混凝土強度尺寸效應(yīng)綜述

魯猛 王昊 劉澤鵬 席君毅

摘 要：混凝土強度尺寸效應(yīng)是當(dāng)前混凝土在大型結(jié)構(gòu)應(yīng)用時亟待解決的問題之一。本文介紹混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度、耐久性以及斷裂性能隨試樣高度、直徑、形狀變化的規(guī)律，并對有關(guān)混凝土強度尺寸效應(yīng)研究的進一步發(fā)展提出相關(guān)建議。

關(guān)鍵詞：混凝土;尺寸效應(yīng);抗壓強度;劈裂抗拉強度

中圖分類號：TU528 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）18-0095-03

Abstract： The size effect of concrete strength is one of the urgent problems to be solved when concrete is applied in large-scale structures. This paper introduces the variation of compressive strength， splitting tensile strength， durability and fracture properties of concrete with the height， diameter and shape of samples. Finally， some suggestions are put forward for the further development of the review on the size effect of concrete strength.

Keywords： concrete;size effect;compressive strength;splitting tensile strength

混凝土尺寸效應(yīng)是指混凝土性能隨其幾何尺寸的變化而變化。混凝土強度尺寸效應(yīng)問題是當(dāng)下混凝土應(yīng)用時面臨的主要問題。早在15世紀，VINCI就發(fā)現(xiàn)了混凝土尺寸效應(yīng)問題。混凝土的實際強度、承載能力以及耐久性往往隨著混凝土試樣尺寸的變化而變化，因此對混凝土尺寸效應(yīng)的研究在當(dāng)今混凝土性能研究中占據(jù)了重要地位。在建筑、水利、橋梁等實際工程中，使用的混凝土實際結(jié)構(gòu)的尺寸相較于實驗室尺寸往往要大得多。在實驗室中通過小尺寸試樣試驗得到的數(shù)據(jù)結(jié)論不能準確反映實際工程中結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，故混凝土的尺寸效應(yīng)問題成為當(dāng)下學(xué)者亟待解決的難題。

1 混凝土抗壓強度尺寸效應(yīng)

抗壓強度是混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計時最基本、最重要的材料性能。然而，在其他因素相同時，不同尺寸、不同形狀的混凝土試樣在受力破壞時通常表現(xiàn)出不同的抗壓強度。

YANG等人分別對不同尺寸的圓柱體、立方體和棱柱體試樣進行了抗壓強度試驗。結(jié)果表明，試樣尺寸、形狀以及受荷時試樣放置的方向都會影響混凝土試樣的抗壓強度[1]。

RAO等人分別對普通混凝土試樣和玻璃纖維增強混凝土試樣進行抗壓強度試驗，試樣分別為100 mm×100 mm×100 mm、150 mm×150 mm×150 mm的立方體，100 mm×100 mm、100 mm×200 mm、100 mm×300 mm、100 mm×400 mm、150 mm×150 mm、150 mm×300 mm、150 mm×450 mm、100 mm×600 mm的圓柱體，100 mm×100 mm×200 mm、100 mm×100 mm×300 mm、100 mm×100 mm×400 mm、100 mm×100 mm×500 mm、150 mm×150 mm×300 mm、150 mm×150 mm×450 mm的棱柱體[2]。對比分析不同尺寸的圓柱體、立方體和棱柱體的試驗數(shù)據(jù)，結(jié)果表明：①兩種尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體混凝土試樣抗壓強度都高于150 mm×150 mm×150 mm的立方體試樣;②當(dāng)試樣高徑比相同時，直徑為100 mm的圓柱體和底邊長為100 mm的棱柱體試樣抗壓強度高于直徑和底邊長均為150 mm的試樣;③混凝土試樣的抗壓強度隨高徑比的增加而導(dǎo)致的總體下降非常明顯，但與直徑為100 mm的圓柱體試樣相比，底部寬度為100 mm的棱柱體試樣抗壓強度下降幅度更大;④直徑為150 mm的立方體試樣和底部寬度為150 mm的棱柱體試樣相比，立方體試樣的抗壓強度更高。

大量學(xué)者的試驗研究結(jié)果表明：多種混凝土類型都表現(xiàn)出明顯的尺寸效應(yīng)，但混凝土種類、齡期、強度以及養(yǎng)護條件的不同都會影響不同尺寸混凝土試樣抗壓強度的變化幅度。

2 混凝土劈裂抗拉強度尺寸效應(yīng)

混凝土的拉伸試驗操作較為困難，一般通過劈裂抗拉試驗結(jié)果來衡量混凝土的抗拉性能。ZHOU等人分別研究了試樣尺寸對普通骨料（碎石灰石）高強度混凝土和輕質(zhì)骨料（燒結(jié)粉煤灰）高強度混凝土劈裂拉伸強度的影響。結(jié)果表明，普通骨料（碎石灰石）高強度混凝土和輕質(zhì)骨料（燒結(jié)粉煤灰）高強度混凝土劈裂抗拉強度都存在明顯的尺寸效應(yīng)，但輕質(zhì)骨料（燒結(jié)粉煤灰）高強度混凝土的尺寸效應(yīng)相較于普通骨料（碎石灰石）高強度混凝土更加顯著[3]。KANOS共對82個混凝土圓柱試樣進行單軸壓縮和間接拉伸試驗，結(jié)果與ZHOU的結(jié)論相符，即不同尺寸混凝土試樣的劈裂抗拉強度都存在尺寸效應(yīng)[4]。

2.1 試樣直徑對混凝土劈裂抗拉強度的影響

國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對直徑與混凝土劈裂抗拉強度關(guān)系進行了大量試驗及理論分析，但不同學(xué)者使用的試驗?zāi)Ｐ秃腿〉玫脑囼灲Y(jié)果均有不同。BAZANT和HASEGAWA的試驗結(jié)果均表明，劈裂強度隨試樣直徑的增大先減小后增大[5-6]。而ZHOU等人對不同邊長的混凝土棱柱體試樣進行了試驗，結(jié)果卻表明混凝土劈裂強度隨試樣直徑的增大而增大[3]，與BAZANT和HASEGAWA兩位學(xué)者的結(jié)論不一致。可見，試樣直徑對劈裂抗拉強度的影響尚需要大量的試驗研究來驗證。

2.2 試樣高度對混凝土劈裂抗拉強度的影響

OSIDZE等人的試驗結(jié)果表明，圓柱體試樣的高度對混凝土劈裂抗拉強度的影響較小[7]。HASEGAWA[6]和CHEN[8]的試驗結(jié)果均表明，圓柱體試樣的高度對混凝土劈裂抗拉強度沒有影響[6，8]。張楠的研究結(jié)果表明，劈裂抗拉強度與圓柱體試樣的直徑、高度均有關(guān)系，并隨著直徑或高度的增大而減小[9]。以上試驗大多數(shù)由外國學(xué)者完成且時間較為久遠，結(jié)論不一致。可見，試樣高度對劈裂抗拉強度的影響尚需要大量的試驗研究來驗證。我國對試樣高度與劈裂抗拉強度關(guān)系研究較少，國內(nèi)外學(xué)者對棱柱體試樣高度與劈裂抗拉強度關(guān)系的研究亦較少，今后的試驗研究可以偏向這一方面。

2.3 墊條對混凝土劈裂抗拉強度的影響

ROCCO等人分別對不同尺寸的圓柱體混凝土試樣和立方體混凝土試樣進行了巴西劈裂試驗，并根據(jù)試驗結(jié)果對比分析了試樣尺寸和墊條相對寬度對混凝土劈裂抗拉強度的影響[10]。結(jié)果表明，當(dāng)墊條尺寸相同時，混凝土劈裂抗拉強度取決于試樣的大小。隨著尺寸的增大，它接近混凝土軸心抗拉強度設(shè)計值。墊條相對寬度對混凝土劈裂抗拉強度的影響較為顯著，隨著墊條相對寬度的減小，混凝土劈裂抗拉強度尺寸效應(yīng)將減小。當(dāng)墊條相對寬度低于4%時，墊條相對寬度對混凝土劈裂抗拉強度的影響幾乎可以忽略。TANG的研究亦證明，當(dāng)墊條相對寬度固定時，不同尺寸試樣的混凝土劈裂抗拉強度尺寸效應(yīng)可以被消除[11]。這一結(jié)論在混凝土劈裂抗拉強度試驗中已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。

3 混凝土耐久性與斷裂性能的尺寸效應(yīng)

武漢大學(xué)韓唯偉等人對高強度等級混凝土進行了抗?jié)B性和抗凍性試驗。結(jié)果表明，高強混凝土耐久性同普通混凝土一樣，也具有顯著的尺寸效應(yīng)，即隨著試樣尺寸的增大，混凝土試樣的抗?jié)B性和抗凍性大大降低[12]。

張東等人認為，尺寸效應(yīng)的產(chǎn)生是由對荷載-位移曲線尾部的不當(dāng)處理引起的，與試樣的尺寸無關(guān)。但這一觀點近年來沒有新的試驗進行驗證[13]。

另一種觀點已經(jīng)被海內(nèi)外學(xué)者的大量研究所證實，即實驗室測定的小尺寸試樣斷裂參數(shù)存在尺寸效應(yīng)，當(dāng)試樣尺寸大于某一數(shù)值時就不再存在尺寸效應(yīng)。2014年和2015年，管俊峰等人的試驗結(jié)論亦驗證了小尺寸試樣存在斷裂參數(shù)尺寸效應(yīng)的結(jié)論[14-15]。

4 結(jié)論與展望

混凝土試樣在混凝土強度、韌度、耐久性以及斷裂性能等方面均具有明顯的尺寸效應(yīng)，國內(nèi)外學(xué)者對此進行了大量試驗和理論研究，但是對混凝土尺寸效應(yīng)還有諸多問題需要進一步深入研究。

①國內(nèi)外針對試樣高度對混凝土劈裂抗拉強度影響的研究相對較少且不夠深入，目前尚無定論。

②海內(nèi)外學(xué)者的試驗大多采用小尺寸試樣，而大尺寸混凝土試樣的檢測方法和技術(shù)相對落后，是今后的一個研究方向。

③混凝土試驗規(guī)程并沒有統(tǒng)一的國際標準，因此海內(nèi)外不同學(xué)者的試驗結(jié)果往往大不相同，需要研究制定一套完善的國際通用試驗規(guī)程。

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