梁浩，宋佳雨，刘元珍

（1.广东省建筑科学研究院集团股份有限公司，广东 广州 510500；2.太原理工大学 建筑与土木工程学院，山西 太原 030024）

0 引 言

轻质保温材料玻化微珠具有受力小变形大的特点，加入混凝土中对混凝土的力学性能有较大的影响。玻化微珠保温混凝土与普通混凝土都属于脆性材料，具有尺寸效应，即随着结构尺寸的变化，其基本力学性能也随之发生改变[1-2]。目前，关于玻化微珠保温混凝土基本力学性能尺寸效应的研究相对于普通混凝土较少，所以需要研究现有规范中关于普通混凝土的尺寸效应的论述是否适用于玻化微珠保温混凝土。为了更好地研究玻化微珠保温混凝土的基本力学性能的尺寸效应，了解试块尺寸随着强度等级的变化对混凝土基本力学性能的影响，完善相关规范，与国内外科研成果作对比，本文参考关于混凝土力学性能的相关文献和规范[3-7]，对C30、C40、C50、C60、C70五种强度等级玻化微珠保温混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度、静力受压弹性模量及抗折强度进行研究，得出强度等级的变化规律和试块尺寸对4种玻化微珠保温混凝土基本力学性能的影响。

1 试验

1.1 试验材料

玻化微珠：粒径0.5~1.5 mm，筒压强度209 kPa，24 h吸水率40%，河南信阳某公司生产；水泥：太原狮头牌42.5级普通硅酸盐水泥，比表面积340 m2/kg，28 d抗折、抗压强度分别为7.6、42.6 MPa；石子：粒径 5~20 mm，表观密度 2680 kg/m3，含泥量0.7%，压碎指标9.5%，太原某厂家；砂：Ⅱ区中砂，太原某厂家；硅灰：四川某公司产，平均粒径180 nm，比表面积14 000 m2/kg；减水剂：聚羧酸减水剂；水：自来水。

1.2 试块设计

试验设计5种强度等级的玻化微珠保温混凝土，主要配合比如表1所示，强度等级的划分参考GB 50107—2010《混凝土强度检验评定标准》。

表1 玻化微珠保温混凝土的配合比 kg/m3

制备棱柱体和圆柱体2种不同形状的玻化微珠保温混凝土试件，每组3个试件，圆柱体试块尺寸参考ASTM标准均设计为Φ150 mm×300 mm，立方体和棱柱体试块尺寸参考GB/T 50081—2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》，立方体抗压强度试块尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，棱柱体轴心抗压和劈裂抗拉强度试块尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，棱柱体静力受压弹性模量试块尺寸为150 mm×150 mm×300 mm，棱柱体抗折试块尺寸为150 mm×150 mm×400 mm。

1.3 试验方案

按照试验设计的配合比依次将玻化微珠保温混凝土的原料投入搅拌机进行机械搅拌，然后将混凝土拌合物装入相应尺寸的模具，静置24 h后编号拆模，之后送至实验室养护池中养护至28 d，参照GB/T 50081—2016测试玻化微珠保温混凝土的抗压、劈裂抗拉、抗折强度和静力受压弹性模量。

2 试验结果及分析

2.1 抗压强度

不同强度等级下各个尺寸玻化微珠保温混凝土的抗压强度见表2。

由表2可知，在相同强度等级下，保温混凝土立方体抗压强度是3种形状的保温混凝土抗压强度中最高的，圆柱体的抗压强度相对立方体较小，棱柱体的抗压强度最低。这表明由于保温混凝土试块尺寸的不同导致混凝土抗压强度有所差异，并且在相同强度等级下保温混凝土的抗压强度随着尺寸的增大而降低，即保温混凝土的抗压强度具有尺寸效应[8]。保温混凝土的尺寸效应可以从细观结构层面进行分析，保温混凝土的破坏实质上是细观结构层面的破坏和损伤，即水泥砂浆和骨料过渡区的破坏开裂。保温混凝土的尺寸越大，其过渡区的范围就越大，形成的裂缝更容易连通，更容易破坏，所以尺寸越大混凝土抗压强度越低[9]。如果单独比较圆柱体和立方体的静力抗压强度会发现，C30～C70五种强度等级下圆柱体的抗压强度比棱柱体分别提高了2.7%、8.3%、21.0%、14.2%、15.8%，这表明强度等级越高，试块尺寸对静力抗压强度的影响越大。

表2 4种尺寸保温混凝土的抗压强度

保温混凝土立方体、棱柱体和圆柱体的抗压强度fc（d）与基准抗压强度fcu，150的换算系数[fc（d）/fcu，150]与强度等级关系如图1所示。

图1 保温混凝土fcu，100/fcu，150、fc（d）/fcu，150与强度等级的关系

由表2、图1可知，随着强度等级的提高，100 mm立方体与150 mm立方体抗压强度的换算系数呈增大的趋势偏离1.0，棱柱体与150 mm立方体抗压强度的换算系数呈减小的趋势偏离1.0。这表明尺寸效应随着强度等级的提高对保温混凝土立方体和棱柱体抗压强度的影响更加显著，这与苏捷和方志[10]所得出的普通混凝土尺寸效应随强度改变的变化规律一致。圆柱体与150mm立方体抗压强度的换算系数随着强度等级的提高呈增大的趋势接近1.0。这表明尺寸效应随着强度等级的提高对保温混凝土圆柱体抗压强度的影响逐渐减小。

2.2 劈裂抗拉强度

不同强度等级保温混凝土标准立方体和圆柱体的劈裂抗拉强度及两者换算系数见表3。

表3 保温混凝土标准立方体和圆柱体的劈裂抗拉强度及换算系数

由表3可知，相同强度等级下圆柱体的劈裂抗拉强度均低于标准立方体的。这表明玻化微珠保温混凝土的劈裂抗拉强度和抗压强度一样，都具有尺寸效应。这是由于保温混凝土的劈裂抗拉强度和劈裂面的面积有关，劈裂面面积越小，劈裂抗拉强度就越大[11]。

保温混凝土圆柱体劈裂抗拉强度与立方体劈裂抗拉强度的换算系数（ft，cy/ft，cu）与强度等级关系如图 2 所示。

图2 保温混凝土ft，cy/ft，cu与强度等级的关系

由图2可知，随着强度等级的提高，保温混凝土圆柱体和立方体劈裂抗拉强度的换算系数呈增大趋势，且在C30到C50阶段增幅较大，C50到C70阶段增幅相对较缓，但是均小于1.0。这表明随着强度等级的提高，换算系数在增大趋势减缓的同时越来越接近1.0，保温混凝土的尺寸效应也越不明显。这是由于混凝土强度等级越高，试块的孔隙和缺陷就会越少，这与文献[12]所得出关于劈裂抗拉强度尺寸效应的结论一致。

2.3 静力受压弹性模量

为不同强度等级下保温混凝土棱柱体和圆柱体静力受压弹性模量见表4。

表4 保温混凝土棱柱体和圆柱体的弹性模量

由表4可知，在相同强度等级下，保温混凝土棱柱体静力受压弹性模量均小于圆柱体静力受压弹性模量，而且随着强度等级的提高，保温混凝土棱柱体和圆柱体的静力受压弹性模量也不断上升。这说明保温混凝土的静力受压弹性模量具有尺寸效应。其主要原因是，保温混凝土的抗压强度具有尺寸效应，并且在相同等级下棱柱体的抗压强度低于圆柱体。又因为在弹性模量的加载试验中，所加载的抗压强度要求达到破坏强度的1/3，所以加载在棱柱体上的压强就比加载在圆柱体上的小，棱柱体的受压变形就相对较小，所测得的静力受压弹性模量也就相对较小。这与文献[13]所得出关于静力受压弹性模量尺寸效应的结论一致。

比较5种强度等级下，圆柱体静力受压弹性模量比棱柱体的增加幅度发现，随着强度等级的提高，圆柱体的静力受压弹性模量依次提高了1.2%、1.8%、2.1%、2.4%、2.5%。这表明试块尺寸对保温混凝土静力受压弹性模量的影响和对静力抗压强度的影响相同，但是没有对静力抗压强度的影响明显。

2.4 抗折强度

折压比是分析保温混凝土脆性的一个重要参数，表5为不同强度等级保温混凝土棱柱体的抗折强度和折压比。

表5 保温混凝土棱柱体的抗折强度和折压比

由表5可知，随着混凝土强度等级的提高，保温混凝土的抗折强度提高，折压比减小。这表明保温混凝土与普通混凝土相同，其脆性随强度等级提高而增大[14-15]。

3 结论

（1）尺寸效应对玻化微珠保温混凝土的静力抗压、劈裂抗拉、抗折强度和静力受压弹性模量都有影响，但是相比于静力抗压强度，尺寸效应对静力受压弹性模量的影响较小。

（2）尺寸效应随着强度等级的提高对玻化微珠保温混凝土棱柱体抗压强度的影响更加显著，对圆柱体抗压强度的影响逐渐减小，对玻化微珠保温混凝土劈裂抗拉强度的影响也逐渐减小。

（3）玻化微珠保温混凝土的折压比随着强度等级的提高而减小。