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高强及超高强混凝土的脆性与强度尺寸效应 * 黄煜镔 重庆大学 土木工程学院 重庆 400045 钱觉时 重庆大学 B区 材料学院 重庆 400045 摘 要 以往的高强混凝土研究往往局限于试验室尺度上的强度提高, 而实际上, 由于强度尺寸效应现 象的存在, 并且随混凝土强度提高, 脆性增大, 强度尺寸效应现象更为明显, 因此许多研究是不完善的。采用 Bazant 的尺寸效应律对高强、 超高强混凝土的强度尺寸效应进行了研究, 结果表明, 随混凝土强度提高, 强度 随试件尺寸增大而降低的趋势有所突出, 并由此探讨了脆性与强度尺寸效应研究的意义。 关键词 高强及超高强混凝土 强度 脆性 尺寸效应 Bazant 尺寸效应律 BRITTLENESS AND STRENGTH SIZE EFFECT OF HIGH AND SUPER HIGH STRENGTH CONCRETES Huang Yubin Institute of Civil Engineering, Chongqing University Chongqing 400045 Qian Jueshi Institute of Materials, Area B of Chongqing University Chongqing 400045 Abstract The previous study on high strength concrete often only devoted to improvement on strength in laboratory. On one handthere does exist strength size effect, on the other hand the brittleness is increased with an increase in strength of concrete, and the phenomenon more prently. So the availability of these studies became suspect. In this paper, based on size effect law suggested by Bazant, the high strength and super high strength concrete is studied. It is shown that with the improvement of strength of concrete the trend that strength of concrete decreases quickly with scale increasing is more pronounced. Furthermore meaning of the study connecting brittleness with size effect is discussed. Keywords high and super high strength concrete strength brittleness size effect size effect law proposed by Bazant * 国家自然科学基金资助项目 申请号59778053 。 第一作者 黄煜镔 男 1974年 2 月出生 博士后 收稿日期 2004- 07- 22 作为一种主要的结构材料, 高强化成为混凝土 发展的必然方向。然而, 在高强化的同时也带来其 他一些问题, 这在很大程度上制约了高强混凝土在 实际工程中的应用, 如高强化引起的高脆性就是一 个重大问题。 强度作为混凝土的一个重要的性能指标, 如何 真实地反映混凝土的实际强度相当关键。然而, 尺 寸效应作为准脆性材料的固有性质, 使准确得出强 度参数非常困难, 而国内现有的研究绝大多数仅局 限于讨论尺寸换算系数, 没有深入探究强度尺寸效 应的本质。长期以来, 尺寸效应通常被认为是由材 料强度的任意性引起的。直到 20 世纪 80 年代初 期, Bazant 在钝裂缝带模型的基础上, 通过能量释放 的近似分析, 提出了一个尺寸效应法则的简单公式, 也就是著名的 Bazant 尺寸效应定律。从此, 基于断 裂理论的尺寸效应律在许多领域得到广泛应用, 也 由此改变了人们对尺寸效应现象的传统认识。 从Bazant 强度尺寸效应律曲线图可以看出, 材 料的强度尺寸效应形式与材料脆性大小有一定关 系, 混凝土脆性实际上也影响强度尺寸效应, 材料脆 性越大强度尺寸效应越明显。因此, 从这种意义上 说, 脆性与强度尺寸效应是统一的。基于这种认识, 本文考察了高强、 超高强混凝土的强度尺寸效应, 以 此为更深入认识高强混凝土这一材料提供了一个新 的角度, 这既是一个重要的问题, 也是目前被忽视的 一个问题。 1 试验原材料与配合比 水泥为重庆江津水泥厂的 4215R普通硅酸盐水 泥, 28d 抗压强度为 5813MPa。硅灰为贵州清镇红枫 铁合金厂出产, 粒径 1L m 以下, 平均粒径 011L m 左 右, 密度为 2121g/ cm 3, 比表面积约为 20m2/ g。砂为 简阳中砂, 细度模数 214。石子为中梁山石灰石, 母 岩强度 110 130MPa, 压碎值 1015 。外加剂分别 15 Industrial Construction 2005, Vol135, No11工业建筑 2005 年第 35 卷第 1期 为湛江产萘系高效减水剂 FDN 减水率 22 及上 海麦斯特提供的超塑化剂 SP -8N。 试验对两种配合比的混凝土进行了研究, 即编 号为 C6、 A2的普通高强、 超高强混凝土。配合比如 表1 所列。 表 1 试验配合比 编号 水泥 P kgm- 3 硅灰 P kgm- 3 粗集料 粒径 P mm 减水剂P 配合比 水 胶结材细集料 粗集料 C65505 151100140111311 196 A2550555 153100120111191 176 注 普通高强混凝土 C6 的坍落度为 23 18cm, 坍落度扩展值为 6815cm; 超高强混凝土 A2 的坍落度为 17 15cm。 2 试验方法及性能测试 对于不同强度等级的混凝土, 作为准脆性材料, 依据 Bazant 的尺寸效应律 SEL 分析其强度随尺寸 的变化关系 RN Bf ct1 d K0da - 1P 2 Bf ct1 d d0 - 1 P 2 1 式中, RN为名义强度, MPa; d 为试件的特征尺寸, mm; B、 d0为待定系数; da为集料的最大粒径, mm; f ct为材料的抗拉强度, MPa。由此, 只要定出方程中 的常数 B、 d0即可得出尺寸效应方程。为方便试验 数据进行统计回归分析, 方程可转化为线性方程 Y AX C 2 式中, X d, Y 1/ R 2 N, C 1/ Bf ct 2, A C/ d 0。由 此, 只要确定直线斜率、 截距, 即可得到方程。因此 通过一系列变化尺寸的试件测定出其最大荷载, 就 可得出一回归方程, 也就得出关于这一材料在该几 何形状下的尺寸效应律。 对于材料脆性, 目前国内外还没有一个统一的 明确的定义, 而脆性则更不好衡量。在 SEL 中, 采 用与 d0密切相关的等效裂缝长度为脆性评价指标。 本文以 d0为脆性指标, d0越小, 则脆性越大。 基于这一方法, 试验对两个配合比的混凝土设 计的三点弯曲系列试件尺寸分别为 50mm 50mm 207 15mm、 100mm 100mm 415mm、 150mm l50mm 622 15mm、 200mm 200mm 830mm, 试件切高比为 015, 跨高比为 4。采用 INSTRON 伺服试验机测定试 件的最大荷载。 3 试验结果及分析 两个系列的混凝土的基本力学性能如表 2 所 列; 不同几何尺寸试件的最大荷载结果见表 3。 由此采用线性方程 2 所得的回归曲线见图1。 表 2 混凝土基本材料性能 编号 抗压强度P MPa 直接拉伸 P MPa 弹性模量 P GPa 劈拉强度P MPa C680 10414037154180 A2136 17613954147150 表 3 不同尺寸试件混凝土的最大荷载 编号 系列1系列 2系列 3系列4 dP mmPP NdP mmPP NdP mmPP NdP mmPP N C65081719100 2 68213 150 4 48115 2008 083 10 955112 652195 020157 446 10 --3 942157 446 10 A250 1 09217100 3 68218 150 6 05315 20010 199 18 1 092173 859126 3471510 738 18 -3 624106 0041510 444 18 注 d 为试件高度。 a- 普通高强混凝土 Y 01003 4X 01080 9 R2 0 1933 5 ; b- 超高强混凝土 Y 0 1002X 0 1032 4 R2 0 1902 5 图1 混凝土强度尺寸效应回归曲线 由回归曲线可得出 B f ct、 d0。因此采用 Bazant 的尺 寸效应律 SEL 公式 1 可推出 C6、 A2 混凝土的强 度尺寸效应如下 C6 Rn 3152 1 dP 2318 A2 Rn 5156 1 dP 1612 由上式可见, 对于 C6 混凝土, 尺寸效应律中的 Bf ct为3152MPa、 d0为 2318mm; 对于A2 混凝土, 尺寸 效应律中的 B f ct为 5156MPa、 d0为 1612mm。A2 混凝 土的脆性比C6 混凝土的大, 尺寸效应现象也更为显 著。C6、 A2 混凝土的强度尺寸效应趋势见图 2。 C6 尺寸效应曲线;A2 尺寸效应曲线; vC6 试验结果; r A2试验结果 图2 普通、 超高强混凝土强度尺寸效应趋势曲线 16 工业建筑 2005 年第 35 卷第 1期 试验结果证实, Bazant 的尺寸效应律在高强、 超 高强混凝土中也能较好地接近试验结果, 并且由此 可推出随混凝土强度提高, 混凝土的脆性增大, 强度 尺寸效应现象也更为明显。反映在强度尺寸效应曲 线上, 即曲线的斜率更快地接近- 1/ 2。这一试验结 果与 Ben I. G. Barr 等人对普通高强混凝土的研究结 果相似。 4 关于脆性与强度尺寸效应的讨论 材料强度与韧性往往是一对矛盾体。在混凝土 高强化的过程中, 随混凝土强度提高, 材料脆性明显 增大。由于材料脆性越大, 强度尺寸效应越明显, 因 此以往在试验室里以小试件的测试结果通过经验性 的尺寸换算系数来获得大尺寸结构中的混凝土强度, 在混凝土强度越来越高的情况下越来越显得不确切。 随混凝土强度的提高, 一方面由于受试验条件的限 制, 强度测试的尺度越来越小, 而由于混凝土应用范 围的扩大, 其在工程上的尺度越来越大, 因此导致混 凝土的试验室尺度和工程尺度跨度的增大; 另一方 面, 由此而引起混凝土的强度尺寸效应现象越来越突 出; 其最终结果是使仅以试验室尺度上的强度来评定 工程上混凝土的强度显得不完善。 因此, 混凝土强度尺寸效应研究结果将对目前 混凝土材料的高强化有非常重要的参考价值, 尺寸 效应研究将充分显示混凝土材料脆性改善对提高强 度的作用, 将混凝土材料的韧化与强度提高紧密联 系起来, 并且强度尺寸效应的研究还有利于促进混 凝土断裂力学的发展, 具体来说强度尺寸效应的主 要意义在于 1 对混凝土强度的提高应从混凝土研究尺度到 使用尺度的强度都提高, 特别是使用尺度上强度的 提高。 2 由于目前几乎所有混凝土的脆性评价都是在 同一尺度上进行的, 研究混凝土强度尺寸效应, 应考 察不同尺度上脆性对强度的影响, 以确定什么情况 下对混凝土脆性改善是可能的和必要的。 5 结 论 1 高强、 超高强混凝土强度尺寸效应的现象相 当明显; Bazant 的尺寸效应律能较好地反映这种强 度随尺寸增大而降低的趋势。 2 随混凝土强度提高, 脆性增大, 其强度尺寸效 应现象也更为突出, 试验结果表明, 超高强混凝土较 高强混凝土而言, 强度随尺寸增大而降低得更为显 著, 也即该材料更接近线弹性材料, 其强度尺寸效应 曲线的斜率更快地接近- 1/ 2。 3 对水泥混凝土的高强化而言, 将脆性与尺寸 效应联系起来, 有助于更为深入、 更为完善地认识由 于高强化所带来的一些课题。 参考文献 1 Bazant Z P, Kazemi M T. Determination of Fracture Energy, Process Zone Length and Brittleness Number from Size Effect with Application to Rock and Concrete. International Journal of Fracture, 1990,44 2 111 131 2 RILEM Committee on Fracture Mechanics of Concrete -Test s. Size - Effect for Determining Fracture Energy and Process Zone Size of Concrete.Materials and Structures, 1990,23 138 461 465 3 Ben I G Barr, Hadi F Abusiaf, Siddik Sener. Size Effect and Fracture Energy Studies Using Compact Compression Specimens. Materials and Structures, 1998,33 1 36 41 4 钱觉时, 罗 晖, 王 智. 水泥混凝土高强化与强度尺寸效应. 建 筑材料学报, 1998 2 134 138 上接第 29页 参考文献 1 李鸿猷. 高层建筑结构日照影响的探讨. 建筑结构学报, 1989, 10 3 2 赵 娟. 超长高层建筑结构温度问题研究 [ 学位论文] . 郑州 郑 州大学, 2002 3 王瑞珉.ALGOR 和 SAP5P 在杆系结构分析中的应用. 北京 机械 工业出版社, 2000 4 朱以文, 等. 微机有限元前后处理系统 ViziCAD 及其应用. 北京 科学技术文献出版社, 1993 5 王铁梦. 建筑物的裂缝控制. 上海 上海科学技术出版社, 1993. 150 157 6 傅学怡. 双筒高层建筑水平温差收缩应力计算. 建筑结构学报, 1995,16 6 53 65 信 息 商务部预计明年我国钢材销售增长 10以上 据商务部最新预测, 2005年我国钢材销售增长 10 以上, 生产资料销售总额实际增长将在 12 左右。2004 年, 我国消费品零售总额和生 产资料销售总额预计超过 15 万亿美元, 比上年有较大幅度增长。 17 高强及超高强混凝土的脆性与强度尺寸效应 黄煜镔, 等