混凝土立方體劈拉強度尺寸效應試驗研究★

謝勝濤 申粘紅 韓雙雙 吳 晨

(防災科技學院，河北 三河 065201)

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混凝土立方體劈拉強度尺寸效應試驗研究★

謝勝濤 申粘紅 韓雙雙 吳 晨

(防災科技學院，河北 三河 065201)

為研究混凝土立方體劈裂抗拉強度尺寸效應現(xiàn)象，開展了不同強度等級邊長的立方體試塊劈裂抗拉試驗，揭示了混凝土立方體劈裂抗拉強度尺寸規(guī)律，研究結果表明：不同強度等級下混凝土立方體劈裂抗拉強度均存在尺寸效應現(xiàn)象，強度等級越高，劈裂抗拉強度尺寸效應越顯著。

混凝土，劈裂抗拉強度，尺寸效應，強度等級

0 引言

混凝土材料是土木工程中最常用的建筑材料，由于原材料來源廣泛、價格低廉、耐久性優(yōu)良、便于施工、能適應各種不同的用途和使用環(huán)境等諸多優(yōu)點，在工程結構中得到廣泛應用。隨著材料科學的發(fā)展，混凝土構件尺寸越來越大，力學性能也隨之改變。但大尺寸混凝土結構設計依據(jù)和參考的仍是基于小尺寸結構研究成果建立起來的設計理論和方法，缺乏科學性和合理性，也難以保證其可靠性。因此應深入開展混凝土材料強度尺寸效應研究。

混凝土強度破壞實驗是當前混凝土尺寸效應研究的最基本方法。在實驗研究方面，國內外學者主要集中在三個方面：抗壓強度的尺寸效應、抗拉強度的尺寸效應和抗彎強度的尺寸效應。抗拉強度是混凝土的基本力學參數(shù)之一，是判斷結構開裂、發(fā)生脆性破壞的重要指標。由于采用直接拉伸試驗較困難，試驗數(shù)據(jù)離散性較大，因此大多采用劈裂抗拉試驗間接測定混凝土的抗拉強度。

惠弘毅等[1]開展了強度等級C15，C20，C30混凝土強度的抗壓尺寸效應試驗，試驗結果表明，混凝土的立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度均存在尺寸效應，隨著強度等級增大，尺寸效應顯著性逐漸增大；抗拉尺寸效應大于抗壓尺寸效應。劉增晨等[2]開展了C60，C80，C100三種高強混凝土的立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度的尺寸效應試驗，結果表明,混凝土強度越高,其脆性越大,混凝土的尺寸效應越明顯。高強混凝土的強度隨著立方體試件尺寸的增大而降低;但降低的幅度隨試件尺寸的增大而顯著減小,即尺寸效應曲線趨于平緩。周紅[3]開展了強度等級C40，邊長150 mm～ 750 mm立方體劈裂抗拉強度試驗，結果顯示邊長尺寸達到350 mm時，劈裂抗拉強度達到臨界值，后隨試件尺寸增加略有提高。而Zhou等[4]的研究認為劈裂抗拉強度隨著試件尺寸的增大而略有提高。

這些研究主要體現(xiàn)同一強度等級混凝土的劈裂抗拉強度尺寸效應試驗的研究，單純高強度或低強度混凝土的劈裂抗拉強度尺寸效應試驗的研究，而對于常用的普通混凝土強度等級，即C20～C60范圍內的混凝土的劈裂抗拉強度尺寸效應試驗的研究還不夠深入，因此本文開展了混凝土等級C20，C40，C60，邊長150 mm，200 mm，250 mm，33個立方體試塊劈裂抗拉試驗，分析混凝土強度等級對混凝土材料尺寸效應的影響規(guī)律，為混凝土工程結構的設計與理論分析提供力學參數(shù)。

1 混凝土劈裂抗拉強度尺寸效應試驗

1.1 試件制作

試驗采用42.5號普通硅酸鹽水泥，其28 d抗壓強度為48.0 MPa。細骨料為中砂，試驗所用的粗骨料為碎石，骨料表觀密度為2 800 kg/m3，混凝土材料拌制時的各項材料配合比如表1所示。劈裂抗拉強度試驗立方體試件的最大骨料粒徑是20 mm，尺寸分別為150 mm，200 mm，250 mm，每一尺寸的試件包含C20，C40和C60三個強度等級，其中邊長150 mm，200 mm尺寸的試件每個強度等級各4個，250 mm尺寸的試件每個強度等級各3個。制作完成的混凝土試塊如圖1所示。

表1 材料配合比

1.2 加載裝置

參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》[5]，劈裂抗拉強度試驗采用半徑為75 mm鋼制弧形墊塊，長度與試件尺寸相同。為防止混凝土局部壓壞，可加設膠合板墊條，寬度20 mm，厚度為3 mm～4 mm，長度不小于試件。試件養(yǎng)護28 d后拆模，在液壓式萬能試驗機上加載試驗，加載速率控制在 0.04 MPa/s～0.06 MPa/s 之間，試驗裝置如圖2所示。

2 試驗結果分析

2.1 破壞模式分析

為分析混凝土強度等級對混凝土劈裂破壞模式的影響，對比邊長150 mm試塊三種混凝土強度等級下的破壞模式(見圖3)。從圖3可以看出，高強度等級混凝土對混凝土劈裂破壞模式具有一定的影響，由于高強度等級混凝土砂漿的強度較高，在劈裂裂縫延伸和貫通過程中，隨著荷載的加大，裂縫由中間逐步向兩邊延伸貫通，當遇到骨料顆粒時，會受到阻礙，部分骨料被劈裂，脆性較大。對于強度等級較低的混凝土，由于骨料強度大于硬化水泥砂漿的強度，劈裂裂縫就會從薄弱界面向砂漿發(fā)育，繞過骨料顆粒，脆性相對較小。因此混凝土強度等級越高，脆性越顯著。

2.2 混凝土強度等級對混凝土劈裂抗拉強度影響

表2是各組立方體試塊劈裂抗拉的測試結果，包括試塊的劈裂抗拉強度fts、標準差s和變異系數(shù)Cv，試件編號用CM-N的形式，C代表混凝土，M表示混凝土強度等級，N表示試件尺寸。其中立方體試件劈裂抗拉強度fts是取每組試件測定值的算術平均值。從表2可以看出，相同強度等級下試件的劈裂抗拉強度隨尺寸的增大逐漸降低；相同尺寸試件的劈裂抗拉強度隨混凝土等級的增大呈增大趨勢。這是由于混凝土的等級越高，砂漿與骨料的粘聚力就會越大，從而增強了混凝土試塊的抗拉強度，導致試件的劈裂抗拉強度增大。因此，混凝土強度等級越高，劈裂抗拉強度就越大。從表2又可以看出，變異系數(shù)小于10%，說明試驗數(shù)據(jù)離散性小，試驗可靠度高。

表2 混凝土劈裂抗拉強度試驗結果

2.3 混凝土強度等級對劈裂抗拉強度尺寸效應影響

圖4是強度等級為C20，C40，C60的混凝土劈裂抗拉強度隨試件尺寸的變化規(guī)律，從圖中可以看出，三種不同等級下的混凝土立方體試塊劈裂抗拉強度均存在尺寸效應現(xiàn)象，從強度下降的斜率可以看出強度等級越高，劈裂抗拉強度尺寸效應越顯著。這是由于低高強度混凝土試件在破壞過程中，由于界面過渡區(qū)的強度相對骨料顆粒較小，劈裂裂縫在遇到骨料顆粒時，在劈拉作用下，裂縫無法穿過骨料進行延伸，就會在相對薄弱的界面層進行延伸和貫通，裂縫繞過骨料顆粒，增加了裂紋擴展的曲折度，引起更多的微細裂縫，從而削弱了混凝土劈裂破壞的脆性，導致劈裂抗拉強度的降低速度較慢。高強度混凝土試件的內部均勻性提高，

砂漿和界面強度提高，劈裂在破壞過程中，劈裂裂縫不完全繞過骨料顆粒，在劈裂作用下，部分骨料會被劈裂，減少了裂紋擴展的曲折度，從而增強了混凝土破壞的脆性，導致劈裂抗拉強度的降低速度更快，尺寸效應更為顯著。

3 結論

本文開展混凝土等級C20，C40，C60，邊長150 mm，200 mm，250 mm，33個立方體試塊劈裂抗拉試驗，研究不同強度等級時混凝土立方體劈裂抗拉強度和損傷破壞機理的影響，揭示混凝土立方體劈裂抗拉強度尺寸規(guī)律。研究結論如下：

1)混凝土立方體劈裂抗拉強度受混凝土強度等級的影響，混凝土強度等級越高，劈裂抗拉強度就越大。2)本次實驗尺度范圍內，三種不同強度等級混凝土下混凝土立方體劈裂抗拉強度均存在尺寸效應現(xiàn)象，強度等級越高，劈裂抗拉強度尺寸效應越顯著。

[1] 惠弘毅，李宗利，楊 華，等.不同強度等級混凝土尺寸效應試驗研究[J].混凝土，2015(7):31-34.

[2] 劉增晨,蔣 利,成莞莞,等.高強混凝土抗壓抗拉強度的尺寸效應[J].科學技術與工程,2015,15(30):209-213.

[3] 周 紅.混凝土強度尺寸效應的試驗研究[D].大連:大連理工大學,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,普通混凝土力學性能試驗方法標準[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★：防災科技學院大學生創(chuàng)新訓練項目資助(項目編號：201511775012)

謝勝濤(1995- )，男，在讀本科生； 申粘紅(1995- )，男，在讀本科生； 韓雙雙(1991- )，男，在讀本科生；

TU528

A

吳 晨(1994- )，男，在讀本科生