高强与活性粉末混凝土尺寸效应的分析.pdf

第 3 6 卷第 3 期 2 0 1 0年 6月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g Sci e n c e 1 91 高强与活性粉末混凝土尺寸效应的分析 冯磊， 刘红彬， 彭培火， 王会杰， 盛国华， 李康乐， 鞠杨 ( 煤炭资源与安全开采国家重点实验室， 中国矿业大学力学与建筑工程学院， 北京1 0 0 0 8 3 ) 摘要： 活性粉末混凝土( R e a c ti v e P o w d e r C o n c r e t e ， 简称 R P C ) 是一种新型超高强、 高性能水泥基复合材料。本文分析了高强 混凝土以及活性粉末混凝土尺寸效应的研究成果和进展， 在此基础上， 初步探讨了 R P C尺寸效应， 分析了其中的难点问题。 关键词： 活性粉末混凝土( R P C ) ； 尺寸效应； 韧性 ； 高强混凝土 中图分类号： T U 5 2 8 3 1 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 0) 0 31 9 1 0 7 An a l y s i s o f s i z e e ffe c t o n h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e a n d r e a c t i v e p o wd e r concr et e F E N G L e i ， UU H o n g b i n ， P E N G P e i h u o ， WA N G H u ij i e ， S H E N G G u o h u a ， L I K a n g l e ， J U Y a n g ( S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f C o a l R e s o u r c e s a n d S a f e Mi n i n g ， S c h o o l o f Me c h a n i c s a n d C i v i l E n g i n e e r i n g ， C h i n a U niv e r s i t y o f Mi nin g T e c h n o l o g y ， B e r i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ) A b s t r a c t ： R e a c ti v e P o w d e r C o n c ret e( R P C )i s k n o w n a s a k i n d o f n o v e l c e m e n t b a s e d c o m p o s i t e ma t e ri a l w i t h u l t r a - hig h s t ren g t h a n d o u t s t an d i n g p e rfo r man c e T h e d e v e l o p me n t o f t h e s i z e e ff e c t o n h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e an d RP C i s an aly z e d i n t h i s p a p e r ， b a s e d o n t his b a s i s ， the s i z e e ff e c t o fR P C i s t a k e n o v e ri n i ti a l l y a n d the d i ffic u l t i e s a rc d i s c u s s e d Ke y w o r d s ： R e a c ti v e P o w d e r C o n c r e t e( a P e ) ； s i ze e ff e c t ； t o u g h n e s s ； HS C 0 引 言 随着混凝土技术的发展， 高强混凝土( H S C ) 的 生产和应用 日 趋成熟， 它为大跨度桥梁以及高层结 构的设计提供了更大的空间。近 1 O 多年来， 活性粉 末混凝土( R e a c t iv e P o w d e r C o n c r e t e ， 简称 R P C ) 作为 超高强混凝土的一种， 在强度、 韧性、 工作度、 体积稳 定性与抗渗能力等方面均有大幅度的提高。为了改 善塑性和韧性， R P C中常掺入一定量的钢纤维来约 束和限制微裂纹的发展， 取得了良好成效。掺人钢 纤维后， R P C破坏呈现韧性特征， 抗弯强度可达 1 0 0 M P a ， 断裂能可达4 1 0 J m， 有效地克服了高强 混凝土的高脆性， 改善了其韧性和变形性能， 目 前在 桥梁、 市政、 港 口、 海洋工程、 地下结构等土木工程领 域已有较多应用 J 。 试验结果表明： 试件尺寸对混凝土的强度和韧 性都有影响， 即存在尺寸效应现象。尺寸效应是指 材料的力学性能不再是一个常数， 而是随着材料几 收稿 日期 ： 2 0 o 9 J D 4 - 2 0 作者简介： 冯磊( 1 9 8 4一) ， 男， 河北廊坊人， 硕士研究生， 研究方 向 ： 混凝土断裂力学性 能。 基金项目： 新世纪优秀人才计划 ( N C E T - 0 5 - 0 2 1 5 ) ； 北京市教育委员 会共建项目； 国家自 然科学基金青年科学基金( 1 0 8 0 2 0 9 2 ) E ma i l ： l e i s e l f l i v e c n 何尺寸的变化而变化。实验室试件或构件通常是按 实际结构比例调整的模型， 基于这种小尺寸试件所 获得的结果是否可以应用于实际结构设计 ， 是研究 与工程技术人员普遍关注的问题。研究表明 引， 高强混凝土与普通混凝土一样， 存在尺寸效应， 但 R P C是否也存在类似的尺寸效应以及如何评价 R P C的尺寸效应， 是一个有待研究的课题。由于尺 寸效应问题关系到材料的真实强度、 承载力等的评 定， 因此， 研究和评价 R P C的尺寸效应规律， 认识不 同变形条件下尺寸效应的作用机理， 对于发挥 R P C 优越的物理力学性能， 拓展其工程应用具有重要的 科学意义。 混凝土是一种 由粗 、 细骨料及硬化水泥基体组 成 的多相材料。从微观上看 ， 混凝土多相多孔 ， 骨料 中含有大量微裂隙和微孔洞 ， 是典型的非均匀材料。 混凝土的微观特征使其断裂过程尤为复杂。强度、 断裂特征的尺寸效应， 是混凝土这种准脆性材料的 固有特性。对普通混凝土而言， 尺寸效应主要表现 为断裂能随结构尺寸的增大而增大， 强度随结构尺 寸的增大而减小。弹性模量、 泊松比、 最大应力相对 应的应变， 则不存在尺寸效应现象 J 。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 1 9 2 四川建筑科学研究 第 3 6卷 凝土表现得更为显著， 而且高强混凝土表现出比普 通混凝土明显的高脆性。研究表明： 引起混凝土尺 寸效应的本质原 因主要有以下三个方面 J ： ( 1 ) 材料强度 的随机性引起尺寸效应 ， 即统计 尺寸效应 。 ( 2 ) 由能量释放引起尺寸效应， 即断裂力学尺 寸效应， 其中 B a z a n t 的尺寸效应理论比较完善， 能 够很好地解释混凝土的尺寸效应规律n 。该理论 认为 ， 混凝土这种准脆性材料 ， 既不能用极限状态分 析， 也不能用线弹性断裂力学方法， 混凝土通常条件 下的尺寸效应介于极限强度破坏和裂纹扩展破坏之 间， 因此， 解决混凝土结构的尺寸效应必须用考虑裂 纹前缘断裂过程区局部损伤的非线性断裂。B a z a n t 提出了非局部损伤和微平面模型， 从能量释放角度 出发， 近似分析了尺寸效应律和混凝土结构的尺寸 效应问题 ； 也有学者指出， 断裂能尺寸效应是由于预 制裂缝端部的微裂缝区和主裂缝的亚临界扩展 l 】 引。 ( 3 ) 部分学者将分形几何 引入混凝 土尺寸效应 的分析， 利用严格的几何相似分析和推论， 从微元破 裂与整体结构破坏之间的相似特性角度来解释断裂 的尺寸效应。裂纹分形理论包括裂纹表面的侵入式 分开特性理论( 即表面粗糙度的分开属性) 和间隙 分形特性理论 ( 代表着微裂纹的分形分布 ) 。此 外， 有研究认为， 引起混凝土尺寸效应的直接原因包 括： 由边界层引起的尺寸效应； 由扩散现象引起的与 时间相关的尺寸效应； 由水化热或其他化学反应引 起 的尺寸效应 。 从以往的研究成果来看 J ， 高强混凝土尺寸 效应问题 的研究 尚有许 多不 清楚 的地方 ， 特别是 R P C尺寸效应 的研究刚 刚起步 ， 例 如 ， 压剪荷载下 高强混凝土、 R P C的强度尺寸效应 问题 ， 裂缝发展 和 R P C构件破坏形态和耗能机理 的关系 ， 钢纤 维甚至超细钢纤维对 R P C强度和韧性尺寸效应 的 影响 _1 7 J ， 以及 R P C结构出现开裂后的带裂缝工作 能力、 吸收能量而变形的能力以及整体生存能力 ( 即发生大变形时具有足够的残余强度) 等， 都是我 们急需要解决的问题【 l 引。这些实际问题 的解决 ， 对 于认识 R P C材料或构件 的破坏过程、 钢纤维的增韧 效果、 优化 R P C原材料组成 、 科学评价尺寸效应规 律、 拓展高强混凝土以及 R P C的工程应用， 具有重 要意义。本文从强度( 包括抗压、 抗拉、 抗折强度) 、 断裂能等几方面总结和分析了高强混凝土以及 R P C尺寸效应的研究成果和进展。 1 强度的尺寸效应 混凝土宏观力学性能受基相、 分散相及其结合 面力学性能的影响， 由于浇筑时期混凝土的泌水作 用和干燥期间水泥浆收缩受到骨料的限制， 这些薄 弱面逐渐形成微裂缝 ， 即骨料界面处的粘结裂缝， 受 载后， 这些微裂缝进一步发展， 扩展为宏观裂缝， 混 凝土破坏过程就是裂缝产生、 扩展和失稳的过程。 高强混凝土中掺人纤维后， 纤维能够抑制裂纹的发 展 ， 从而影响尺寸效应 。 1 1 抗压强度的尺寸效应 实际混凝土结构中， 混凝土承受各种各样的荷 载， 对应于不 同的受力形式 ， 混凝土有不同的强度和 变形规律。单轴受压状态是混凝土最简单、 最基本 的受力状态 。高强混凝 土与 R P C抗压强度实验主 要包括立方体 、 棱柱体和圆柱体抗压， 其中， 立方体 抗压尺寸效应最明显n 蚴 。高强混凝土的抗压强 度尺寸效应比普通混凝土更明显。冷发光等 对 掺加粉煤灰的 C 7 0高强混凝土的抗压强度尺寸效 应的研究表明： 对于 1 0 0 i n i n与 1 5 0 m m立方体测试 结果之间的换算系数应取 0 8 2 ， 远 比普通混凝土的 0 9 5 低， 表明混凝土强度越高， 抗压强度尺寸效应 越明显。有学者分析认 为 J ， 脆性与强度尺寸效应 是统一的， 强度尺寸效应与材料脆性大小有一定关 系 ， 材料脆性越大 ， 强度尺寸效应越明显 。 研究表明 ： R P C 2 0 0的棱柱体抗压强度与立 方体强度的比值要明显高于普通混凝土。其原因是 试件端部摩擦 力对立方 体试件 的约束效应在 R P C 2 0 0的实验中相对较弱， 并且， 其立方体试件的 破坏形态不像普通混凝土那样呈明显的方锥体， 而 是在破坏过程中成片崩 出， 最终 由于承力截面过分 削弱而发生爆炸性破坏 。 然而， 也有研究发现： R P C试件掺人钢纤维后， 立方体抗压强度 的尺 寸效应不 明显。林清等通过 4 0 组不同尺寸的立方体试件受压性能试验口 ， 研 究了钢纤维活性粉末混凝土 的抗压强度尺寸效应 ， 认为钢纤维 R P C立方体抗压强度的尺寸效应较不 明显， 且抗压强度提高不大； 但钢纤维对试件的韧性 有很大改善。龄期分别为7 d ， 2 8 d的 1 0 0 m ill 立方 体和7 0 7 ra in 立方体钢纤维 R P C ， 试件抗压强度的 比值都大致在0 9 5 左右， 见式( 1 ) ， ( 2 ) ( 分别为龄 期7 d ， 2 8 d ) 。 = 0 9 5 0 ( 1 ) 2= 0 9 4 2 3 ： ( 2 ) 2 0 1 0 N o 3 冯磊 ， 等： 高强与活性粉末混凝土尺寸效应的分析 1 9 3 北京交通大学通过实验研究得到 4种尺寸抗压 试件的尺寸换算系数 ( 表 1 ) 】 ， 可以看出， 钢纤维 掺量达 到 2 时， R P C立方体抗压强度的尺寸效应 不明显 。 表 1 尺寸换算系数口 T a b l e 1 S i z e e ffe c t e o e f fi c i e n t E I 纤维含量 5 O 7 O 7 1 0 0 1 5 0 mm ram mm mm 0 0 9 0 5 0 9 6 6 1 0 0 0 1 0 6 0 1 0 8 8 6 0 9 5 1 1 o 0 O 1 o 7 3 2 0 9 7 2 0 9 8 5 1 o o O 1 1 5 6 1 2抗拉强度的尺寸效应 抗拉强度包括轴心抗拉强度、 劈拉强度和弯拉 强度， 由于实验的复杂性， 高强混凝土和 R P C抗拉 强度尺寸效应研究很不充分。研究表明： 高强混凝 土的尺寸效应大于普通混凝土， 但是， 在高强混凝土 中掺入钢纤维后， 尺寸效应变得和普通混凝土的尺 寸效应接近 。L e s s a r d 详细研究了来 自1 4 个不 同实验室和现场的强度从 7 21 2 6 MP a 混凝土试件 的数据， 发现高强混凝土存在 明显的尺寸效应。 R P C抗拉强度比普通混凝土高很多， 尤其是在掺人 钢纤维的情况下， 抗拉强度提高非常明显 J 。 周凯敏 进行了4 0 组不同尺寸的立方体试件 的劈拉实验 ， 探讨 了不同尺寸 、 养护制度和龄期 、 不 同纤维掺量下钢纤维 R P C立方体的劈拉强度和尺 寸效应 ， 认为适当提高纤维率可以增大尺寸效应， 但 是， 在钢纤维掺量达到4 时， 尺寸效应变得不明显 ( 表 2 ) 。 表2 钢纤维 R P C立方体试件劈拉强度 Ta b l e 2 S p M t t i n g t e n s i l e s t r e n g t h o f s t e e l fi b e r RPC c u b e s p ec i m e n s 】 注： 表中所列试件编号中G后第一个数字代表养护制度( 1 表示标 准养护、 “ 2 ” 表示热水养护、 3 表示蒸汽养护) ， 第二个数字表示 钢纤维的体积掺量百分数。 该研究同时指出： R P C中掺人聚丙烯纤维的作 用和钢纤维相近， 尺寸效应小于普通混凝土。实验 中， 边长 7 0 7 ml n和 1 0 0 ra i n聚丙烯纤维 R P C立方 体试件的劈拉强度尺寸效应的换算系数为 0 8 8 2 ， 大于普通混凝土的 0 8 。 汤寄予 对钢纤维高强混凝土 的研究表 明， 纤 维率为 1 2 时， 钢纤维高强混凝土的劈拉强度 尺寸效应系数为0 7 9 7 ， 与相应的高强混凝土相比， 其劈拉强度尺寸效应系数略有减小， 并与普通钢纤 维混凝土的劈拉强度尺寸效应系数接近。 1 3 抗剪强度的尺寸效应 研究 表 明l 1 ， R P C 2 0 0具 有较高 的抗剪 强度 ， R P C 2 0 0的直剪强度可以达到 2 0 M P a 以上， 比普通 混疑土至少高出一倍。钢纤维混凝土构件的抗剪机 理和抗剪破坏形态与普通混凝土构件类似， 也表现 为随剪跨比的不同， 呈现出剪拉、 剪压、 斜压 3 种典 型破坏模式。钢纤维在斜裂缝出现后可以抑制其延 伸和扩展， 并承担混凝土开裂释放的拉应力， 从而减 小了钢纤维混凝土无腹筋梁斜截面抗裂和承载力的 尺寸效应。研究表明： 在截面高度 h 3 0 0的条件 下， 可以忽略其截面高度的尺寸效应 J 。 测定混凝土的抗压强度已有标准 的试验方法 ， 作为另一基本力学性能指标的混凝土抗剪强度值 ， 却因研究者采用的试验方法不同而相差悬殊， 最多 的相差 23倍。此外 ， 现行 的钢筋混凝土中所采用 的剪切模量 G是按弹性力学的原理 ， 由弹性模量 E 和泊松比推算而来的， 缺乏试验验证。现在主要的 抗剪试验方法有 ： ( 1 ) 矩形短梁直接剪切 ； ( 2 )z形柱单剪面试验 ； ( 3 ) 缺 口梁 四点受力试验 ； ( 4 ) 薄壁圆筒受扭试验 ； ( 5 ) 二轴拉 压应力试验。 有研究指出 ： 随着立方体抗压强度 ， 的增 大， 梁的名义剪应力 V u b a提高， 二者呈非线性关 系； 混凝土抗拉强度 与名义剪应力 V u b d之 间有 近似的线性关系。在 一定程度上 ， 抗剪强度 的尺寸 效应规律可以认为与抗拉强度的尺寸效应规律相 同。 1 4 抗折强度的尺寸效应 钢纤维 R P C的抗折性能明显不同于普通高强 混凝土。当荷载较小 时， 钢纤维与混凝土基体作为 一 个整体共同承担荷载， 二者变形协调处于弹性阶 段 ， 荷载一挠度曲线呈直线 ； 当荷载继续增大， 受拉 区变形达到初裂应变时， 混凝土基体出现微细裂缝， 跨越裂缝的钢纤维通过界面传递应力， 使试件截面 受力保持平衡； 随着荷载的增大， 微裂缝稳定扩展， 1 9 4 四川建筑科学研究 第 3 6卷 钢纤维表面的粘结力逐渐破坏， 荷载一挠度曲线呈 非线性变化。由于大部分钢纤维没有脱粘拔出， R P C仍能承受更大的荷载 ， 处 于弹塑性强化阶段 ； 荷载继续增大， 裂缝扩展为宏观裂缝 ， 大部分钢纤维 界面脱粘拔出， 试件达到极限承载力； 随着越来越多 的钢纤维逐渐脱粘拔出， 裂缝失稳扩展， 试件的承载 力逐渐下降， 跨中挠度增长较快， 此阶段为软化下降 阶段 。从上述分 析可知， 钢纤维 R P C试 件的受 弯破坏过程， 主要是裂缝扩展， 钢纤维脱粘、 拔出的 过程。钢纤维 明显地提高 了 R P C的抗折强度 。实 验证明 ， 钢纤维含量为 2 时 ， 不 同尺寸 的 R P C 2 0 0 梁的抗折强度提高效果最好 J ， 同时也存在明显的 尺寸效应现象， 但没有普通混凝土梁明显。究其原 因， 部分学者认为 ： ( 1 )混凝土材料脆性大时， 尺 寸效应现象明显。R P C材料掺人钢纤维后 ， 材料韧 性提高， 脆性得到很大的改善。因此， R P C材料的 抗折强度尺寸效应没有普通混凝土材料明显； ( 2 ) R P C材料中掺加钢纤维 ， 在振动 台上振捣时 ， 由于 电磁吸力作用 ， 纤维 向试块边壁方向移动 ， 并有沿试 块长度方向排列的趋势。因此， 实验中将提高混凝 土抗折强度 ， 且试件 尺寸越大 ， 这种作用越显著 ， 致 使尺寸效应现象不明显。 文献 2 9 通过 3种不同尺寸的 R P C材料抗折 强度的实验数据拟合， 并应用 B a z a n t 断裂力学尺寸 效应理论分析了 R P C材料尺寸效应现象( 图 l ， 2 ) 。 表 3 R P C试块抗折强度值( 未预制裂缝) T a b l e 3 F l e x u r a i s t r e n g t h o f R P C s p e c i me n s( w i t h o u t p r e f a b r i c a t e d c r a c k)【 】 图 1 不 同尺寸 R P C棱柱体 试块 抗折强度 F i g 1 F l e x u r a l s t r e n g t h o f RPC p r i s my s p e c im e ns、 t h d i ff e r e n t d i me n s i o n s E 】 图 1给出了 R P C试件抗折强度 随试件特征尺 寸的变化规律 ， 从 中可以看出明显的尺寸效应现象 ， 同时得到了基于能量释放的尺寸效应变化规律 ( 图 2 ) 。 图2 基于能量释放的尺寸效应拟合曲线 。 Fi g 2 Fit t i n g c u r v e o f s i z e e ffect l a w b a s ed O l l e n e r g y rel e a s i ng 【 凹】 文献 5 通过 R P C 2 0 0梁 的抗弯实验， 发现钢纤 维掺量为 2 时 ， 抗折强度 随着试件尺寸的增 大而 降低。 2 断裂性能的尺寸效应 混凝土试件受力后 ， 在宏观裂缝尖端存在一个 微裂纹区 ， 即断裂过程区。研究表明 ， 在混凝土断裂 力学分析中要考虑断裂过程区的影响 ， 最常用的方 法是引入虚拟裂缝 的概念来 分析断裂 的非线性过 程 o 。 。断裂过程区是 引起 断裂性能指标尺寸效 应的主要 原 因 。 _ 3 5 。当 内部 区 ( 相对 于试件边 界 区) 占整个断裂区域的 9 0 甚至以上时 ， 可以认为 局部断裂能 g 在整个断裂区域 B( 一口 )是常数 ， 则 1 r 1 r W一 G ：J 南 J 腑 J 。 【 gf ( 3 ) 成立 ， 并且 R I L E M定义的 G 是材料常数 ， 即不存在 尺寸效应 ； 如果 内部 区域小于边界 区域 ( 比如 占整 个断裂区域的0 6 0 ) ， 则局部断裂能 g 在整个 断裂区域 B ( W 一口 )不是 常数 ， 断裂性 能存在尺寸 效应。根据虚拟裂缝模型 ， 断裂过程区存在微裂缝 ， 微裂缝区能够传递一定的拉应力， 混凝土结构失稳 断裂时， 虚拟裂缝已经完全张开为宏观裂缝， 计算 K 时， 裂缝长度 。应取考虑 了断裂过程区影响的临 界有效裂缝长度 口 J 。目前， 高强混凝土和 R P C 尺寸效应的理论研究 主要集 中在各种受力状态下 R P C试件的起裂、 断裂能、 裂口位移、 韧性等断裂特 征的尺寸效应研究上 。 2 1 弯 曲断裂强度的尺寸效应 初裂强度是指在标定初裂宽度下的混凝土弯曲 2 0 1 0 N o 3 冯磊， 等 ： 高强与活性粉末混凝土尺寸效应的分析 1 9 5 强度， 钢纤维混凝土试件的初裂强度随基体混凝土 强度等级和钢纤维体积率的增加而增大。由于对初 裂宽度的标定不一， 受试验水平限制， 很难精确确定 初裂点的位置 ， 且量测方法差异颇大， 以致有关文献 中关于初裂强度的取值相差悬殊。参照 C E C S 1 3 ： 8 9 ( 钢纤维混凝土试验方法 规定的方法， 基于 R P C 初裂时荷载一挠度响应曲线呈线性关系， 由弹性理 论， 钢纤维 R P C弯曲初裂强度表示如下 卫 ： p ， = 考( M P a ) ( 4 ) Of , 式中 丘一为弯曲初裂强度( M P a ) ； P为受弯时相 应荷载， 如初裂荷载、 极限荷载等( N) ； L为三点弯 跨距( mm) ； b ， h分别为试件截面的宽、 高( m m) 。 研究表 明 引， 纤维掺量 大于 1 0 后 ， R P C 2 0 0 的初裂强度随钢纤维掺量的增加而提高， 但不同钢 纤维掺量对初裂强度提高的幅度不 同， 当钢纤维掺 量增加到一体积率上限时， 纤维掺量高于这一值时， 纤维对 R _P C初裂强度的增强幅度反而降低。文献 5 ， 1 8 在研究中得出 2 为最优的钢纤维体积掺 量 ， 此时 ， R P C 2 0 0的初裂强度随试件尺寸的增加 而 降低 ， 对初裂强度与试件尺寸之 间的关系进行指数 拟合 ， 得到 以下关系 ： Y=一1 9 5 5 xe x p ( d 6 2 2 2 3 8 )+1 1 1 6 6 ( 5 ) 式中d 为试件的跨度( 图3 ) 。 图3 初裂强度拟合曲线 F i g 3 Fi t t i n g c u r v e o f i n i t i a l s t r e n g t h 2 2 断裂能和延性指数的尺寸效应 断裂能是表征混凝土材料阻止裂纹扩展能力的 重要指标， 其代表裂纹扩展单位面积释放出的能量， 测量混凝土断裂能的最好方法是单轴直接拉伸法 ， 由混凝土单轴拉伸曲线软化段的面积求出_ 3 。 但该法对试验机和试件的制作要求非常苛刻， 要求 试验机具有非常高的精度 ， 且夹具高度对 中， 试件尺 寸也要非常精确， 因此， R I L E M推荐“ 用带切 口的三 点弯曲梁来确定砂浆和混凝土的断裂能” 作为标准 的测试方法。同时， 也有学者提出了量测混凝土断 裂能的其他方法 引 。实验结果表明， 断裂能存在尺 寸效应 。文献 5 采用该方法分析了 R P C 2 0 0 的断裂能， 其断裂能表达式为 ：老： TW o + W ,s ： = P d 8 + 1 ( 6 ) 8 一 式中 =J P d 6 为荷载所做的功， 可由加载点 J 0 的荷载一挠度曲线积分求得； P为跨中施加的荷 载； m g 6 m 2 为试件本身的重量所做的功， 其中m g 为试件跨间的重量； 为试件跨中挠度； 一 取为峰 值荷载后 1 0 p 对应的挠度； A i =( h一口 。 ) b 为 试件韧带面积， 其中， ， 口 。 ， b 分别为试件的高度、 预 制裂纹 的高度和试件的宽度。 断裂能并不能全面体现材料抵抗开裂变形的能 力， 通常也采用延性指数 D 来表征抵抗变形的能 力， 延性指数定义为： 材料的断裂能和荷载一挠度曲 线中荷载峰值P 之比， 即D = G ， 它同时也是 表示混凝土脆性程度的一个参数， 延性指数越小， 表 明材料脆性越大。文献 5 对 R P C 2 0 0弯曲梁的延 性指数与试件尺寸之间的关系进行了拟合( 图4 ) 。 图4 钢纤维掺量为2 时延性指数拟合曲线 F i g 4 F i t n g c u r v e o f d u c t i l i t y i n d e x wi t h s t e e l fib e r v o l u m e f r a c t i o n 2 从图 4 中可 以看 出， 随 着 试件 尺 寸 的增 加 ， R P C 2 0 0的延性指数减小 ， 即材料 的脆性变大 ， 存在 明显的尺寸效应现象 。 2 3 韧性的尺寸效应 强度和韧性是结构设计 中两个重要的基本力学 性能指标， 其中韧性指标定量地描述了工程材料、 构 件或结构本身在出现开裂后的带裂缝工作能力、 吸 收能量而变形的能力 以及整体生存能力 ( 即发生大 变形时仍具有足够的残余强度) 。R P C的韧性源自 钢纤维对 R P C基体开裂后吸收能量而变形能力的 贡献。由于试验和计算方法不同， 测试方法等方面 的差异 ， 对韧性的判断结果相差甚远 ， 可 比性较差 。 再加上目前对钢纤维 R P C的断裂过程和耗能机理 认识不足， 所 以， 对于韧性特征的尺寸效应判断也说 法不一。 目前 ， 国内外 还没有 出现一个被广泛接受 1 9 6 四川建筑科学研究 第 3 6卷 的 R P C材料韧性的测试方法和表征指标 引。 虽然素 R P C梁表现脆性， 但掺人钢纤维后 ， 韧 性明显提高， 目前国内外开展了一些 R P C变形和韧 性等方面的实验研究工作， 大致可分为能量法、 能量 比值法、 特征点法、 强度法， 取得一些成果。欧美、 日 本以及我国的实验标准和规范多建议用弯曲实验方 法来测试 和表征纤维 混凝 土的韧性。在这 些尝试 中， 无论是压缩、 拉伸还是弯曲实验， 人们常用荷 载一变形曲线上初裂荷载、 峰值荷载或峰后荷载等 特征时刻所对应的曲线面积或面积比作为指标来表 征纤维混凝土的韧性或耗能力。然而 ， 研究发现 ： 初 裂荷载或初裂变形的确定、 变形计算范围、 试件尺 寸、 骨料大小 、 纤维形状、 不对称开裂 和测量方法等 诸多因素显著地影响韧性指标 的客观性 ， 基于不同 实验和量测 方法所 得到 的韧性 指标 ， 最多 可相差 2 0 0 以上 ， 现有的表征纤维混凝土韧性的指标强烈 地依赖于上述因素 引。 文献 4 1 综合分析了国内外几种常用的评价 钢纤维混凝土韧性指数的定义及其计算方法， 如美 国材料与试验协会 ( A S T M) C 1 0 1 8( 韧性指数法 ) 、 日本土木工程协会标准 J S C E G 5 5 2 、 中国工程建设 标准协会标准 C E C S 1 3 ： 8 9等。其 中 C E C S 1 3 ： 8 9韧 性指数和 A S T M C 1 0 1 8方法是能量比值方法， 采用 了多特征点的变形 能与初裂挠度变形能之 比， 能反 映钢纤维混凝土的实际工作状态 ， 可以在较大 的变 形范围内评价材料 的增韧效果 ， 受试件形状、 尺寸的 影响较小 ， 但是与钢纤维混凝土的初裂挠度有关 ， 因 而确定初裂点位置的准确性直接影响韧性指数计算 的准确程度及韧性的准确评价。 文献 1 8 通过 9 0根不同钢纤维掺量的梁弯曲 破坏实验， 提 出用素 R P C 2 0 0峰值变形作 为初始参 考变 形 来 计 算 R P C 2 0 0韧 性。针对 P一 和 P C MO D响应 分 别 定 义 了 韧 性 指 标 ) ( n) 和 F ( ) ， 该指标以理想弹塑性材料的韧性水平 2 ( 凡一1 ) 为基准 ( 为计算韧性时所取 的素 R P C峰 值挠度的倍数) ， 表述了不同变形方式下相比理想 弹塑性材料 R P C的韧性水平。文献 5 研究 了 R P C 的断裂韧性， 当钢纤维体积掺量为 2 时 ， 4 0 0 m m x 5 0 mm1 0 0 m m试件 7 4 0 m m x 5 0 mm X 2 0 0 I T l n 试件间的韧性指数下降幅度最大， 尺寸效应现象最 明显 ， 得出 R P C 2 0 0韧性指数与试件尺寸 间关系 ： Y：一1 4 6 X e x p ( d 1 5 2 0 3 )+ 4 4 4 3 4 ( 7 ) 式 中d为试件的跨度。 3 结 论 作为超高强度高性能混凝土的一种， R P C的性 能和应用受到了人们的广泛关注 ， 但 R P C尺寸效应 的研究 尚刚刚起步 ， 很多方 面还需进一步探讨。本 文简要评述了国内外高强混凝土以及 R P C尺寸效 应的研究成果 ， 得到了以下主要结论。 ( 1 ) R P C立方体试件抗压强度的尺寸效应 比普 通混凝土更加显著， 但普遍认为， 掺人钢纤维后， 尺 寸效应现象变得不明显。作为准脆性材料， 混凝土 破坏 过 程是 其裂 缝 的产 生、 扩 展 和失稳 的过 程。 R P C中掺入纤维后， 纤维能够抑制裂纹的发展， 从 而影响宏观的尺寸效应。国内现有的研究绝大多数 仅局限于讨论尺寸换算系数， 没有深人探究混凝土 的断裂过程、 强度与脆性的关系。 ( 2 ) 高强混凝土的抗拉尺寸效应大于普通混凝 土 ， 但是在高强混凝土中掺入钢纤维后 ， 抗拉尺寸效 应变得和普通混凝土的尺寸效应接近。抗剪强度的 尺寸效应规律 ， 可以认为与抗拉强度的尺 寸效应规 律相同。 ( 3 ) R P C梁掺人钢纤维后强度、 韧性提高很大， 同时 ， 存在明显的尺寸效应现象 ， 但 当前对于初裂强 度 、 断裂能、 断裂韧性 的尺寸效应评价 ， 还没有统一 的测试方法和表征指标。在混凝 土断裂力学分析 中， 必须考虑断裂过程区的影响 ， 虚拟裂缝 的发展影 响宏观的尺寸效应 。 总之， 研究和评价 R P C的尺寸效应 ， 认识不 同 变形条件下 R P C尺寸效应的作用机理， 对于发挥 R P C优越的物理力学性能、 拓展 R P C的工程应用， 具有重要的科学意义 。 参 考 文 献 ： 1 D u g a t J ， R o u x N， B e m i e r G M e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f r e a c t i v e p o w d e r c o n c r e t e s J M a t e r S t ree t ， 1 9 9 6 ， 2 9 ( 1 8 8 ) ： 2 3 3 - 2 3 9 2 R i c h a r d P， C h e y r e z y M C o m p o s i t i o n o f rea c t i v e p o w d e r c o n c ret e s J C e m C o n c re t e R e s ， 1 9 9 5 ， 2 5 ( 7 ) ： 1 5 0 1 1 5 1 1 3 R i c h a r d P ， C h e y r e z y M R e a c t i v e p o w d e r c o n c re t e w i t h h i g h d u e fi l i t y a n d 2 0 0 8 0 0 M P a c o m p re s s i v e s t re n g t h J A C I S P ， 1 9 9 4 ， 1 4 4 ： 5 0 7 - 51 8 4 S h u n s u k e S u g a n o ， H i d e k i K i m u r a a n d K a z u v o s h i S h i r a i S t u d y o f Ne w RC S t r u c t u r e s Us i n g Ul t r a Hi g h S tr e n g t h F i b e r - Re i n f o r c e d C o n c ret e ( U F C) 一T h e C h a l l e n g e o f A p p l y i n g 2 0 0 M P a U F C t o E a r th q u a k e R e s i s t ant B u i l d i n g S t ru c t u re s J J o u rn a l of A d v anc e d C o n c ret e T e c h n o l o g y ， 2 0 0 7 ， 5 ( 3 ) ： 1 - 4 5 叶光莉 R P C 2 0 0弯曲断裂性能的尺寸效应研究 D 北京 ： 中 国矿业大学 ， 2 0 0 7 6 张立军， 安明吉， 等 活性粉末混凝土及其工程应用 J 世界 科技研究与发展 ， 2 0 0 5 ， T ( 6 ) ： 4 9 - 5 2 7 K a r i h a l o o B L ， A b d al l a H M， X i a o Q Z S i z e e ff e c t i n c o n c re t e b e a m s J E n g i n e e r i n g F m c m re M ec h a n i c s ， 2 0 0 3 ， 7 0 ( 7 ) ： 9 7 9 9 9 3 8 M o t a z M E l f a h al， K r a u t h amm e r T D y n a m i c S i z e E ff ect i n N o r m a1 2 0 1 0N o 3 冯磊， 等 ： 高强与活性粉末混凝土尺寸效应的分析 1 9 7 a n d Hj s h S t r e n g t h C o n c r e t e C y l i n d e r s J A C I Ma t e ri a l s J o u r n al， 2 0 0 5， 1 0 2 ( 2 ) ： 7 7 - 8 5 9 C a r p i n t e fi A， P u z z i S T h e f r a e t al s t a t i s t i c a l a p p r o a c h t o t h e s i z e s c a l e e ff e c t s o n m a t e ri al s t r e n g t h a n d t o u g h h e S S J P r o b a b i l