普通混凝土与高强混凝土抗压强度的尺寸效应.pdf
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1、第 1 6卷 第 6期 2 O 1 3年 1 2月 建筑材料学报 J 0URNAL 0F BUI LDI NG M ATERI AL S Vo1 1 6 NO 6 De c , 2 O1 3 文 章 编 号 : 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 3 ) 0 6 1 0 7 8 0 5 普通混凝 土与高强混凝 土抗压强度的尺寸效应 苏 捷 , 方 志 ( 湖南大学 土木工程学院 , 湖南 长沙 4 1 0 0 8 2 ) 摘 要 :通过 对 2 7组边 长为 1 0 0 , 1 5 0 , 2 0 0 mm, 强度 等级 为 C 2 0 , C 4 0和 C 6 o的普 通混 凝土
2、 和 高强 混 凝 土 立方体试 件进 行抗 压试验 , 系统研 究 了不 同强度 等 级普 通 混凝 土和 高强混 凝 土试件 立 方体抗 压 强度 的尺 寸效应 , 建 立 了强度 等 级 与 立 方体 抗 压 强度 尺 寸 效应 的 关 系, 得 到 了普 通 混凝 土 和 高 强混凝 土抗压 强度 尺寸 效应 的临界 尺寸 和 临界 强度 , 提 出 了立 方体抗 压 强度 尺 寸 效应律 的计 算公 式 , 并 通过试 验数据 验证 了该公 式 的适 用性 试 验 结果表 明: 普通 混 凝 土与 高 强混 凝土 的 立方 体抗 压强度均具有较明显的尺寸效应现象, 强度等级越 高,
3、尺寸效应越明显, C 2 O混凝土立方体抗压强 度尺 寸 效应度 约 为 C6 O混凝 土 的 5 5 关键 词 : 混 凝土 ;高强混凝 土 ;尺 寸效应 ;强度等级 ;立方体 抗压 强度 中图分类 号 : TU3 1 7 1 文献标 志码 : A d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 3 0 6 0 2 8 S c a l e Ef f e c t o n Cu b i c Co mpr e s s i v e S t r e ng t h o f Or d i n a r y Co n c r e t e a n d Hi
4、 g h _ S t r e ng t h Co n c r e t e SUJi e, FANGZh i ( Co l l e g e o f Ci v i l Engi n e e r i n g,H u na n Uni v e r s i t y,Cha n gs ha 4 1 00 82,Chi na ) Ab s t r a c t :Sc al e e f f e c t o f c o mpr e s s i ve s t r e ng t h o f or d i n a r y c o nc r e t e a nd hi gh s t r e n gt h c on c
5、r e t e we r e i n ve s t i g a t e d t hr ou g h c o mpr e s s i on e xp e r i me n t s o n o r d i n a r y c on c r e t e a nd hi g h s t r e ng t h c on c r e t e s p e c i me n s wi t h t h e s t r e n g t h gr a d e o f C2 o,C4 0 a n d C6 0,a nd t h e s pe c i me n s i de l e ng t h of 1 0 0,1
6、5 0,2 0 0 mm The r e l a t i on s hi p be t we e n t he s t r e ng t h g r a de a nd s c a l e e f f e c t wa s e s t a bl i s he d The n, t he c r i t i c a l s i z e a n d c r i t i c a 1 s t r e n gt h o f o r di n a r y c o nc r e t e a n d hi gh s t r e n gt h c onc r e t e we r e o bt a i ne d
7、 Fur t h e r mor e,t he c o mput a t i on a 1 e qu a t i on s o f s c a l e e f f e c t we r e pr o po s e dFi n a l l y,g o o d a gr e e m e nt s h a v e b e e n f o u nd be t we e n t e s t e d d a t a a nd t he c o mpu t a t i on a 1 e qu a t i on s Th e t e s t a n d a na l y s i s r e s ul t s
8、s h o w t ha t t he s c a l e e f f e c t e x i s t s i n t h e c u bi c c o m p r e s s i v e s t r e n gt h of t he o r d i na r y c o n c r e t e a nd hi g h s t r e ng t h c o nc r e t e W i t h a n i nc r e a s e i n t he s t r e n gt h g r a d e,t h e s c a l e e f f e c t i s s i gn i f i c a
9、 n t l y e n ha nc e d Th e s c a l e e f f e c t of c o nc r e t e wi t h s t r e ng t h g r a d e C2 0 i s 5 5 o f t h e c o n c r e t e wi t h s t r e n g t h g r a d e C6 0 Ke y wo r d s :c o nc r e t e;hi g h s t r e ngt h c o nc r e t e ;s c al e e f f e c t ;s t r e n gt h gr a d e;c u bi c c
10、 o m p r e s s i v e s t r e ng t h 混 凝土 的力学 性能 不仅 与原材 料种类 和 配合 比 有 关 , 还 与试 件 的几何 尺寸等 因素 密切 相关 在 土 木 、 水 利 工程 中 , 由于 实 际结构 尺寸 通 常较 大 , 受 试 验 条件 限制 而难 以进 行工 程 结 构 的 足尺 模 型试 验 , 通 常只 能进行 缩 尺 模 拟_ 2 , 因 此 如何 通 过 缩 尺模 型 收稿 日期 : 2 O 基 金 项 目 : 国 ( 5 3 l 】 07 0 4 0 7 4 2) 第一作者 : 苏 试验 结果来 反 映实 际 大 型工 程 中材
11、料 的真 实性 能 , 是土 木工程 学 和材 料 学 的研 究 热点 之 一 国内 外研 究者对 混凝 土抗压 强度 的尺寸 效应 已进行 了一 些研 究 : Ne v i l l e 对边长 为 7 0 1 5 0 mm 混 凝 土 立 方 体 试 件进 行 了抗压 试 验 , 结果 表 明大 尺寸 试 件 的抗 压 1 2 - 1 1 0 6 ;修订 日期: 2 o 1 3 - 0 9 2 3 家 自然科 学基 金 资 助项 目 ( 5 0 6 7 8 0 6 3 ) ; 湖 南省 科 技 计 划 资 助 项 目 ( 2 0 1 3 C K 4 0 1 4 ) ; 湖 南 大 学 青 年
12、 教 师成 长 计 划 , 捷( 1 9 7 9 ) , 男 , 湖南长沙人 , 湖南大学讲 师, 博士 E ma i l : i a ms u j i e 1 6 3 c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 0 8 0 建筑材料学报 第 1 6 卷 3尺寸效应分析 3 1 抗压 强 度的尺 寸效应 引入 尺寸 效应度 y对 各混 凝土试 件立 方体 抗压 强 度 的尺 寸效 应进 行 定 量 描述 以边 长 1 0 0 mm 混 凝 土立方 体试 件 为基 准 尺 寸 试件 , 定 义非
13、基 准 尺 寸 试 件 ( 边 长 1 5 0 mm 和 2 0 0 mm 试 件 ) 立 方体 抗 压 强 度 与基 准尺 寸试件 ( 边 长 1 0 0 mm 试件 ) 抗 压强 度 间 的差 值 占基准 尺寸试 件抗 压强 度 的百 分率 为尺 寸 效 应 度 立 方体 抗压强 度尺 寸效 应度 如下 : r r y 一 N 1 0 0 ( 1 ) J c u , 1 0 0 r ) , 一 1 0 0 ( 2 ) J c u , 1 0 0 式 中 : y , 7 分别 为边长 1 5 0 , 2 0 0 mm 试 件立 方 体 抗 压强 度尺 寸效 应 度 ; f c 。 , f c
14、 。 , f c 舢 分 别 为 边 长 1 。 0 , 1 5 0 , 2 0 0 mm 试件 的立方 体抗 压强度 , MP a 由尺寸 效应 度 的定 义 可 知 , 混 凝 土立 方 体 抗 压 强 度 尺寸效 应度 值 越 大 , 表 明立 方 体 抗 压 强度 的尺 寸 效应 现象 越显 著 普 通 混凝 土和 高 强 混凝 土 试 件 立 方体 抗压 强度 尺寸效 应度值 列 于表 3 表 3立方体抗压 强度尺寸效应度 Ta b l e 3 De t a i l o f s c a l e e f f e c t p a r a me t e r 由表 2 , 3可 知 , 混
15、凝 土立 方 体 抗 压 强度 的尺 寸 效 应具有 以下规律 : ( 1 ) 混凝土 立方体 抗压 强度 的尺 寸 效应较 明显 , 大 尺 寸 试 件 的抗 压 强 度低 于小 尺 寸 试 件 , 边 长 2 0 0 mm 的 C 2 0 , C 4 0 , C 6 0混 凝 土试 件 的 立 方 体 抗 压 强 度 分 别 约 为 边 长 1 0 0 mm 试 件 的 9 2 , 8 7 和 8 4 ; ( 2 ) 随着 强 度 等 级 的 提 高 , 混 凝 土 立方 体抗 压强 度 降低 的 幅度 相应 增 大 , 即抗 压 强 度 的尺 寸效应 现 象 越 显 著 , C 2 0混
16、 凝 土 试 件 抗 压 强 度 的 尺 寸效 应 度 y 。 。 约 为 C 4 0 , C 6 0混 凝 土试 件 的 6 2 , 5 4 造 成该 现象 的主要 原 因是 高 强混凝 土 的 密 实度 和匀 质度 较 普通 混 凝 土 更好 , 其 内部 初 始 微 裂 纹 的数量 和尺 寸 相对 较 少 但 高 强 混凝 土 在 荷 载 作 用下 一旦起 裂 , 则 裂纹 发 展 速度 会 明 显快 于 普 通 混凝土 同时 , 高强混凝土破坏时发生损伤 的断裂破 损区相对较小 , 所 以其破坏所必需 的能量 比普通混 凝土所必需的能量小 , 从而导致高强混凝土尺寸效 应 更为 明显
17、高强 混 凝 土试 件 的 尺寸 效 应 强 于普 通 混凝土的另一个主要原 因是随着强度等级 的提高, 混凝土 脆性有 所 增 大 , 普 通 混 凝 土 的破 坏 大 多为 延 性破坏 , 而高 强混凝 土脆 性破坏 的特征更 为 明显 3 2尺寸效 应律 基 于能量 释放 准 则 的尺 寸 效应 理 论 认 为 , 准 脆 性材料 的尺 寸效应 是 由荷 载作用 下试件 内宏 观裂 纹 扩展 时的应 变能 耗 散所 引 起 的 基 于能 量 平衡 和 变 形协调 条件 , B a z a n t 1 得 到 了在 受 压 失 效 时 任 意 尺 寸试件 的名 义抗 压强度 和试件 几何
18、尺寸 的关 系 , 即抗 压强度 尺寸 效应律 如下 : GN一 。 。( 1 + g b ) ( 3 ) 式 中 : 。 。 , D 分 别 为尺 寸 极 大 时 的名义 抗 压 强 度 和 结构 特 征尺 寸 , 均 为 常数 , 其值 由试验 确 定 ; D 为试 件边 长 将文献 3 , 4 , E 9 和本 文共 3 6 6个普通混凝 土和高强混凝土立方体试件 的抗压强度代入式( 3 ) 可得到 C 2 O , C 4 O与 C 6 O混凝 土立方体抗压强度 的 尺寸 效应律 公式 依次如式 ( 4 ) ( 6 ) 所 示 : 一 l 9 4 5 ( 1 + ) ( 4 ) 一 3
19、6 o 3 ( 1 + ) ( 5 ) 一 5 1 1 2 ( 1 + ) ( 6 ) 式 中 : N 2 。 , 口 N 4 。 , N 6 。 分别 为 C 2 0 , C 4 0和 C 6 0混 凝 土 的名义抗 压强 度 尺寸效应律公式拟合 曲线见 图 2 由图 2可知 , C 2 0 , C 4 0和 C 6 0混 凝 土 试 件 抗 压 强 度 的相 关 系 数 分别 为 0 9 9 2 , 0 9 7 9和 0 9 8 3 , 这 表 明尺 寸 效 应 律 公式计 算结果 与 试 验结 果 吻 合较 好 , 各 尺 寸 效应 律 公式 能较好 地预测 混凝 土 的抗压 强度 对
20、试验 数据进 行 整 理 , 得 到不 同强 度 等级 混 凝 土的尺寸效应率参数 d 。 。 和 D , 其可通过式( 7 ) , ( 8 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 苏捷 , 等 : 普通混凝土与高强混凝土抗压 强度 的尺寸效应 图 2 尺寸效应 律拟合曲线 Fi g 2 Fi t t i ng c ur v e o f s c a l e e f f e c t l aw 进行 确定 : 。一 0 7 9 2 f , k + 3 8 6 3 ( 7 ) Db一 0 5 6 2 f c k + 8 9 0 7 ( 8 ) 式 中 : , ,
21、 为边 长 1 5 0 mm 的混 凝 土 立 方 体 抗 压 强 度标 准值 , MP a 将式 ( 7 ) , ( 8 ) 代 入 式 ( 3 ) , 即得 到 适 用 范 围较 广 的混凝土立方体抗压强度尺寸效应律计算公式 : 一0 4 4 5 u k + 9 2 2 5 厂 c + 3 4 4 0 8 l 。 一 D 一 。 0 7 9 2 f 。 , k + 3 8 6 3 ( 9 ) 3 3临界 尺寸及 临界 强度 由式 ( 9 ) 可知, 当试件几 何尺寸 ( 边长) D 增大 时 , 其抗压强度将有所降低 , 且降低的速率将逐渐减 缓 定义临界尺寸和临界强度 : 当试件几何尺寸
22、( 边 长) 大于某一特定值 D 由式( 9 ) 计算得到的抗压强 度的变化率小于 1 9 5 , 即尺寸效 应律 曲线上 的某 点 切 线斜 率大 于 一0 0 1时 , 则 D。 为 临界 尺 寸 , 相应 的 强 度 厂 为 临界 强 度 从 临界 尺 寸 的定 义 可 知 , 当试 件 尺寸 小 于临 界 尺寸 时 , 其抗 压 强 度 的尺 寸 效 应 较 为 明显 , 即抗压 强度 随尺 寸变 化 的幅度 较大 ; 当试 件 尺寸大于临界尺寸时, 尺寸效应q l J , , 可忽略不计 由式( 9 ) 计算得到各强度等级混凝 土的临界尺 寸与 临界 强度 列于 表 4 表 4 混凝
23、 土抗压 强度的临界尺寸与临界 强度 Ta b l e 4 Cr i t i c a l d i me n s i o n a n d c r i t i c a l s t r e n g t h o f c o n c r e t e s 由表 4可知 , 随着强度等级 的提高 , 混凝土抗压 强 度 的临界 尺 寸 逐渐 增 大 , C 6 0混 凝 土 的 临 界 尺寸 分别为 C 4 0和 C 2 0混凝土的 1 3倍和 2 3倍 主要 原因是高强度等级混凝土的脆性较低强度等级混凝 土大, 其尺寸效应更为显著, 表现为在更大的尺寸范 围内, 高强混凝土的强度随其尺寸增大而明显降低 4
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- 普通 混凝土 高强 抗压强度 尺寸 效应
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