超高性能混凝土形状与尺寸效应分析

陈宝春，杨 简，黄卿维，韦建刚，2，吴怀中

(1.福州大学土木工程学院，可持续与创新桥梁福建省高校工程研究中心，福建福州 350108;2.福建工程学院土木工程学院，福建福州 350118)

0 引言

混凝土为我国基础设施建设做出了重要贡献，但也带来了较大的资源消耗和环境污染.应用超高性能混凝土(ultra－high performance concrete，UHPC)可减少混凝土的用量，是我国可持续发展的需要［1］.UHPC在上世纪末提出后，在土木工程领域不断推广应用，中国、法国、日本、韩国、瑞士、美国、澳大利亚等相继编制相关的指南或规范(本文统称其为标准)［2－12］.UHPC最低抗压强度指标各国却不尽相同，其中我国《活性粉末混凝土(GB/T 31387—2015)》［2］规定的最低抗压强度为100 MPa，在各国标准中最低.目前，我国多地、多部门正在编制相关的标准，均涉及到UHPC最低抗压强度指标.与此同时，各国所采用的抗压强度测试试件形状、尺寸也不一致，甚至诸多混凝土与建筑砂浆强度测试的试件也被用于UHPC强度测试［13－14］.UHPC与普通混凝土一样存在形状、尺寸效应［15］，因此有必要探讨各个试件之间的换算关系.

为此，本文开展12批次的抗压强度试验，同时收集17篇相关文献的数据［8，16－31］，结合试验与文献数据综合分析各国的UHPC最低强度标准与常见的抗压强度试件，各试件间的形状、尺寸效应换算关系，最后对我国有关UHPC标准中最低抗压强度指标提出建议.

1 试验方案设计

为全面了解UHPC的形状与尺寸效应，首先对各国标准和现有文献中常用的抗压强度试件进行调查分析，在此基础上确定本文试验研究中的试件形状与尺寸.

1.1 各国标准采用的抗压强度试件

中国、法国、日本、瑞士、韩国、美国、英国、澳大利亚等国制定的相关标准中，对最低抗压强度及测试试件要求见表1.

从表1可知，各国标准中抗压强度的测试试件可归为三种:100 mm立方体，Φ70 mm×140 mm圆柱体和Φ100 mm×200 mm圆柱体(英制单位换算后与国际单位制的没有完全相同).

表1 各标准UHPC最低抗压强度与测试试件要求一览表Tab.1 Minimum compressive strength and specimens of UHPC in various standards

1.2 文献中常用的抗压强度试件

除上述各国标准采用的三种试件外，在实际研究中，还用到普通混凝土和砂浆的试件规格.主要有以下三种:150 mm立方体试件(中国及部分欧洲国家混凝土测试试件［8，13］);70.7 mm的立方体试件(中国《建筑砂浆基本性能试验方法标准》测试砂浆试件［14］);Φ150 mm×300 mm(美国，法国测试混凝土试件［8］).

因此，本文初步选取6种试件作为研究对象.为方便表述，试件采用表示形状的字母(“Cu”表示立方体，“Cy”表示圆柱体)，后接边长(直径)的数字，例如:“Cy150”表示边长150 mm、高300 mm的圆柱体试件.

对这6种试件进行形状、尺寸效应研究的文献，共收集到17篇，计有245组619个UHPC强度数据［8，16－31］，如图 1 所示.

从图1可见，采用立方体的多，圆柱体的少;边长或直径采用100 mm的较多，其他二种的相对较少.因此，现有研究中，试件规格的样本不均衡性较为突出，有必要进行全面的试验以提高样本数据的均衡性.

另一方面，17篇文献中，仅涉及2种试件的有9篇，3种试件的有5篇，4种的仅3篇，没有一篇文献同时涉及6种规格的.因此，现有文献无法进行6种试件之间的直接换算分析.因此，开展包含全部6种试件的试验，以获得直接的换算系数也是非常必要的.

图1 文献中不同试件采用频率Fig.1 Frequency of different specimens used in the literature

1.3 本文的试验方案

本文最终确定的试验对象有6种试件规格，立方体和圆柱体各三个，边长或直径分别有150、100和70.7 mm(圆柱体为70 mm)三种，如表2所示.考虑混凝土材料具有一定离散性，每个试件各制作12个，共72个试件，以保证有足够数量的样本.试件制作时，每批次浇筑各种试件各一个.

表2 UHPC抗压强度试验方案Tab.2 The plan of compressive strength test

2 试验方法

试件的UHPC材料配比见表3.组成材料有:P.O.52.5普通硅酸盐水泥;SiO2含量大于等于90%、比表面积为18 920 m2·kg－1、密度2.0 g·cm－3的硅灰;分级的石英砂和石英粉中，石英砂采用10～70目(0.212～2.00 mm)，石英粉采用 400 目(0.037 4 mm); 减水率≥25%的 CX－8 聚羧酸高效减水剂;0.2 mm×13.0 mm的镀铜钢纤维，抗拉强度不小于2 850 MPa.

表3UHPC的配合比Tab.3 Mixing proportion of UHPC

UHPC采用SJD－60L强制式混凝土单卧轴搅拌机制备.试件养护制度为先采用72 h、90℃的蒸汽养护，而后常温养护至第28 d.试验方法按照我国《活性粉末混凝土(GB/T 31387—2015)》［2］的相关规定，采用1.2～1.4 MPa·s－1的加载速率进行加载.边长(直径)大于100 mm的试件采用5 MN的压力试验机测试，其它采用2 MN压力机测试.

3 试验结果分析

3.1 试验结果

试验结果见表4.6种试件各试块测试结果的变异系数均小于0.05，稳定性良好.立方体试件与圆柱体试件的强度均值都呈现出试件尺寸越小测试强度越大的趋势.

表4 抗压强度试验结果Tab.4 The results of compressive strength test

3.2 尺寸效应分析

以边长(直径)为100 mm的试件为基准，得到相同形状的换算系数(C100/C)随尺寸增大而增加，见图2.在变化幅度上，边长(直径)从70 mm到100 mm的换算系数变化幅度小于100 mm到150 mm的;立方体的幅度大于圆柱体的.换言之，边长(直径)为150 mm试件的尺寸效应较70 mm的显著，立方体的尺寸效应较圆柱体的显著.

此外，Cu150与Cu100的换算系数为1.076，换算成以Cu150为基准的换算系数为0.930，小于我国《普通混凝土力学性能试验方法标准》［13］中规定的普通混凝土的换算系数0.95，表明UHPC的尺寸效应比普通混凝土显著.

3.3 形状效应分析

以立方体为基准，得到边长与直径相同时的圆柱体与立方体换算系数(Cu/Cy比值)随试件边长(直径)的增大而减小，见图3.由图可知，当边长(直径)为70 mm与100 mm时比值大于1，圆柱体的测试强度小于立方体;但是在边长(直径)为150 mm时比值小于1，圆柱体的测试强度大于立方体.一方面是因为立方体与圆柱体试件本身的尺寸效应，前者大于后者;另一方面，边长与直径相同的立方体与圆柱体，体积并不相同，因此，它们的强度除受形状影响外，实质上还受体积因素的影响，而不同尺寸的体积差也是不同的.

3.4 形状、尺寸效应统一换算系数

同时考虑形状与尺寸效应，以Cu100为基准，得到它与6种规格试件的抗压强度比值，列于表5第三行.由表5可知，除Cu100(等于1)外，其余5种试件中，只有Cu70.7的换算系数小于1，另外4种均大于1.尤其是Cy70，它测试得到的强度要小于Cu100，与一般认识是相反的.

为扩大样本数据，增强结果的适用性，将收集到的文献数据补充到本文试验数据中进行分析.以Cu100试件为基准进行间接换算分析，分析结果列于表5的第四行.修正后的形状、尺寸效应与试验结果趋势相同，仅数值上有小幅改变.

表5 常见UHPC抗压强度试件与Cu100的换算系数Tab.5 Conversion factor of common UHPC compressive strength specimens and Cu100

4 关于我国UHPC最低抗压强度与试件规格的建议

4.1 UHPC最低抗压强度

采用表5中换算系数的修正值，将各标准的最低强度值换算成采用Cu100时的强度值(英制尺寸试件采用近似公制尺寸试件的换算系数进行近似换算)，见表6.换算后各国标准对UHPC最低强度的要求，与换算前(见表1)相比，仅改变了具体的数值，没有改变大小的序列.我国UHPC(RPC规范)的最低强度要求还是最低的，韩国标准还是最高的，前者只有后者的55.2%.

UHPC最低强度标准的制订应考虑如下3种因素:1)作为新一类混凝土，它的强度难以用传统的制备方法达到，采用高性能混凝土的方法，制备出100 MPa的混凝土并非难事，所以将100 MPa作为UHPC最低强度标准，偏低，是不合适的;2)为了达到密实性高、耐久性好的混凝土，需要较低的水胶比，容易取得高于100 MPa的抗压强度，低了没有必要，也带不来明显的经济效益;3)为便于推广应用，也没有必要将抗压强度最低标准定得太高，韩国的标准明显偏高.早期的标准均将最低强度标准定在150 MPa，从法国、美国标准的变化，能明显看出降低最低强度标准的国际趋势.

综合考虑上述因素，本文认为我国的UHPC强度最低要求可定在120～130 MPa之间.本文作者在主编福建省地方标准时，采用了130 MPa作为最低强度标准.

表6 各国标准最低强度换算Tab.6 Minimum strength conversion in various standards

4.2 UHPC抗压强度测试试件

对于抗压强度试件，各国均沿用普通混凝土的形状.我国的普通混凝土强度等级采用立方体，所以UHPC继续采用立方体是合适的.

对于试件尺寸，普通混凝土采用150 mm立方体试件，而《活性粉末混凝土(GB/T31387—2015)》［2］中规定采用100 mm立方体试件.本文认为这种改变是合适的，建议继续采用.主要理由有:1)考虑到UHPC强度较高，若继续采用普通混凝土中的Cu150，广泛采用的2 MN试验机难以满足要求;2)UHPC由于强度较高，截面尺寸较小，所以采用100 mm的立方体，有其合理性;3)从表1可知，各国标准中试件主要为Cu100、Cy100和Cy70，而没有采用边长或直径为150 mm的试件，因此继续沿用Cu150是不合适的.

此外，即使Cu100试件，当其抗压强度接近或大于200 MPa时，2 MN试验机也难以满足测试要求，因此，随着UHPC的工程应用增多，宜采用压力更大的试验机.在当前情况下，建议将Cu70.7作为非标准试件，以适应某些抗压强度较高的UHPC试件的测试要求.

5 结语

1)无论是立方体还是圆柱体，UHPC试件强度均随着尺寸的增大而降低，其尺寸效应大于普通混凝土试件的尺寸效应.边长(直径)为150 mm试件的尺寸效应要大于边长(直径)为70 mm的试件;立方体的尺寸效应比圆柱体的明显.

2)边长与直径相近的圆柱体试件与立方体试件的强度值，存在着形状效应.以立方体为基准，随着试件尺寸增加，换算系数不断减小.试件边长(直径)为150 mm时，圆柱体试件的强度大于立方体的;而在70 mm和100 mm附近时，圆柱体试件的强度小于立方体试件的强度.

3)以Cu100强度为基准，综合本文试验结果与文献资料，各试件(Cu70.7，Cu150，Cy70，Cy100和Cy150)换算系数分别为:0.986，1.078，1.011，1.014 和 1.078.

4)各国UHPC最低抗压强度值规定存在着较大的差异，从中国最低的100 MPa到韩国最高的180 MPa，以120～150 MPa居多.换算成Cu100的强度值后，具体数值有所改变，但大小序列没有变化.综合考虑可行性与经济性等因素，我国现有标准的100 MPa偏低，建议提高到120～130 MPa.

5)各国UHPC标准中抗压强度测试试件主要为Cu100、Cy100和Cy70.我国现有标准中规定的Cu100，具有较好的合理性与可行性，建议继续采用.同时，建议将Cu70.7作为非标准试件.