不同强度等级混凝土尺寸效应试验研究.pdf
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1、2 0 1 5年 第 7期 (总 第 3 0 9 期 ) N u mb e r 7 i n 2 0 1 5( T o t a l N o 3 0 9) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THE0RE TI CAL RES EARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 5 0 7 0 0 8 不 同强度等级混凝土尺寸效应试验研究 惠弘毅。 李宗利,杨华。吕从聪 ( 西北农林科技大学 水利与建筑工程学院, 陕西 杨陵 7 1 2 1 0 0 ) 摘要: 为了研究不同强度等级混凝土强度的尺寸效应, 分别对 C 1 5
2、 、 C 2 0和 C 3 0等级混凝土, 边长分别为 1 0 0 、 1 5 0和 1 5 0 IT II I 的立方体试件进行了抗压和劈裂抗拉试验。 建立了不同强度等级混凝土抗压与劈裂抗拉强度尺寸效应律的计算式 , 并通过试验 数据验证 了其适用性。 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。 关键词 : 混凝土; 强度等级 ; 立方体抗压强度 ; 劈裂抗拉强度 ; 尺寸效应 中图分类号 : T U 5 2 8 0 1 文献标志码 : A 文章编号: 1 0 0 2 3 5 5 0 (
3、 2 0 1 5 ) 0 7 0 0 3 1 0 4 E x p e r i me n t a l s t u d y o n i m p a c t o f s t r e n g t h g r a d e o n s iz e e ffe c t o f c o n c r e t e s t r e n g t h XI Ho n g y i , LI Zo n g l i , Y ANG Hu a, LO C o n g c o n g ( C o l l e g e o f Wa t e r Re s o u r c e s a n d Ar c h i t e c t u r a
4、 l E n g i n e e r i n g, N o r t h we s t Ag r i c u l t u r e a n d F o r e s t r y Un i v e r s i t y, Ya n g l i n g 7 1 2 1 0 0, C h i n a ) Ab s t r a c t : I n o r d e r t o i n v e s ti g a t e t h e s i z e e ff e c tof d i f f e ren t s t r e n g t h g r a d e c o n c r e t e , a s e r i e
5、 s o f c o mp r e s s i o n a n d t e n s e s p l i t t i n g t e s t s we r e p e r f o r me d o n 5 4 c u bi c s p e c i me ns wi t h t h r e e d i f f e r e n t s tre n g th g r a d e s o f C1 5, C20 an d C3 0, and t he s p e c i me n s i z e l e n g th o f 1 0 0, 1 5 0 a n d 2 0 0 mm Th e s i z
6、e e f f e c t e q u a ti on o n the c o nc r e t e wa s p r o po s e d b a s e d o n t h e t e s t r e s u l t Th e r e s ul t s s h o w t h a t t h e s i z e e f f e c t o b v i o u s l y e x i s t s i n the c u b i c c o mp r e s s i v e an d t e n s i l e s p l i t t i n g s tre n g t h o f a l l
7、 t h r e e s t r e n g th gra d e s , a n d t h a t the s i z e e f f e c t i s s i g n i fic ant l y e n h a n c e d wi t h t h e i n c r e a s e o f the s t r e n g th g r a d e Th e s i z e e f f e c t o f t e n s i l e s p l i t ti n g s tre n gt h i s mu c h s tro n g tha n th a t o f c o mp r
8、e s s i v e s t r e n g t h K e y wor d s: c o n c r e t e; s tr e n g th gra d e ; c u b i c c o mp r e s s i v e s t r e n g t h; s p l i t t i n g t e n s i l e s t r e n g th ; s i z e e f f e c t 0 引言 随着混凝土生产、 施工技术的发展, 使其应用越来越 广泛 , 混凝土构件 的尺寸也越来越大。 但 是作为一种准脆 性材料 , 强度的尺寸效应是其固有的一种特性 , 其尺寸效 应主要表现在强
9、度 值会 随着试件或构件 尺寸的变化而变 化 。 由于存在尺寸效应 , 使 得混凝 土的测试强度不仅其 自 身强度决定, 同时也受试件或构件的几何尺寸的影响。 因 此尺寸效应的研究对研究混凝土力学性能显得十分重要。 关于混凝土材料 的尺寸效应产生原 因, 目前主要存 在以下 三种理论 : B a z a n t 认 为混凝土 的尺寸效应是 由于结构达 到破坏荷载前 , 宏观裂纹或微裂纹 的区域发生稳定 增长引 起的, 尤其是裂纹区发展而产生的应力重分布和储存在结 构中的能量释放引起的。 而结构在破坏时释放的能量的 比 例会随着其尺寸的增大而降低 , 所以只有名义强度随尺寸 的增大而降低才能达到
10、能量平衡。 We i b u l l 理论认为 , 尺寸 效应主要是 由于材料强度的随机分布造成 的, 而强度的随 机分布导致在尺寸越大的结构 中, 遇到低强度材料单元的 概率就越大。 C a r p i n t e r i 等人将分形理论引入到了尺寸效 应的研究中 , 他认为在不 同的观察 尺度下 , 裂纹分形特 征 上 的差异是混凝土产生尺寸效应 的主要原 因。 N e v i l l e 通过 3 0 0 余 块边长 为 7 0 、 1 2 5 、 1 5 0 mm三种 尺寸的立方体混凝土试块抗压试验, 得出了小尺寸试件明 显具有较高的抗压强度的结论 , 说 明了混凝土抗压强度具 有显著
11、的尺 寸效应。 周 红 等人对 强度等级为 C 4 0的混 凝土 , 制作 了边长和直径 为 2 5 0 、 3 5 0 、 4 5 0 、 5 5 0 1 T l I n的立方体 和圆柱体试件, 通过3 3 个试件的劈裂抗拉试验结果显示, 混 凝土劈裂抗拉强度存在尺寸效应。 苏捷 等人对强度等级 为 C 2 0 、 C 4 0 、 C 6 0的混 凝 土 , 制作 了 1 0 0 m n l x 1 0 0 m l n x 2 0 0 mi l l , 1 5 0 ml n x1 5 0 i n to3 0 0 to n i 和 2 0 0 mr l l x2 0 0 m m x 4 0 0
12、 m m 的混凝土棱 柱体试 件 , 单轴抗压性能试验 的结果 显示 , 混凝土单轴抗压强度具有 明显的尺寸效应 , 且 强度 等级越高, 尺寸效应越明显。 黄煜镔 等人对高强及超高 强混凝土试件进行了系列试验 , 结果表明强度较高 的混凝 土具有更明显 的尺寸效应 。 我 国现行混凝土试验规范 中 仅给出了立方体边长为 1 0 0 、 2 0 0 m i l l 时的抗压强度折算系 数及边长为 1 0 0 mm时劈裂抗拉强度 的折算 系数 , 但并未 分别对各强度等级混凝土抗压和劈裂抗拉强度的尺寸效 应分别做出详细规定。 目前国内外研究者对于混凝 土尺寸效应 的试 验研究 收稿 日期 : 2
13、 0 1 4 1 0 2 1 基金项目: 国家自然科学基金面上项 目( 5 1 3 7 9 1 7 8 ) ; 中央高校基本科研业务费专项资助项目( Z D 2 0 1 2 0 1 5 ) 31 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 主要集中在混凝土的抗压强度的尺寸效应方面 , 且很少考 虑到混凝土强度等级对混凝土尺寸效应的影响。 因此本试 验针对以上试验的不足之处 , 以混凝土强度等级为主要考 虑 因素 , 通过试验研究不 同强度等级的混凝土立方体试件 的抗压和劈裂抗拉强度的尺寸效应 , 分析了强度等级对混 凝 土抗压和劈裂抗拉强度尺寸效应的影 响, 并结合试 验数
14、 据提 出了各强度等级混凝土抗压及劈裂抗拉强度尺寸效 应律的计算式 。 1 试验概 况 1 1 试件模型 采用边长分别为 1 0 0 、 1 5 0 、 2 0 0 i n l n的立方体试件, 每 一 尺寸的试件均包含 C 1 5 、 C 2 0 、 C 3 0这 3个强度等 级 , 每 种规 格 试 件 均制 作 2组 ( 每组 3个 试 块 ) , 共 计 l 8组 5 4块。 1 2 试件的制作和养护 试验采用统一的原材料、 配合比、 养护条件及加载速 率 , 以尽量减少对试验结果 的影响。 试 验采用 冀东水 泥厂 生产的盾石牌 P C 3 2 5 R级水泥 , 初凝时间 4 2 h
15、 , 终凝时 间 5 3 h , 2 8 d抗压强度 4 8 5 8 MP a , 其余各项性能均满足 规范要求 ; 细骨料采用 陕西渭河砂场 的中砂 , 细度模 数为 2 4 , 含泥量为0 8 , 表观密度为2 5 9 0 k g m 3 , 级配合格; 粗骨料采用 陕西渭 河卵石 , 粒径 为 5 - 2 0 1T l I n , 含泥 量为 0 6 , 表观密度为 2 6 5 0 k g m 。 混凝土拌和后按规范测试 其工作性能 , 得 到 C 1 5 、 C 2 0 、 C 3 0混凝 土的坍 落度分别为 3 6、 4 6、 3 3 n L r n。 混凝土拌 和完 成后 装 入试
16、 模并 在 振捣 台上 振 捣密 实 , 试件成型 2 4 h后 开始拆 模 , 放人养护室 进行养护 , 养 护室温度控制在 ( 2 01 ) , 相对湿度 为 9 5 , 养护龄期 为 2 8 d 。 表 1 混凝土配合比 k g m3 1 3 试验装置 混凝土立方体抗压试验和劈裂抗拉试验均在上海新 三思计量仪器 制造有 限公 司生产 的 Y A w4 2 0 6型微机 控制全 自动压力试验机上进行 。 压力试验机 由电脑控制 , 可 以更加精确地 控制加载速度 , 更准确的提取试验数据 , 提高了试验的准确性 。 混凝土抗压和劈裂抗拉试验均按照 S L 3 5 2 -2 0 0 6 (
17、水 工混凝土试验规程 中规定的混凝土标准试验方法进行, 为了消除加载速率对试验结果 的影响 , 抗压试验加载速率 均为 0 4 MP a s , 劈裂抗拉试验加载速率均为 0 0 5 MP a 。 1 4试 验 结 果 试验测得的立方体抗压强度实测值与劈裂抗拉强度 实测值列于表 2 。 3 2 表 2 混凝土立方体试验结果 2 强度等级对混凝土尺寸效应的影响 2 1 混凝土抗压强度 的尺寸效应 以边长为 1 5 0 i n n l 的混凝土立 方体试件抗 压强度 为 基 准, 参照 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 ( 普通混凝土力 学性 能试验 标准 , 定义立方体抗压强度尺
18、寸换算系数 如下: 。 , 1 0 o = u 1 5 0 1 0 0 ( 1 ) 。 2 0 0 = u ,1 5 0 2 o 0 ( 2 ) 式 中 : 。 。 、 。 、 舢分别表示边长为 1 0 0 、 1 5 0 、 2 0 0 r tl i n 的立方体试件的抗压 强度 , MP a 。 引入尺寸换算系数是为了定量描述基准尺寸试件( 边 长为 1 5 0 m l T l 的立方体试件 ) 与非基准试件 ( 边长为 1 0 0 、 2 0 0 r r l n l 的立方体试件) 力学性能的关系 , 通过该系数可 以 将非基准尺寸试件 的强度换算成基准试件的强度 , 从而评 价混凝土
19、的性能 。 由式 ( 1 ) 、 ( 2 ) 可知 , 尺寸换算系数 的值 的大小可以反映尺寸效应 的大小 , 即尺寸换算 系数与 1 偏 离的数值越大, 表 明两种尺寸试件强度 的差 值越大 , 尺寸 效应越明显。 图 1 给出了由试 验数 据代人式 ( 1 ) 、 式 ( 2 ) 所得 的各 强度等级混凝土抗压强度尺寸换算 系数与试 件边长 的关 系。 从 图 1 和表 2 可 以看出: 垛 琳 骶 幽 1 O 5 0 2 99 9 6 l 00 l 2, 1 U l, , 200 试 件边长 mm 图 1 各强度等级混凝土抗压强度尺寸换算系数 ( 1 ) 混凝土立方体抗压强度存在 明显
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