 刘红义， 等： 尺寸效应对混凝土芯样强度影响的试验研究 1 2 5 图4 直径 3 2 m m时芯样抗压强度随高径比的变化曲线 F i g 4 Ch a n g e c u r v e s o f s a m p l e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h wi t h r a t i o o f he i g h t - t o d i a m e t e r a t d i a m e t e r 3 2 i n i n 高径比对混凝土芯样直径尺寸效应影响显著。高径 比为 1 0 、 0 8 、 0 5时 ， 混凝土芯样抗压强度规律表 现为随着直径的减小混凝土芯样抗压强度增大 ， 这 和一般的尺寸效应 规律一致 ； 高径 比为 1 5和 1 2 时 ， 混凝土芯样抗压强度则随着直径的减小先减小 后增大。由此可见 ， 混凝土芯样抗压强度受 高径 比 影响显著。 图5 高径比为 1 5时芯样抗压强度随直径的变化曲线 Fi g 5 Ch a n g e c u r v e s of s a mp l e c o mp r ess i v e s t r e n g t h wi t h d i a m e t e r a t h e i g h t - t o - d i ame t e r r a t i o o f 1 5 图 6 高 径比为 1 2时芯样抗压强度随直径的变化 曲线 Fi g 6 Ch a n g e c u r v e s o f sa mp l e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h wi t h d i ame t e r a t h e i g h t - t o - d i ame t e r ra t i o of 1 2 针对不 同高径 比， 6块板 的混凝 土芯样抗 压强 度的变化趋势并不完全相同 ， 这和混凝土的强度 等 级和骨料最大粒径有关 ， 高径比越小 ， 各板混凝土芯 样抗压 强度尺寸效应越一致 ， 即所取 混凝土 芯样高 径 比越小 ， 芯样抗压强度离散性越小数据越稳定 ， 也 验证了利用小直径芯样进行混凝土抗压强度测定 的 可行性 。 直 mm 图7 高径比为 1 0时芯样抗压强度随直径的变化曲线 F i g 7 Ch a n g e c u r v es o f s a mp l e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h w i t h d i am e t e r a t h e i gh t to- d i a me t e r r a ti o o f 1 0 图 8 高径比为 0 8时芯样抗压强度随直径的变化曲线 Fi g 8 Ch a n g e c u r v es o f s a mp l e c o mp r ess i v e s t r e n g t h w i th d i am e t e r at h e i ght to- d i am e t e r r a t i o o f 0 8 图 9 高径 比为 0 5时芯样抗压强度随直径的变化 曲线 Fi g 9 Ch a n g e C Ur V e S o f s a mp l e c o mp r eSs i v e s t r e n g t h 、 t h d i am e t e r a t h e i ght - t o - d i am e t e r r a t i o o f 0 5 2 4 混凝土芯样抗压强度换算系数 通过对试验结果的数据处理， 得到不同高径比 条件下不同直径芯样 抗压强度与高径 比为 1直 径 1 0 0 mm的标准芯样抗 压强度的换算 系数 ， 见表 4 。 由表中可以看出， 当高径比小于等于 1 时， 换算系数 随着直径的减小而增大； 当高径 比为 1 5和 1 2时， 换算系数随着直径的减小先增大后减小。 表 4 换算系数 Ta b 1 e 4 Co n v e r s i o n c o e ffi c i e n t t a b l e ! ： 1 1 0 0 1 1 5 1 O 7 1 O 0 0 8 5 0 5 4 6 7 1 1 8 1 1 1 0 9 6 0 8 0 48 4 9 1 1 9 1 0 6 0 9 2 0 7 8 0 4 4 3 2 1 0 8 0 9 3 0 8 5 0 6 8 0 3 6 注： H D表示高径比， D表示直径。 日 隈 均 髓黑 牡掉 l 2 6 四川建筑科学研究 第 3 9卷 换算系数和变化 曲线都说明了高径 比对混凝土 芯样抗压强度的影 向， 本文对得到的换算系数和相 关标准试验结果 。 。 进行 了对 比， 见表 5 ， 分析换算 系数不 同的主要原 因可能是 试验环境不 同 、 原材料 不同、 控制条件不同等所引起的。 表 5 芯样试 件抗压强度修正系数 Ta b l e 5 Co r r e c t i o n c o e ffi c i e n t c o mp r e s s i v e s t r e ng t h of c o nc r e t e c or e s a mpl e s e 嚣 鬻 鬟qtl 囊 囊 高 径 比 原 东 德 水 建 设 株 式 通 部 建 设 标 准 标 准 会 社 研 究 所 标 准 化 协 会 标 准 J T J T 2 7 29 9 C E C E 0 3 8 8绢 术 日 术 1 5 一 1 1 3 1 2 1 0 8 1 O 9 1 0 1 O 0 1 0 0 O 8 0 9 0 0 8 6 0 5 0 5 9 一 1 0 7 1 o 0 O 9 O 1 1 5 一 1 1 5 1 0 7 一 1 0 7 1 o 0 1 0 0 1 o o O 8 6 O 8 5 一 O 6 5 0 5 4 2 5数据 回归 定义混凝 土芯样 的直径 与标准芯样直 径 1 0 0 m m的比值为该混凝土芯样 的直径 系数 ， 得到换算 系数关于直径系数的方程 ， 分别用一次方程 Y=似 + b和二次方程 Y=似 + +c回归 ， 见表 6 。由表 中可 以看 出， 当高径比大于 1 时 ， 一次方程与二次方 程的回归效果相 比较差 ， 当高径 比为 1 、 0 8和 0 5 时， 一次方程和二次方程的回归效果都较好 ， 可 以使 用一次方程回归换算系数。 表6 直径系数与换算系数回归方程 Ta b l e 6 Re g r ess i o n e q u a t i o n t a b l e o f d i a m e t e r and c o r r e c t i o n c o e ffi e i e n t 注 ： *表示不l司直径的直径系数 ， 直径系数为待求系数芯 样直径与标 准芯样直径的比值 ； y 表示不同高径情况下不同直径芯样与标准 芯样 的换算 系数 。 同样 ， 用方程 Y=似 + b对同一直径条件下不同 高径 比芯样抗压强度换算系数进行 回归 ， 得到抗压 强度换算系数关于高径比的方程表， 见表 7 ， 由表中 可以看出， 抗压强度换算 系数关于高径 比的方程相 关性较好 ， 这也证 明了利用小直径芯样高径 比比较 小的情况下推 断混凝土抗压强度的可行性 。 表7 高径比与换算系数回归方程 Ta bl e 7 Re gr e s s i o n e qua t i on t a bl e o f r a t i o of he i g ht - t o- di ame t e r a nd c o r r e c t i on c o e ffi c i en t 注： 表不高径比， Y 表示相应直径芯样与标准芯样抗压强度换算系 数 。 通过对换算系数的数据分析得到换算系数关于 直径系数和高径比的回归方 程 ， 可以看 出高径 比对 芯样强度的影响较显著。 o 6 9 l +0 1 8 7 + 0 0 6 5 ) f E 标 式 中 产一 标准芯样的抗压强度( MP a ) ； E 标 非标准芯样抗压强度( MP a ) ； 芯样的高度( m m ) ； D 芯样 的直径( m m) 。 3 结 论 通过试验数据处理回归得到如下结论 ： 1 ) 当高径比大于 1时 ， 昆凝土芯样抗压强度随 着直径的减小先减小后增大， 当高径比小于 1 时， 混 凝土芯样抗压强度随着直径的减小而增大。 2 ) 试验得到的不同高径比不同直径的混凝土 芯样抗压强度与标准芯样抗压的换算关系 ， 相关性 较好 ， 对小直径芯样检测混凝土抗压强度有借鉴意 义。 参 考 文 献 ： 1 G B 5 0 0 0 3 -2 0 0 2 普通混凝土力学性能试验方法 s 2 C E C S 0 3 ： 2 0 0 7钻芯法检测混凝土强度技术规程 s 3 J ，r J T 2 7 2 9 9港 口工程混凝 土非破 损检测技术规程 s 4 韩跃红， 缪群 小直径芯样检测混凝土强度技术研究 J 工 程 质量 ， 2 0 0 2 ( 2 ) ： 2 6 - 2 7 5 袁海军 钢筋混凝土结构检测鉴定中的若干问题 J 建筑科 学， 2 0 0 1 ， 1 7 ( 6 ) 3 3 - 3 5 6 周明华， 郭恒宁， 刘 江 采用小直径芯样检验结构混凝土抗 压强度取值 的探讨 J 建筑技术 ， 1 9 9 8 ， 2 9 ( 1 )： 4 6 48 7 杨勇， 杨文平 ， 陈治平， 等 混凝土强度现场检测技术若干问 题试验研究 J 建筑结构， 2 0 0 8 ， 3 8 ( 5 ) ： 8 0 -8 2 8 I i n d e l i c a t o F A P r o p o s a l f o r t h e p r e d i c t i o n o f t h e C h a r a c t e r i s t i c Cu b e S t r e n h o f C o n c r e t e f r o m t e s t s O il s ma l l C o r e s o f V a O D S di - a m e te r s J M a t e r a l s a n d S t r u c t u r e ， 1 9 9 8 ， 3 1 ( 5 ) ： 2 4 2 - 2 4 6 9 王安坤 ， 周燕 混凝土短芯样强度修正系数的探讨 J 工程 质量 ， 2 0 0 4( 1 2 ) ： 1 9 - 2 0 1 O 韩建平， 王飞行 ， 王志华 钻芯法检测评定混凝土强度的若干 问题探讨 J 工程抗震与加固改造， 2 0 0 8 ， 3 0 ( 2 ) ： 1 0 9 一 l l 7