普通混凝土劈裂抗拉尺寸效應試驗研究

葉 生

（安徽交通職業(yè)技術學院 安徽 合肥 230051）

0.引言

混凝土由于其獨特的優(yōu)勢，被廣泛應用于建筑土木領域，同時其相關領域研究被國內(nèi)外學者大量研究，隨著社會發(fā)展，對于高聳與復雜的混凝土結構需求逐步成為不容忽視的方面，對于該類型混凝土結構一般需要進行方案前期論證，一般采用縮比例模型或有限元模擬計算兩種方式，其中縮比例尺模型試驗研究更為符合實際工程研究要求，然而混凝土力學性能受尺寸效應具有明顯影響，因此對混凝土尺寸效應的研究具有重要意義[1-3]。

目前對于混凝土尺寸效應的研究，Wittmann[4]從混凝土材料的微觀角度、細觀角度和宏觀角度三個層次方面進行研究；李家康[5]對多種強度混凝土抗壓強度尺寸效應進行研究；冷發(fā)光[6]對C70 高強混凝土抗壓強度尺寸效應進行研究，結果表明高強混凝土受尺寸效應影響更為明顯；錢覺時[7]對不同截面尺寸混凝土彎拉作用下的尺寸效應進行研究；章文綱[8]對鋼纖維混凝土剪切尺寸效應進行研究。混凝土具有抗壓能力強和抗拉能力較弱的特點，對于混凝土抗拉尺寸效應的研究具有重要意義，然而對于混凝土抗拉強度尺寸效應的研究尚不系統(tǒng)。因此有必要系統(tǒng)的對混凝土抗拉強度尺寸效應進行研究。

本文設計三種強度等級普通混凝土，考慮三種不同立方體尺寸，應用液壓伺服機和劈裂抗拉裝置對混凝土劈裂抗拉加載方式尺寸效應進行研究，通過試驗得到不同加載工況混凝土破壞形態(tài)和劈裂抗拉強度特征值，從定性和定量角度分析尺寸效應對混凝土劈裂抗拉加載方式下的力學性能影響。

1.試驗方案

1.1 試件設計

本文設計三種不同強度等級混凝土分別為C30、C40 和C50，根據(jù)《普通混凝土配合比設計規(guī)程》(JGJ55-2011)確定不同強度等級普通混凝土配合比，其中原材料水泥采用普通硅酸鹽水泥P.O 42.5，細骨料采用細度模數(shù)為2.4，表觀密度2700kg/m3的天然河砂，粗骨料采用粒徑5～20mm 的天然碎石骨料，不同強度等級的混凝土配合比如表1所示。

表1 不同強度等級的混凝土配合比(單位：kg/m3)

根據(jù)上述配合比要求，配制三種不同強度等級混凝土拌合物，依次將上述原料倒入攪拌機中進行充分攪拌，待攪拌均勻后倒入試模中，放置在振動臺振動密實，24 小時后脫模，放置在標準養(yǎng)護環(huán)境中進行養(yǎng)護28 天，隨后開始試驗。

1.2 加載方案

本文主要對普通混凝土劈拉荷載作用下的尺寸效應研究，考慮三種不同強度等級和三種不同尺寸，混凝土采用立方體尺寸試件，三種立方體邊長尺寸分別為70mm、100mm 和150mm，應用如圖1所示液壓伺服機和劈裂裝置進行相關試驗，該設備裝備獨立的荷載傳感器，其測量精度要求能夠滿足試驗需求。

圖1 試驗加載裝置

試驗加載采用力和位移混合控制加載方式，首先將混凝土試塊放置在劈裂裝置上，應用液壓伺服機對劈裂裝置進行相應加載，將荷載作用傳遞在混凝土試塊上，采用力控制加載方式，加載卸載循環(huán)三次(0～10KN)，消除試件和加載裝置之間的間隙。正式加載是采用位移控制的加載方式，其加載的速率為0.5mm/min，待試塊破壞后，隨后停止加載，記錄最大劈裂抗拉荷載值作為分析特征值，每種工況設計三個試件，取均值分析。

2.試驗結果分析

2.1 破壞形態(tài)

根據(jù)上述試驗加載方案可得到不同截面尺寸混凝土劈裂破壞形態(tài)，通過對混凝土劈裂抗拉破壞形態(tài)分析，可從宏觀角度分析尺寸效應對混凝土劈裂抗拉加載方式下的力學性能影響，考慮文章篇幅，選取強度為C50 混凝土，尺寸為100mm×100mm×100mm 作為分析對象，如圖2所示。

圖2 混凝土劈裂破壞形態(tài)

混凝土在劈裂荷載作用下，在混凝土試件的劈裂方向形成一條筆直的裂縫，其破壞機理在于在劈裂荷載作用的垂直方向形成拉應變，當拉應變達到混凝土極限拉應變時，試件發(fā)生斷裂破壞形態(tài)，如圖2(a)所示。在試件側面形成較為曲折的斷裂線，如圖2(b)所示，這主要和混凝土特性有關，因為混凝土屬于多相復合型材料。對于不同強度等級和不同立方體尺寸普通混凝土試件均表現(xiàn)出如圖2所示破壞形態(tài)，說明混凝土尺寸效應對劈裂抗拉破壞形態(tài)沒有影響。

2.2 強度特征值

根據(jù)上述試驗的方案，得到三種不同強度等級的普通混凝土分別為三種不同試件尺寸時，試件的劈裂抗拉荷載值，應用《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB50081-2002)規(guī)定的相關計算公式，將劈裂抗拉荷載值轉化為劈裂抗拉強度，針對混凝土劈裂抗拉強度特征值進行分析，如公式1所示。不同強度等級和尺寸混凝土劈裂抗拉特征值如表2所示。

式中，ft為混凝土劈裂抗強度，單位：MPa，F(xiàn) 為混凝土劈裂抗拉荷載最大值，單位：KN，A 為混凝土劈裂破壞截面面積，單位 ：mm2。

表2 不同強度等級和尺寸混凝土劈裂抗拉特征值

由上述試驗研究數(shù)據(jù)，得到不同強度等級混凝土尺寸效應對強度特征值影響，如圖3所示。從定量的角度分析不同強度等級時，混凝土尺寸效應對其劈裂抗拉強度和劈裂抗拉強度降低百分幅度的影響。

圖3 不同強度等級混凝土尺寸效應對強度特征值影響

如圖3所示，隨著抗壓強度設計值的提高，混凝土劈裂抗拉強度也逐步提高。當立方體尺寸由 70mm×70mm×70mm提高至150mm×150mm×150mm，強度C30 普通混凝土，其劈裂抗拉強度由2.35MPa 降低至1.69MPa，劈裂抗拉強度降低了28.09%；強度C40 普通混凝土，其劈裂抗拉強度由3.02MPa 降低至2.12MPa，劈裂抗拉強度降低了29.80%；強度C50 普通混凝土，其劈裂抗拉強度由4.21MPa 降低至3.08MPa，劈裂抗拉強度降低了26.84%。三種強度等級混凝土(C30、C40 和C50)受尺寸效應影響劈裂抗拉強度分別降低了0.66MPa、0.90 MPa 和1.13 MPa。由此可知三種不同強度等級混凝土劈裂抗拉強度受尺寸效應具有明顯影響，隨著尺寸的提高，混凝土劈裂抗拉強度逐步降低，三種混凝土劈裂抗拉強度降低幅度范圍基本相同；隨著混凝土強度等級的提高，劈裂抗拉強度降低值逐步提高，其中C50 混凝土劈裂抗拉強度降低幅值最高為1.13MPa。

2.3 尺寸效應律

對于混凝土力學性能尺寸效應的研究，Bazant[9]基于尺寸效應律提出了相應的定量研究方法，如公式(2)所示，相關文獻[10]對于混凝土抗壓強度尺寸效應的研究多采用該表達形式。

式中：σN普通混凝土名義受壓強度值，σ∞普通混凝土試件尺寸無限大時受壓強度值，Db普通混凝土尺寸系數(shù)，D 普通混凝土試件相關尺寸數(shù)據(jù)，σ∞和Db尺寸效應律方程系數(shù)。

根據(jù)公式(2)提出如公式(3)所示普通混凝土劈裂抗拉強度尺寸效應律計算公式，應用邊長尺寸為70mm 試件劈裂抗拉強度進行無量綱化處理得到如公式(4)所示普通混凝土劈裂抗拉強度統(tǒng)一尺寸效應律方程。

由于不同強度等級混凝土劈裂抗拉強度降低幅度受尺寸效應影響變化幅度相類似，故不考慮混凝土強度等級，提出相應的統(tǒng)一尺寸效應律方程，應用本文試驗數(shù)據(jù)進行相應的數(shù)學回歸分析，得到如圖4 和公式(5)統(tǒng)一尺寸效應方程。

圖4 混凝土劈裂抗拉尺寸效應律

根據(jù)圖4 和公式(5)所示，應用尺寸效應律提出不同強度等級普通混凝土劈裂抗拉強度尺寸效應律計算方程能較好的描述尺寸效應對混凝土劈裂抗拉力學性能的影響。

3.結論

根據(jù)三種不同強度等級和三種不同立方體尺寸混凝土劈裂抗拉破壞形態(tài)和強度值進行對比分析，研究尺寸效應對劈裂抗拉力學性能影響，主要得到以下結論：

(1)尺寸效應對不同強度等級混凝土劈裂抗拉破壞形態(tài)沒有影響，不同強度等級和不同尺寸混凝土試件破壞形態(tài)基本相同，均發(fā)生劈斷破壞形態(tài)，其破壞機理也均相同。

(2)相同強度等級混凝土，隨著尺寸邊長的提高，混凝土劈裂抗拉強度逐步降低，尺寸效應對混凝土劈裂抗拉強度具有明顯影響；強度等級較高混凝土，其劈裂抗拉強度受尺寸效應影響強度變化幅值較高；尺寸效應對不同強度等級混凝土劈裂抗拉強度降低百分率影響較小，基本可忽略。

(3)基于尺寸效應律計算方程，提出了不同強度等級普通混凝土尺寸效應律計算方程，所得到的方程能夠較好的定量描述尺寸效應對混凝土劈裂抗拉強度的影響。