混凝土受压与受拉性能的尺寸效应研究

2014-03-13张志军王晓芳乔建军白茜

商品混凝土 2014年7期

关键词：单轴骨料力学性能

张志军，王晓芳，乔建军，白茜

（ 1.延安市昌威商品混凝土有限公司，陕西延安 716000；2.乌兰察布市建设工程质量检测中心，内蒙古 012000；3.内蒙古建设工程质量检测中心，内蒙古 010020）

混凝土受压与受拉性能的尺寸效应研究

张志军1，王晓芳2，乔建军3，白茜3

混凝土的几何尺寸会直接影响到其力学性能，而通过研究不同混凝土几何尺寸对其力学性能的不同影响成为了相关研究人员面临的重要问题。本文通过对混凝土在受压与受拉方面的力学性能研究的介绍，向大家阐释尺寸效应对混凝土性能的影响。

混凝土；尺寸效应；抗压强度；抗拉强度

0 引言

混凝土作为一种材料，被广泛应用于水利工程与土木建筑方面。混凝土具有造价低、可浇筑性好、耐火、耐久等优点。混凝土的配筋状况、强度等级、配合比、骨料组分等都对其力学性能有深刻影响。

1 尺寸效应基础理论

固体力学中，现有的对尺寸效应的研究主要包括三种基础理论：（1）Carpinteri 尺寸效应理论，即以裂纹分形特征为基础的尺寸效应理论；（2）Bazant 尺寸效应理论，即以能量释放准则为基础的尺寸效应理论；（3）Weibull 尺寸效应理论，统计尺寸效应理论[1]。

2 混凝土力学尺寸效应与力学性能分析

2.1 抗压强度尺寸效应

在众多研究基础上，研究者 Sabnis 总结出了不同龄期、不同养护方式和不同混凝土种类的抗压强度尺寸效应公式：

其中：

h ——试件高度，mm；

d——试件边长，mm；

V——试件体积，mm3；

P0——为标准试件的抗压强度，MPa。

2.2 抗拉强度尺寸效应

通过对《水工混凝土试验规程》的参考[2]，研究者提出了劈裂抗拉强度尺寸效应率：

其中：

A——劈裂面积，mm3；

ƒts,150——标准试件的劈裂抗拉强度，MPa；

ƒts——为任意尺寸试件的劈裂抗拉强度，MPa。

2.3 混凝土力学性能的层次研究方法

作为现代科学研究中的重要科研方法和思维方式，层次研究方法指的是，在某一层问题得不到解决时，对下一层次问题进行深入研究就能够将问题解决，且只有在进一层问题中才能够深入问题机理[3]。在对混凝土材料的研究时，也可将其分为微观、细观和宏观等层次。

2.4 混凝土力学性能分析的研究现状

现阶段，对混凝土材料的研究主要具有四个层次：宏观、细观、微观、纳观层次。

宏观：此层次也可称为工程结构层次。混凝土材料具有很强的特征尺寸，为 3～4 倍的最大骨料粒径。一般情况下，在混凝土构件尺寸比特征尺寸大时，假定材料为均质的；在混凝土构件尺寸比特征尺寸小时，假定材料为非均质的。

细观：即组构层次。通常情况下，在此层次，认为混凝土是硬化水泥砂浆基体、骨料及其过渡区结合成的三相非均质复合材料。

微观：一般认为在这一层次中，硬化水泥砂浆基体为非均质，是由其中大量尺寸在微米量级的微孔洞造成的。

纳观：这一层次是以纳米量级来计算毛细孔的尺寸的，水泥浆体中含有随机的以毛细孔、氢氧化钙晶体、水化硅酸钙和熟料颗粒组合成的复合材料。

3 混凝土力学性能尺寸效应分析

在分析和计算大型工程建构时，必须对所使用材料的力学性能参数了解通透、准确，以确保工程结构的安全、可靠。

材料具有高度的性能和组成上的复杂性，而混凝土材料基本上都需要通过试验来获取参数，测试精度、加载条件、试验场地等都会影响到试验的研究结果。大部分情况下，工程材料的真实特性通过缩尺模型是测试不出来的[4]。而使用以计算机为基础建立的数值分析法，以Carpinteri和Bazant尺寸效应率为依据，则能够较好地完成对混凝土尺寸效应的研究。

3.1 立方体抗压强度尺寸效应

3.1.1 计算试件骨料颗粒数量

在分析研究结果时，应注意对收集和计算出的结果依据混凝土构件性质进行编号，编号所使用的字母或数值应包括以下几类参数：构件尺寸、混凝土强度等级等[5]。在使用数字分析法分析混凝土小尺寸构件时，以 20mm 连续级为其使用的最大粒径，配粗骨料有利于数值分析。以大、中、小三个等级将粗骨料离散分类，并对不同强度等级的骨料颗粒数在构件中的比例进行计算。

3.1.2 约束条件的影响

对混凝土构件端部约束的不同将会对混凝土立方体抗压性能产生影响，在对此进行研究时，应对约束的条件进行分类，包括两端受到一定摩擦力的约束、两端均自由以及两端均固定等条件[6]。

3.1.3 对立方体抗压强度尺寸效应的分析

混凝土立方体几何尺寸的上升会使其抗压强度减小，且减小的程度会因几何尺寸的上升而降低。

混凝土立方体的抗压强度越高，则混凝土的脆性越大，随之会增加立方体抗压强度的尺寸效应。

3.1.4 混凝土立方体抗压强度尺寸效应率

混凝土立方体抗压强度尺寸效应率为：

其中：

b——试件的截面宽度，mm；

b100——为边长是100mm 的构件截面宽度，mm；

a1，a2——材料常数；

ƒcu——预测试件的抗压强度，MPa；

ƒcu,100——是边长为 100mm 试件的抗压强度，MPa。

3.2 单轴受压性能的尺寸效应

在对棱柱体混凝土试件进行试验时，对其编号的号码中应包括：试件尺寸与混凝土强度等级。混凝土单轴受压棱柱体试件与立方体试件使用的粗骨料的骨料级与最大粒径都是相同的。对混凝土单轴受压性能的分析为：

（1）混凝土单轴试件的几何尺寸上升，则其受压峰值应力下降，且降幅越来越小。

（2）混凝土的脆性随着其强度等级的增加而变大，且提升单轴受压峰值饮料的尺寸效应。

混凝土单轴受压峰值应力尺寸效应率为：

其中：

b——试件的截面宽度,mm；

b50——为边长是 50mm 的构件截面宽度，mm；

a1，a2——材料常数；

ƒc——预测试件的轴心抗压强度，MPa；

ƒc,100——短边长为 100mm 试件的轴心抗压强度，MPa。

3.3 弯拉强度尺寸效应

在对试件进行编号时，编号需包括的信息有：试件的尺寸和强度等级。混凝土的弯拉破坏属于脆性破坏，其内在的低强度单元直接影响到弯拉强度。对混凝土弯拉强度的分析为：

（1）随着试件几何尺寸的上升，混凝土弯拉强度会减小，且减小的幅度逐渐下降。

（2）混凝土的脆性会因其强度等级的上升而增加，且其弯拉强度的尺寸效应也会上涨。

混凝土弯拉强度的尺寸效应率为：

其中：

b——试件的截面宽度，mm；

b50——为边长是 50mm 的构件截面宽度，mm；

a1，a2——材料常数；

ƒts——预测试件的弯拉强度，MPa；

ƒts,100——短边长为 100mm 试件的弯拉强度，MPa。

3.4 单轴受压性能尺寸效应中钢筋的作用

已经钢筋的有限元模型的处理方式不同，可将其分为：组合式模型、分离式模型、整体式模型[7]。

与混凝土试件相比，钢筋混凝土的单轴受压性能要强得多，主要是因为混凝土中的钢筋对其应力分布产生了影响，分布的更加均匀了。其尺寸效应规律为：（1）随着试件几何尺寸的增加，钢筋混凝土单轴受压峰值应力降低，且减低幅度逐渐下降。（2）钢筋混凝土单轴受压峰值应力随着强度等级的上升，其尺寸效应提高。（3）对混凝土尺寸效应来讲，其配筋率对它的影响很小。

钢筋混凝土单轴受压峰值应力尺寸效应率为：