谢胜涛 申粘红 韩双双 吴 晨

(防灾科技学院，河北 三河 065201)



混凝土立方体劈拉强度尺寸效应试验研究★

谢胜涛 申粘红 韩双双 吴 晨

(防灾科技学院，河北 三河 065201)

为研究混凝土立方体劈裂抗拉强度尺寸效应现象，开展了不同强度等级边长的立方体试块劈裂抗拉试验，揭示了混凝土立方体劈裂抗拉强度尺寸规律，研究结果表明：不同强度等级下混凝土立方体劈裂抗拉强度均存在尺寸效应现象，强度等级越高，劈裂抗拉强度尺寸效应越显著。

混凝土，劈裂抗拉强度，尺寸效应，强度等级

0 引言

混凝土材料是土木工程中最常用的建筑材料，由于原材料来源广泛、价格低廉、耐久性优良、便于施工、能适应各种不同的用途和使用环境等诸多优点，在工程结构中得到广泛应用。随着材料科学的发展，混凝土构件尺寸越来越大，力学性能也随之改变。但大尺寸混凝土结构设计依据和参考的仍是基于小尺寸结构研究成果建立起来的设计理论和方法，缺乏科学性和合理性，也难以保证其可靠性。因此应深入开展混凝土材料强度尺寸效应研究。

混凝土强度破坏实验是当前混凝土尺寸效应研究的最基本方法。在实验研究方面，国内外学者主要集中在三个方面：抗压强度的尺寸效应、抗拉强度的尺寸效应和抗弯强度的尺寸效应。抗拉强度是混凝土的基本力学参数之一，是判断结构开裂、发生脆性破坏的重要指标。由于采用直接拉伸试验较困难，试验数据离散性较大，因此大多采用劈裂抗拉试验间接测定混凝土的抗拉强度。

惠弘毅等[1]开展了强度等级C15，C20，C30混凝土强度的抗压尺寸效应试验，试验结果表明，混凝土的立方体抗压强度和劈裂抗拉强度均存在尺寸效应，随着强度等级增大，尺寸效应显著性逐渐增大；抗拉尺寸效应大于抗压尺寸效应。刘增晨等[2]开展了C60，C80，C100三种高强混凝土的立方体抗压强度和劈裂抗拉强度的尺寸效应试验，结果表明,混凝土强度越高,其脆性越大,混凝土的尺寸效应越明显。高强混凝土的强度随着立方体试件尺寸的增大而降低;但降低的幅度随试件尺寸的增大而显著减小,即尺寸效应曲线趋于平缓。周红[3]开展了强度等级C40，边长150 mm～ 750 mm立方体劈裂抗拉强度试验，结果显示边长尺寸达到350 mm时，劈裂抗拉强度达到临界值，后随试件尺寸增加略有提高。而Zhou等[4]的研究认为劈裂抗拉强度随着试件尺寸的增大而略有提高。

这些研究主要体现同一强度等级混凝土的劈裂抗拉强度尺寸效应试验的研究，单纯高强度或低强度混凝土的劈裂抗拉强度尺寸效应试验的研究，而对于常用的普通混凝土强度等级，即C20～C60范围内的混凝土的劈裂抗拉强度尺寸效应试验的研究还不够深入，因此本文开展了混凝土等级C20，C40，C60，边长150 mm，200 mm，250 mm，33个立方体试块劈裂抗拉试验，分析混凝土强度等级对混凝土材料尺寸效应的影响规律，为混凝土工程结构的设计与理论分析提供力学参数。

1 混凝土劈裂抗拉强度尺寸效应试验

1.1 试件制作

试验采用42.5号普通硅酸盐水泥，其28 d抗压强度为48.0 MPa。细骨料为中砂，试验所用的粗骨料为碎石，骨料表观密度为2 800 kg/m3，混凝土材料拌制时的各项材料配合比如表1所示。劈裂抗拉强度试验立方体试件的最大骨料粒径是20 mm，尺寸分别为150 mm，200 mm，250 mm，每一尺寸的试件包含C20，C40和C60三个强度等级，其中边长150 mm，200 mm尺寸的试件每个强度等级各4个，250 mm尺寸的试件每个强度等级各3个。制作完成的混凝土试块如图1所示。

表1 材料配合比

1.2 加载装置

参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》[5]，劈裂抗拉强度试验采用半径为75 mm钢制弧形垫块，长度与试件尺寸相同。为防止混凝土局部压坏，可加设胶合板垫条，宽度20 mm，厚度为3 mm～4 mm，长度不小于试件。试件养护28 d后拆模，在液压式万能试验机上加载试验，加载速率控制在 0.04 MPa/s～0.06 MPa/s 之间，试验装置如图2所示。

2 试验结果分析

2.1 破坏模式分析

为分析混凝土强度等级对混凝土劈裂破坏模式的影响，对比边长150 mm试块三种混凝土强度等级下的破坏模式(见图3)。从图3可以看出，高强度等级混凝土对混凝土劈裂破坏模式具有一定的影响，由于高强度等级混凝土砂浆的强度较高，在劈裂裂缝延伸和贯通过程中，随着荷载的加大，裂缝由中间逐步向两边延伸贯通，当遇到骨料颗粒时，会受到阻碍，部分骨料被劈裂，脆性较大。对于强度等级较低的混凝土，由于骨料强度大于硬化水泥砂浆的强度，劈裂裂缝就会从薄弱界面向砂浆发育，绕过骨料颗粒，脆性相对较小。因此混凝土强度等级越高，脆性越显著。

2.2 混凝土强度等级对混凝土劈裂抗拉强度影响

表2是各组立方体试块劈裂抗拉的测试结果，包括试块的劈裂抗拉强度fts、标准差s和变异系数Cv，试件编号用CM-N的形式，C代表混凝土，M表示混凝土强度等级，N表示试件尺寸。其中立方体试件劈裂抗拉强度fts是取每组试件测定值的算术平均值。从表2可以看出，相同强度等级下试件的劈裂抗拉强度随尺寸的增大逐渐降低；相同尺寸试件的劈裂抗拉强度随混凝土等级的增大呈增大趋势。这是由于混凝土的等级越高，砂浆与骨料的粘聚力就会越大，从而增强了混凝土试块的抗拉强度，导致试件的劈裂抗拉强度增大。因此，混凝土强度等级越高，劈裂抗拉强度就越大。从表2又可以看出，变异系数小于10%，说明试验数据离散性小，试验可靠度高。

表2 混凝土劈裂抗拉强度试验结果

2.3 混凝土强度等级对劈裂抗拉强度尺寸效应影响

图4是强度等级为C20，C40，C60的混凝土劈裂抗拉强度随试件尺寸的变化规律，从图中可以看出，三种不同等级下的混凝土立方体试块劈裂抗拉强度均存在尺寸效应现象，从强度下降的斜率可以看出强度等级越高，劈裂抗拉强度尺寸效应越显著。这是由于低高强度混凝土试件在破坏过程中，由于界面过渡区的强度相对骨料颗粒较小，劈裂裂缝在遇到骨料颗粒时，在劈拉作用下，裂缝无法穿过骨料进行延伸，就会在相对薄弱的界面层进行延伸和贯通，裂缝绕过骨料颗粒，增加了裂纹扩展的曲折度，引起更多的微细裂缝，从而削弱了混凝土劈裂破坏的脆性，导致劈裂抗拉强度的降低速度较慢。高强度混凝土试件的内部均匀性提高，

砂浆和界面强度提高，劈裂在破坏过程中，劈裂裂缝不完全绕过骨料颗粒，在劈裂作用下，部分骨料会被劈裂，减少了裂纹扩展的曲折度，从而增强了混凝土破坏的脆性，导致劈裂抗拉强度的降低速度更快，尺寸效应更为显著。

3 结论

本文开展混凝土等级C20，C40，C60，边长150 mm，200 mm，250 mm，33个立方体试块劈裂抗拉试验，研究不同强度等级时混凝土立方体劈裂抗拉强度和损伤破坏机理的影响，揭示混凝土立方体劈裂抗拉强度尺寸规律。研究结论如下：

1)混凝土立方体劈裂抗拉强度受混凝土强度等级的影响，混凝土强度等级越高，劈裂抗拉强度就越大。2)本次实验尺度范围内，三种不同强度等级混凝土下混凝土立方体劈裂抗拉强度均存在尺寸效应现象，强度等级越高，劈裂抗拉强度尺寸效应越显著。

[1] 惠弘毅，李宗利，杨 华，等.不同强度等级混凝土尺寸效应试验研究[J].混凝土，2015(7):31-34.

[2] 刘增晨,蒋 利,成莞莞,等.高强混凝土抗压抗拉强度的尺寸效应[J].科学技术与工程,2015,15(30):209-213.

[3] 周 红.混凝土强度尺寸效应的试验研究[D].大连:大连理工大学,2010.

[4] Zhou F P,Balendran R V,Jeary A P.Size effect on flexural, splitting tensile, and torsional strengths of high-strength concrete[J].Cement and Concrete Research,1998,28(12):1725-1736.

[5] GB/T 50081—2002,普通混凝土力学性能试验方法标准[S].

Splitting tensile strength of concrete cube size effect★

Xie Shengtao Shen Zhanhong Han Shuangshuang Wu Chen

(InstituteofDisaster-PreventionScienceandTechnology,Sanhe065201,China)

To research the phenomenon that splitting cleavage strength of concrete cube size effect. It launches splitting tensile strength test of cube components with different strength degree and different side length, and demonstrates splitting tensile strength size and law of concrete cube. The results prove that in the difference strength, there are splitting cleavage strength of concrete cube size effect, and the higher strength grade, the phenomenon become more apparent.

concrete， splitting tensile strength， size effect， strength grade

1009-6825(2016)13-0116-02

2016-02-23★：防灾科技学院大学生创新训练项目资助(项目编号：201511775012)

谢胜涛(1995- )，男，在读本科生； 申粘红(1995- )，男，在读本科生； 韩双双(1991- )，男，在读本科生；

TU528

A

吴 晨(1994- )，男，在读本科生