水工混凝土尺寸效应研究综述

2010-02-12胡廷正杨全文

中国建材科技 2010年4期

张虹胡廷正杨全文

(1青州市何官镇农业综合服务中心，山东青州262512；2青州市仁河水库管理局，山东青州262500)

1 引言

尺寸效应是指材料的力学性能不再是一个常数，而是随着材料几何尺寸的变化而变化。混凝土尺寸效应现象表现为混凝土强度及其相关的力学参数与试件尺寸之间的关系。目前，在水利工程领域中，混凝土是最重要的建筑材料。因此，研究混凝土的尺寸效应，成为研究人员面临的课题之一。本文将对水工混凝土尺寸效应的研究结果进行分析和评述。

2 国内外尺寸效应研究现状

国内外对混凝土的尺寸效应问题最早起源于15世纪，由Leonardo da vinci首先提出，并最早由Gonnerman将尺寸效应用于混凝土材料的研究[1]，随后越来越多的实验揭示了混凝土材料存在着尺寸效应。目前，混凝土强度尺寸效应的研究工作主要集中在抗压强度尺寸效应、抗拉强度尺寸效应、抗弯强度尺寸效应和断裂尺寸效应等方面。

2.1 混凝土抗压强度尺寸效应

美国垦务局对普通混凝土圆柱体试件的试验结果[2]表明：混凝土抗压强度测试值随试件尺寸的增大而减小，当试件超过某一界限后，尺寸效应逐渐减缓。杨成球[3]和杨忠义[4]等人对全级配及相应湿筛混凝土立方体试件进行了单轴抗压强度尺寸效应的实验，结果表明：全级配与湿筛混凝土的强度均存在尺寸效应，其变化规律符合Weibull统计理论。文献[5~17]的实验表明：普通混凝土和高强混凝土圆柱体试件都存在尺寸效应，其表现抗压强度随圆柱体试件尺寸的增大而降低。黄煜镔[18，19]对高强混凝土抗压强度的尺寸效应研究结果也显示，强度越高，尺寸效应更为明显。Neville实验测试结果显示，小尺寸试件具有明显高的强度。朱尔玉[20]等试验分析了不同形状和不同尺寸混凝土试件抗压强度具有较高的相关性。虽然对抗压强度的尺寸效应现象已经进行了许多的试验研究和理论探讨，但目前并没有较大的进展。

2.2 混凝土抗拉强度尺寸效应

由于混凝土的拉伸试验较为困难，所以，对混凝土抗拉强度尺寸效应研究相对较少。Carpinteri利用直接拉伸试验中获得了稳定的、完整的软化曲线。试验结果[21]表明：混凝土拉伸强度具有显著的尺寸效应，截面宽度5cm的试件强度为4.33MPa，而当尺寸增大到40cm时强度仅为3.17MPa。对于劈裂抗拉强度，宣国良的分析表明：强度测试值随试件尺寸的增大而减小[22~25]。对相同劈裂面积不同直径的圆柱体试件，当其劈裂面上的受拉区面积相同时，具有相同的劈拉强度。因此，对于形状相似的试件，可以用劈裂面积来研究劈拉强度的尺寸效应。尽管大多数研究结果都证实，劈裂抗拉强度随试件尺寸增大而降低，但也有部分结果得出不同的结论。Bazant等的研究表明，随试件尺寸增大,劈裂抗拉强度反映出首先降低并随后增大的趋势；而Chen等人的研究认为劈裂抗拉强度随尺寸增大而略有高；Rocco等人得出劈裂抗拉强度随试件尺寸增大而单调降低并在大尺寸时趋近于一常数。

2.3 混凝土抗弯强度尺寸效应

对抗弯强度尺寸效应来讲，研究结果也显示混凝土的抗弯强度存在明显的尺寸效应[26,27]，但对于不同类型混凝土、不同因素对尺寸效应的有关影响研究很少。Z.P.Bazant的试验结果[28]表明：混凝土试件的抗弯强度随着截面尺寸的增大而减小。从张彤[29]和李光伟[30]等人的测试结果也可看出这一点。但黄煜镔[18,19]对高强混凝土的抗弯强度尺寸效应进行了研究，结果显示，超高强混凝土相比于高强混凝土，其抗弯强度对尺寸效应的影响比较平缓，这与抗压强度尺寸效应的规律不同。

2.4 混凝土耐久性尺寸效应

除以上研究外，冷发光等[31~33]通过钻芯取样对混凝土抗压强度、氯离子渗透性能、抗冻融循环性能和抗硫酸盐腐蚀性能等耐久性方面的试验研究，发现混凝土尺寸效应对耐久性有较大影响。曾伟等[34]对透水混凝土的性能也进行了试验研究，结果表明：对于边长150mm的立方试块，除了10%孔隙率的lOOmm立方试块尺寸效应不明显外，15%和20%孔隙率条件下的lOOmm、200mm试块的尺寸效应以及10%孔隙率的200mm试块的尺寸效应都超过普通混凝土。朱惠英[35~37]对碱-硅反应膨胀值进行了初步探讨，认为试件的横截面尺寸是影响ASR膨胀结果的关键。

2.5 碾压混凝土尺寸效应

韩晓凤，张仲卿等对碾压混凝土层面抗剪断强度进行了试验，碾压混凝土层面抗剪原位抗剪断强度指标的尺寸效应明显[38~43]，f´和c´的值均随试件尺寸的增大而减小，且f´和c´值随尺寸变化的程度更大。王泽云[44]和文献[45~48]的试验结果认为，尺寸效应对弹性模量没有影响；对纵向应变的影响也较小，但对横向应变有一定的影响，以较小试块测得的应变值较大。李光伟对极限拉伸值进行了研究[49]，全级配大体积混凝土的极限拉伸值低于湿筛小试件混凝土的极限拉伸值，两者的比为0.54~0.76，平均为0.64；姜荣梅等[50~52]则提出碾压混凝土极限拉伸值的湿筛尺寸效应系数为0.70~0.79，平均值为O.74。

2.6 混凝土断裂尺寸效应

国内外对混凝土断裂尺寸效应研究较多[53~57],但迄今为止尚未有一个公认的结论。一种观点认为，混凝土断裂能是实验方法产生的误差引起的，不依赖于试件的尺寸[58]。如Rajendra等认为断裂能的尺寸效应来源于测量位移过程中支座的影响所带来的偏差[59]，同济大学的张东［60］等以及重庆建筑大学的钱觉时［61］认为出现尺寸效应是由于对荷载-位移曲线的尾部处理不当造成。另一种观点认为,由实验室测定的混凝土断裂能存在尺寸效应,只有当试件的尺寸无限大时断裂能才是恒定的常数[62,63]。大部分研究者发现[64~66]：对于几何相似的混凝土试件，增大试件尺寸会引起断裂能的增加；尺寸对于断裂能的影响随试件尺寸与骨料最大粒径比值的增大而减少，当试件尺寸明显大于骨料粒径时，尺寸效应的影响就不太明显。徐世烺[67]等研究表明：三点弯曲梁法测试混凝土双K断裂参数无明显的尺寸效应，楔入劈拉试件由于竖向加载荷载引起附加力矩胁对裂缝尖端应力场的影响，导致测试所得混凝土断裂韧度值存在一定的尺寸效应，当采取措施消除此影响或此影响较小时，楔入劈拉试件测得的双K断裂参数值也将无明显的尺寸效应。