尺寸效应对混凝土试块抗压强度的影响

尺寸效应对混凝土试块抗压强度的影响

常禹

山东省威海市乳山市海阳所镇银滩工程检测有限公司  山东乳山 264500

摘要：混凝土的尺寸效应是由多个因素共同决定的，所以它对混凝土的强度也存在着一定的影响。本论文以27组不同尺寸、不同强度级别的混凝土试件为对象，对混凝土的尺寸、混凝土的强度对混凝土的抗压强度的影响以及由此而产生的尺寸效应进行了研究。并比较了高强混凝土和普通混凝土的抗压强度。结果表明：混凝土的压缩强度与其尺度有关，但其尺度效应对其压缩强度有较大的影响，且尺度效应对其压缩强度有较大的影响。

关键字：混凝土；尺寸效应；试块抗压强度；强度转换；高强材料

引言

混凝土的机械性能受多种因素的影响，其中材料的种类、配比和试样的几何参数是决定其机械性能的重要因素。在工程实践中，通常是通过缩比试验来获得材料的真实性能。近年来，这一问题也成为了人们关注的焦点。国内外学者在70-150毫米边长范围内开展了立方体抗压实验，发现小试样的抗压强度明显高于大试样。为此，本项目拟在已有的工作基础上，从原材料、配合比、养护、试验龄期及荷载条件等多个角度，开展混凝土抗压强度尺度效应分析。

一、试验

（一）试件模型

在此次实验中，主要的实验对象为立方体，其三边的边长主要为：100mm，150mm，200mm，在每一个尺寸的面上都进行不同强度的额试件安装，从而针对于混凝土的硬度进行研究，从而体现出尺寸大小对于混凝土的硬度的影响，进而掌握更先进的抗压技术，不断探索出更适合我国建筑行业的混凝土，从而提高我国的建筑业的综合水平。

（二）原材料及配合比

水泥为普通硅酸盐水泥，在28天后的抗压强度为58.1 MPa；硅灰的密度为2.20克/立方厘米，比表面为212克/克；细骨料选用细度模数为24的中砂，粗骨料选用5-20 mm级配碎石，减水剂选用用量为300的聚乙酸类超塑化剂。

（三）试件制作与养护

由于外界各种因素的影响，在混凝土的制造过程中以及养护过程中，会出现不可或缺的困难和挑战，因此，在混凝土的制造过程中，应该对于制造的流程和质量进行严格的把控，从而减少实验的错误性，进而让实验更加具有参考性，在制造的过程中应该将水泥和沙土进行充分混合以及搅拌，确保其充分融合，实现最大化的粘合性，这样一来其混凝土的抗压强度会体现的更加明显，更加直观对于实验的分析和探究有着良好的帮助，进而来增加实验的精确性。

二、试验结果

通过对试验现象的观测，发现不管是普通和高强度的混凝土，其抗压强度的分散性都非常小，且变异系数均小于700。同时，对普通及高强度混凝土而言，随着其几何尺寸的降低，其立方体抗压强度增大。

三、尺寸效应分析

（一）尺寸效应的产生原因

混凝土是由粗、细骨料和硬质水泥石构成的复杂体系。在细观层面，混凝土是一个多相、多孔的体系，骨料内部存在着大量的微裂缝、微孔，具有典型的异质性。对于高强混凝土来说，因为其水灰比较低，粗骨料粒通常小于20 mm，所以其均性和和易性比较好，其破坏形态也更加突出了脆性的提高。在室内，由于试样具有相同的几何形状和相对稳定的测试条件，时间扩散和水化热等因素对测试结果的影响基本可以忽略不计。从上述分析可以看出，高强混凝土的尺度效应与一般混凝土存在一定差异，抗压强度随着试件尺寸的增加而减小，这种尺度效应在高强混凝土中表现得更加明显，其主要原因是：①由于材料强度的随机性而产生的尺度效应，也就是统计尺度效应；②在断裂力学中，由于释能作用而产生的尺度效应；③裂缝面分形特征对裂缝尺度效应的影响。这是因为，在外力作用下，裂纹呈现出非连续、无序的特征，即，在破裂之前，裂纹内部的微细裂纹呈现出明显的分形特征，并伴随着尺度效应。

（二）抗压强度的尺寸效应

在评估试样的尺度效应时，采用 y来量化尺度效应。它是以100 mm边长的混凝土试样为基准，来评价其他尺寸的混凝土试样的性能。随着 y的增大，立方体压缩强度的尺度效应也随之增大。经过研究，我们可以看出，随着水泥量的增加，混凝土的抗压强度的尺度效应也越来越明显，其中，C20混凝土的抗压强度 y值分别是C40和C60的62%和54%，这是因为高强混凝土的均匀性和密实性比普通混凝土要好，而且它的内部缺陷更少。但在加载条件下，其裂缝的扩展速率要比一般混凝土快。与常规混凝相比，高强度混凝土的破坏范围更小，破坏所需要的能量更少，导致了高强度混凝土的尺度效应显著。另外，由于混凝土的脆性随其强度的提高而增大，导致高强混凝土易发生脆性破坏，而一般混凝土易发生延性破坏。

（三）尺寸效应率

以释能原理为依据，提出了应力作用下试样内部裂纹扩展、应变耗散的脆性失效的概念，苏捷建立了应力-应变的尺度效应定律。与此同时，以C20、C40、C60三个级配的混凝土作为例子，对其进行了检验，结果表明，所提出的计算方法是合理的。

（四）临界尺寸及临界强度

研究表明，当样品的几何尺寸变大时，样品的抗压强度会持续降低，但降低的速度会变得缓慢：在确定其临界尺寸和临界值时，我们以尺寸效应定律曲线上斜率为-0.01的点为分界点，这个点对应的样品尺寸就是它的临界尺寸，相应的抗压强度就是它的临界抗压强度。因此，当试样的尺度超过临界尺度时，其尺度效应就会变得很弱，而相反，则会变得很强。

在不同强度水平下，其关键尺寸会有不同程度的变化。由试验结果可知，与C40、C20相比，C60混凝土的临界尺寸呈1.3、2.3的关系。究其原因，主要在于高强混凝土的高脆性和明显的尺寸效应，而尺寸越大，强度越低，这样一来对于实验的结果也是一目了然，因此尺寸大小对于混凝土的抗压强度影响还是较为显著的。

结语

目前，关于混凝土强度等级对其抗压强度的影响，存在着一些分歧。一些学者提出，由于高强混凝土的脆性随其强度的增加而增加，使其尺寸效应较一般混凝土更为明显。在以往的实验中，由于不同的材料特性，不同的配合比，不同的载荷形式，会对实验的结果产生很大的影响。对不同强度级别的普通混凝土和高强混凝土立方体的抗压强度的尺度效应展开比较系统的研究。

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