水泥胶砂强度尺寸效应试验研究

2022-03-04葛根旺潘随伟任安琪陈秀玲陈德鹏

建材世界 2022年1期

葛根旺，潘随伟，任安琪，陈秀玲，陈德鹏

(1.马鞍山学院，马鞍山 243100；2.安徽工业大学，马鞍山 243100)

自波兰特水泥的发明以来，混凝土由于它的原料来源充足、成本低、施工简便和耐久性好等优点，使得它成为了目前最大宗量的土木工程材料。无论在建筑物还是构筑物等建筑工程(例如房屋、道路和水利工程)中它都发挥着无可替代的作用[1]。水泥基砂浆体是混凝土的重要构成物质,起到重要的润滑和胶结作用。它不仅有包裹骨料和填充骨料之间间隙的功能，而且混凝土宏观力学性能也受其力学性能的影响。因此，如果能够准确探究出水泥基砂浆硬化后的真实力学性能与其试件尺寸之间的关系，将会对混凝土力学性能的研究具有十分重要的意义。此外，国内外关于混凝土尺寸效应对强度影响的研究文献，相对较多[2-8]，而研究尺寸效应对于水泥基砂浆体的硬化后在各龄期影响的文章，相对较少。

目前世界各国研究者对混凝土的宏观力学强度尺寸效应进行了大量研究，并得出混凝土的抗压强度随尺寸改变而发生变化的结论，即尺寸越大其抗压强度越低。其中Malhotra[2]、Neville[3]、Sabnis[4]等人对不同尺寸混凝土试件进行尺寸效应研究，Neville发现非标准小尺寸试样的力学强度比标准试样高；Malhotra得出小尺寸100 mm×200 mm圆柱体混凝土抗压强度普遍高于150 mm×300 mm试样；Sabnis对十二个学者所做不同的养护条件下不同种类混凝土在不同龄期下所得到的试验结果进行了数据回归分析，得出混凝土尺寸效应的经验公式。张丽[5]等研究不同替代率再生混凝土抗压强度尺寸效应之间关系，通过试验得出:当取代率不相同时其抗压强度有显著的尺寸效应；朱尔玉[6]对不同尺寸试件的普通混凝土进行系统性的试验，结果发现普通混凝土硬化后的强度具有尺寸效应，并且能够利用相应的经验公式表达出来。

关于水泥胶砂力学强度尺寸效应的研究，张俊[7]等人研究砂浆立方体试块在双轴抗压性能尺寸效应的试验中，采用试件几何尺寸和应力比为试验变量，研究发现随着试样尺寸的增大，砂浆立方体试块抗压强度有所下降，当主侧应力比为0.1时，大尺寸砂浆试块的抗压强度大约为小尺寸试块的97%；苏捷[8]等对三种尺寸、不同强度等级的水泥砂浆立方体试件进行抗压试验，通过试验得出水泥砂浆试件在不同强度条件下尺寸效应对抗压强度的影响，同时提出抗压强度尺寸效应率的计算公式。

1 试验

1.1 原材料

试验中使用水泥是安徽某水泥公司生产的普通硅酸盐水泥(42.5级)，实验所用细集料是天然河砂。经过试验测得细骨料的含泥量为1.0%；其细度模数为2.3，为中砂；其含水率约为2.3%；堆积密度是1 570 kg/m3。

1.2 试验配合比与计算方法

通过三组用砂量和水泥用量不变，只改变用水量从而调整水胶比的方法，来探究尺寸效应对于水泥砂浆体硬化后在3 d、7 d、14 d、28 d各龄期的影响，配比见表1。

表1 各组试验原材料配比

其中：A1-40、A2-40、A3-40表示试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm；A1-20、A2-20、A3-20为非标准尺寸水泥胶砂试件，尺寸为20 mm×40 mm×160 mm。

2 结果与讨论

依据《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》GB/T17671—2020规范里相关的规定，将试验结果运用有关公式进行计算，得到结果见表2。

表2 各组的试验数据

从表2中，可以观察到非标准试件的抗压和抗折强度随着养护龄期的增加趋势与普通标准胶砂试件的增加趋势基本相同，即龄期增加，抗压和抗折强度也逐渐增加。非标准小试件的抗折强度在各龄期阶段(3 d、7 d、14 d和28 d)都比标准试件的大一些，这点与Weibull统计尺寸效应理论基本一致，即结构的尺寸效应起源于材料存在低强度的小单元，而尺寸越大，低强度的小单元存在的概率就越大[9]。但是非标准小试件的抗压强度在各龄期阶段比标准试件的要小一些,这点与这个理论却相反。

从图1中看标准和非标准胶砂有效抗折强度对比，不难发现它们有一定的线性相关性，利用试验有关的数据拟合计算出两者相关方程，即y=1.536 4x-2.940 5，其中方程相关系数R2=0.788 9，这意味着两者之间存在的关联性较好。从图2中看出标准和非标准胶砂两者也有一定关联性，利用试验相关数据对两者不同龄期的有效抗压强度进行数学模型拟算，当两者成幂函数关系式时，方程为y=3.315 8x0.653 5，此时相关系数最大，即相关系数R2=0.808 1，这点也说明两者之间的关联性较好。

根据相关规范能够知道抗压和抗折强度之间具有重要的关联价值。例如交通工程设计标准中JTGD40—2011、CJJ11—2011、CJJ169—2012等都给出抗压和抗折强度之间的经验公式。这些公式具有式(1)一般形式

(1)

式中,Rf、Rc分别为抗折、抗压强度，MPa；α、β均为常数。结合该文试验所得相关现象和结果，作者根据公式(1)推算在标准和非标准试件下水泥基砂浆抗压与抗折之间的关系方程，并给出α、β的取值情况。具体所得结果如图3和图4所示。

从图3可知，按照试验结果所拟合出的公式，在一定程度上有较好的吻合性(相关性系数R2为0.842 7)，α为0.777，β为0.575 8(通常情况下β取值范围是0.5～0.7)，这说明标准试件的胶砂抗压和抗折强度与普通混凝土的经验公式基本相同。但是从图4来看，按照试验结果所拟合出的公式虽然在一定程度上有较好的吻合性(相关性系数R2是0.904 2)，但是α为0.217 4，β为0.961 9(通常情况下β取值范围是0.5～0.7)，β的取值与经验范围有一定的差值，这说明非标准试件的胶砂抗压和抗折强度与普通混凝土的经验公式有一定区别。