普通混凝土劈裂抗拉尺寸效应试验研究

叶 生

（安徽交通职业技术学院 安徽 合肥 230051）

0.引言

混凝土由于其独特的优势，被广泛应用于建筑土木领域，同时其相关领域研究被国内外学者大量研究，随着社会发展，对于高耸与复杂的混凝土结构需求逐步成为不容忽视的方面，对于该类型混凝土结构一般需要进行方案前期论证，一般采用缩比例模型或有限元模拟计算两种方式，其中缩比例尺模型试验研究更为符合实际工程研究要求，然而混凝土力学性能受尺寸效应具有明显影响，因此对混凝土尺寸效应的研究具有重要意义[1-3]。

目前对于混凝土尺寸效应的研究，Wittmann[4]从混凝土材料的微观角度、细观角度和宏观角度三个层次方面进行研究；李家康[5]对多种强度混凝土抗压强度尺寸效应进行研究；冷发光[6]对C70 高强混凝土抗压强度尺寸效应进行研究，结果表明高强混凝土受尺寸效应影响更为明显；钱觉时[7]对不同截面尺寸混凝土弯拉作用下的尺寸效应进行研究；章文纲[8]对钢纤维混凝土剪切尺寸效应进行研究。混凝土具有抗压能力强和抗拉能力较弱的特点，对于混凝土抗拉尺寸效应的研究具有重要意义，然而对于混凝土抗拉强度尺寸效应的研究尚不系统。因此有必要系统的对混凝土抗拉强度尺寸效应进行研究。

本文设计三种强度等级普通混凝土，考虑三种不同立方体尺寸，应用液压伺服机和劈裂抗拉装置对混凝土劈裂抗拉加载方式尺寸效应进行研究，通过试验得到不同加载工况混凝土破坏形态和劈裂抗拉强度特征值，从定性和定量角度分析尺寸效应对混凝土劈裂抗拉加载方式下的力学性能影响。

1.试验方案

1.1 试件设计

本文设计三种不同强度等级混凝土分别为C30、C40 和C50，根据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55-2011)确定不同强度等级普通混凝土配合比，其中原材料水泥采用普通硅酸盐水泥P.O 42.5，细骨料采用细度模数为2.4，表观密度2700kg/m3的天然河砂，粗骨料采用粒径5～20mm 的天然碎石骨料，不同强度等级的混凝土配合比如表1所示。

表1 不同强度等级的混凝土配合比(单位：kg/m3)

根据上述配合比要求，配制三种不同强度等级混凝土拌合物，依次将上述原料倒入搅拌机中进行充分搅拌，待搅拌均匀后倒入试模中，放置在振动台振动密实，24 小时后脱模，放置在标准养护环境中进行养护28 天，随后开始试验。

1.2 加载方案

本文主要对普通混凝土劈拉荷载作用下的尺寸效应研究，考虑三种不同强度等级和三种不同尺寸，混凝土采用立方体尺寸试件，三种立方体边长尺寸分别为70mm、100mm 和150mm，应用如图1所示液压伺服机和劈裂装置进行相关试验，该设备装备独立的荷载传感器，其测量精度要求能够满足试验需求。

图1 试验加载装置

试验加载采用力和位移混合控制加载方式，首先将混凝土试块放置在劈裂装置上，应用液压伺服机对劈裂装置进行相应加载，将荷载作用传递在混凝土试块上，采用力控制加载方式，加载卸载循环三次(0～10KN)，消除试件和加载装置之间的间隙。正式加载是采用位移控制的加载方式，其加载的速率为0.5mm/min，待试块破坏后，随后停止加载，记录最大劈裂抗拉荷载值作为分析特征值，每种工况设计三个试件，取均值分析。

2.试验结果分析

2.1 破坏形态

根据上述试验加载方案可得到不同截面尺寸混凝土劈裂破坏形态，通过对混凝土劈裂抗拉破坏形态分析，可从宏观角度分析尺寸效应对混凝土劈裂抗拉加载方式下的力学性能影响，考虑文章篇幅，选取强度为C50 混凝土，尺寸为100mm×100mm×100mm 作为分析对象，如图2所示。

图2 混凝土劈裂破坏形态

混凝土在劈裂荷载作用下，在混凝土试件的劈裂方向形成一条笔直的裂缝，其破坏机理在于在劈裂荷载作用的垂直方向形成拉应变，当拉应变达到混凝土极限拉应变时，试件发生断裂破坏形态，如图2(a)所示。在试件侧面形成较为曲折的断裂线，如图2(b)所示，这主要和混凝土特性有关，因为混凝土属于多相复合型材料。对于不同强度等级和不同立方体尺寸普通混凝土试件均表现出如图2所示破坏形态，说明混凝土尺寸效应对劈裂抗拉破坏形态没有影响。

2.2 强度特征值

根据上述试验的方案，得到三种不同强度等级的普通混凝土分别为三种不同试件尺寸时，试件的劈裂抗拉荷载值，应用《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB50081-2002)规定的相关计算公式，将劈裂抗拉荷载值转化为劈裂抗拉强度，针对混凝土劈裂抗拉强度特征值进行分析，如公式1所示。不同强度等级和尺寸混凝土劈裂抗拉特征值如表2所示。

式中，ft为混凝土劈裂抗强度，单位：MPa，F 为混凝土劈裂抗拉荷载最大值，单位：KN，A 为混凝土劈裂破坏截面面积，单位 ：mm2。

表2 不同强度等级和尺寸混凝土劈裂抗拉特征值

由上述试验研究数据，得到不同强度等级混凝土尺寸效应对强度特征值影响，如图3所示。从定量的角度分析不同强度等级时，混凝土尺寸效应对其劈裂抗拉强度和劈裂抗拉强度降低百分幅度的影响。

图3 不同强度等级混凝土尺寸效应对强度特征值影响

如图3所示，随着抗压强度设计值的提高，混凝土劈裂抗拉强度也逐步提高。当立方体尺寸由 70mm×70mm×70mm提高至150mm×150mm×150mm，强度C30 普通混凝土，其劈裂抗拉强度由2.35MPa 降低至1.69MPa，劈裂抗拉强度降低了28.09%；强度C40 普通混凝土，其劈裂抗拉强度由3.02MPa 降低至2.12MPa，劈裂抗拉强度降低了29.80%；强度C50 普通混凝土，其劈裂抗拉强度由4.21MPa 降低至3.08MPa，劈裂抗拉强度降低了26.84%。三种强度等级混凝土(C30、C40 和C50)受尺寸效应影响劈裂抗拉强度分别降低了0.66MPa、0.90 MPa 和1.13 MPa。由此可知三种不同强度等级混凝土劈裂抗拉强度受尺寸效应具有明显影响，随着尺寸的提高，混凝土劈裂抗拉强度逐步降低，三种混凝土劈裂抗拉强度降低幅度范围基本相同；随着混凝土强度等级的提高，劈裂抗拉强度降低值逐步提高，其中C50 混凝土劈裂抗拉强度降低幅值最高为1.13MPa。

2.3 尺寸效应律

对于混凝土力学性能尺寸效应的研究，Bazant[9]基于尺寸效应律提出了相应的定量研究方法，如公式(2)所示，相关文献[10]对于混凝土抗压强度尺寸效应的研究多采用该表达形式。

式中：σN普通混凝土名义受压强度值，σ∞普通混凝土试件尺寸无限大时受压强度值，Db普通混凝土尺寸系数，D 普通混凝土试件相关尺寸数据，σ∞和Db尺寸效应律方程系数。

根据公式(2)提出如公式(3)所示普通混凝土劈裂抗拉强度尺寸效应律计算公式，应用边长尺寸为70mm 试件劈裂抗拉强度进行无量纲化处理得到如公式(4)所示普通混凝土劈裂抗拉强度统一尺寸效应律方程。

由于不同强度等级混凝土劈裂抗拉强度降低幅度受尺寸效应影响变化幅度相类似，故不考虑混凝土强度等级，提出相应的统一尺寸效应律方程，应用本文试验数据进行相应的数学回归分析，得到如图4 和公式(5)统一尺寸效应方程。

图4 混凝土劈裂抗拉尺寸效应律

根据图4 和公式(5)所示，应用尺寸效应律提出不同强度等级普通混凝土劈裂抗拉强度尺寸效应律计算方程能较好的描述尺寸效应对混凝土劈裂抗拉力学性能的影响。

3.结论

根据三种不同强度等级和三种不同立方体尺寸混凝土劈裂抗拉破坏形态和强度值进行对比分析，研究尺寸效应对劈裂抗拉力学性能影响，主要得到以下结论：

(1)尺寸效应对不同强度等级混凝土劈裂抗拉破坏形态没有影响，不同强度等级和不同尺寸混凝土试件破坏形态基本相同，均发生劈断破坏形态，其破坏机理也均相同。

(2)相同强度等级混凝土，随着尺寸边长的提高，混凝土劈裂抗拉强度逐步降低，尺寸效应对混凝土劈裂抗拉强度具有明显影响；强度等级较高混凝土，其劈裂抗拉强度受尺寸效应影响强度变化幅值较高；尺寸效应对不同强度等级混凝土劈裂抗拉强度降低百分率影响较小，基本可忽略。

(3)基于尺寸效应律计算方程，提出了不同强度等级普通混凝土尺寸效应律计算方程，所得到的方程能够较好的定量描述尺寸效应对混凝土劈裂抗拉强度的影响。