韓唯偉，劉數(shù)華

（武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，湖北　武漢　430072）

高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度和耐久性測(cè)定的尺寸效應(yīng)

韓唯偉，劉數(shù)華

（武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，湖北武漢430072）

高性能混凝土是當(dāng)前國(guó)家重點(diǎn)推廣技術(shù)，其強(qiáng)度和耐久性具有尺寸效應(yīng)現(xiàn)象。室內(nèi)試驗(yàn)和不同養(yǎng)護(hù)條件下，標(biāo)準(zhǔn)試件15cm 立方體和10cm 立方體抗壓強(qiáng)度之間具有較高的線(xiàn)性相關(guān)性，尺寸效應(yīng)換算系數(shù) fcu,15/fcu,10隨標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度的增大呈減小趨勢(shì)。隨著尺寸的增大，試件的抗?jié)B性和抗凍性均大大降低。結(jié)構(gòu)芯樣在尺寸效應(yīng)上較試件小，但其存在更多的微裂紋和缺陷，使得抗?jié)B性和抗凍性急劇降低，不能用于評(píng)價(jià)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。

高強(qiáng)混凝土；試件；芯樣；強(qiáng)度；耐久性；尺寸效應(yīng)

科學(xué)技術(shù)日新月異，混凝土技術(shù)的進(jìn)步表現(xiàn)在其強(qiáng)度等級(jí)的不斷提高。20世紀(jì)80年代以來(lái)，世界范圍內(nèi)對(duì)高強(qiáng)度等級(jí)混凝土的研究與配制盛行，且不斷走向?qū)嵱霉こ獭?/p>

早在1925年，Gonnerman 就注意到混凝土材料的強(qiáng)度存在尺寸效應(yīng)現(xiàn)象，即材料的力學(xué)性能不再是一個(gè)常數(shù)，而是隨著材料幾何尺寸的變化而改變。具體說(shuō)就是隨著混凝土試件尺寸增大，混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)值出現(xiàn)規(guī)律性的下降。對(duì)于普通混凝土（其強(qiáng)度等級(jí)常在 C60以?xún)?nèi)）的試件強(qiáng)度尺寸效應(yīng)問(wèn)題，目前已有章可循。GB/T50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：標(biāo)準(zhǔn)試件為15cm 立方體，10cm 試件的尺寸換算系數(shù)為0.95，20cm 試件的尺寸換算系數(shù)為1.05。國(guó)內(nèi)各類(lèi)相關(guān)現(xiàn)行規(guī)范按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) ISO3893等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也給出了相同的規(guī)定[1,2]。

國(guó)外 J.R. del Viso 等研究認(rèn)為立方體試件的測(cè)試抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著試件尺寸的增加（即邊長(zhǎng)的增大）而減小，存在著明顯的尺寸效應(yīng)，而對(duì)于高徑比為2的圓柱體試件，抗壓強(qiáng)度隨試件大小的變化很小，尺寸效應(yīng)很小，如圖1所示。

在國(guó)內(nèi)，清華大學(xué)、哈爾濱建筑大學(xué)、中國(guó)建筑科學(xué)研究院等單位[3,4]就高強(qiáng)度等級(jí)混凝土（其強(qiáng)度等級(jí)在 C60以上）試件強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)問(wèn)題進(jìn)行了大量試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)科學(xué)的篩選和嚴(yán)密的數(shù)理統(tǒng)計(jì)繪制出圖2。同時(shí)，經(jīng)數(shù)值回歸分析，建立15cm 立方體抗壓強(qiáng)度（fcu,15）與10cm 立方體抗壓強(qiáng)度（fcu,10）關(guān)系：

計(jì)算得出 fcu,15和 fcu,10的相關(guān)系數(shù) R2為0.945，表明兩者高度相關(guān)。由此統(tǒng)計(jì)可知對(duì)高強(qiáng)度等級(jí)混凝土而言，fcu,15/ fcu,10=0.914，略小于普通混凝土的相應(yīng)轉(zhuǎn)換系數(shù)0.95。由于高強(qiáng)混凝土通常具有較高的強(qiáng)度，而隨著強(qiáng)度的增大，脆性也會(huì)隨之增大。相關(guān)研究表明，脆性越小的材料，尺寸效應(yīng)變化越小；反之則表現(xiàn)為強(qiáng)度越高，脆性的影響越顯著，因而高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度尺寸效應(yīng)比普通混凝土更加明顯。

圖1　高強(qiáng)度等級(jí)混凝土試件抗壓強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)

圖2　尺寸效應(yīng)擬合曲線(xiàn)

高強(qiáng)度等級(jí)混凝土的廣泛應(yīng)用還是近十來(lái)年的事情，且由于試驗(yàn)條件的限制（目前國(guó)內(nèi)壓力機(jī)最高噸位普遍為2000kN），使得高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度測(cè)試受到限制，因而高強(qiáng)度等級(jí)混凝土的尺寸效應(yīng)仍缺少研究，成為高強(qiáng)度等級(jí)混凝土應(yīng)用和推廣的障礙。在工程實(shí)踐中如果換算系數(shù)取值偏大，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)工程可靠度降低；而取值偏小，則會(huì)造成資源的無(wú)效浪費(fèi)。因此，需要找出10cm與15cm 立方體試件強(qiáng)度之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，即 fcu,15與 fcu,10之間的比值。本文針對(duì)強(qiáng)度 C60～C100范圍的高強(qiáng)度等級(jí)混凝土，通過(guò)大量試驗(yàn)研究高強(qiáng)度等級(jí)混凝土試件尺寸效應(yīng)和不同養(yǎng)護(hù)條件下高強(qiáng)度等級(jí)混凝土的力學(xué)性能、耐久性及其相關(guān)性能。

1　強(qiáng)度

室內(nèi)制備 C60～C100高性能混凝土，試件尺寸為10cm和15cm 立方體，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d 后測(cè)試抗壓強(qiáng)度，將試驗(yàn)結(jié)果繪制到 fcu,15—fcu,10坐標(biāo)系中，得到圖3所示?？梢钥闯?5cm立方體抗壓強(qiáng)度（fcu,15）和10cm 立方體抗壓強(qiáng)度（fcu,10）兩者具有很高的相關(guān)性，從該圖中回歸兩者的相關(guān)關(guān)系式為：

圖4為尺寸轉(zhuǎn)換系數(shù) fcu,15/fcu,10隨15cm 立方體標(biāo)準(zhǔn)試件抗壓強(qiáng)度 fcu,15的變化，從總體來(lái)看，fcu,15/fcu,10隨強(qiáng)度的增大而略有減小，但兩者之間的線(xiàn)性相關(guān)性較差，如式（3）所示：

圖3　高性能混凝土抗壓強(qiáng)度 fcu,10和 fcu,15的關(guān)系

圖5和圖6是高強(qiáng)度等級(jí)混凝土試件強(qiáng)度分別與標(biāo)準(zhǔn)差和離散系數(shù)的關(guān)系。從標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)看，隨著試件強(qiáng)度水平的提高，標(biāo)準(zhǔn)差也隨之增大，兩者的相關(guān)關(guān)系回歸式為（4）。從離散系數(shù)來(lái)看，總體規(guī)律也是隨著試件強(qiáng)度的提高，離散系數(shù)略有增大趨勢(shì)，說(shuō)明更難進(jìn)行質(zhì)量控制。而且，10cm 試件的離散系數(shù)總體要高于15cm 試件，說(shuō)明大尺寸試件抗壓強(qiáng)度的穩(wěn)定性更高。

圖4　高性能混凝土抗壓強(qiáng)度 fcu,15與轉(zhuǎn)換系數(shù) fcu,15/fcu,10的關(guān)系

圖5　標(biāo)準(zhǔn)差 σ 與高性能混凝土試件強(qiáng)度的關(guān)系

圖6　離散系數(shù) Cv 與試件強(qiáng)度的關(guān)系

從調(diào)研和試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，高強(qiáng)度等級(jí)混凝土試件強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)更顯著：fcu,15與 fcu,10的轉(zhuǎn)換系數(shù)以0.90～0.95為宜。對(duì)于試驗(yàn)中的 C60～C100混凝土，由于所有材料、試驗(yàn)環(huán)境和測(cè)試方法均相同，因而呈現(xiàn)出較好的規(guī)律：尺寸效應(yīng)轉(zhuǎn)換系數(shù) fcu,15/fcu,10隨基準(zhǔn)尺寸試件抗壓強(qiáng)度的提高而略有減小，介于0.86～0.93之間。標(biāo)準(zhǔn)差和離散系數(shù)隨著試件強(qiáng)度的提高而略有增大，試件越大，離散系數(shù)越小，穩(wěn)定性越高。

為進(jìn)一步研究不同養(yǎng)護(hù)條件高強(qiáng)度等級(jí)混凝土的力學(xué)性能，針對(duì) C60、C70、C80、C90及 C100分別大批量成型10cm 和15cm 立方體試件，并在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)（標(biāo)養(yǎng)）、同條件養(yǎng)護(hù)（同養(yǎng)）、覆蓋塑料膜養(yǎng)護(hù)（塑養(yǎng)）及覆蓋麻袋養(yǎng)護(hù)（麻養(yǎng)）等條件下，測(cè)試試件28d 抗壓強(qiáng)度，對(duì)比不同養(yǎng)護(hù)條件下高強(qiáng)度等級(jí)混凝土的力學(xué)性能，結(jié)果如表1所示?？梢钥闯?，對(duì)于10cm 和15cm 兩種立方體試件，在不同養(yǎng)護(hù)條件下28d 抗壓強(qiáng)度差別不大，差值比均控制在5% 以?xún)?nèi)。就大小次序而言，塑養(yǎng)最大，其次是麻養(yǎng)，同養(yǎng)與標(biāo)養(yǎng)接近。

表1　C60～C100不同養(yǎng)護(hù)條件下的尺寸效應(yīng)　MPa

2　耐久性

2.1抗?jié)B性

Mehta 于1994年提出混凝土劣化的整體性模型：當(dāng)結(jié)構(gòu)承載以及外界環(huán)境的破壞，例如冷熱循環(huán)、干濕循環(huán)，水泥砂漿與粗骨料間的過(guò)渡區(qū)原生的微細(xì)裂縫就會(huì)擴(kuò)展，導(dǎo)致混凝土失去水密性，對(duì)混凝土劣化起決定影響的水和各種離子就很容易侵入。飽水的混凝土由于一種或幾種體積膨脹現(xiàn)象（如水結(jié)冰、鋼筋銹蝕與鈣礬石或堿硅凝膠生成），其孔溶液的靜水壓力上升。同時(shí)，由于水泥漿里的氫氧根離子溶蝕，被氯離子或硫酸根離子所取代，硅酸鈣水化物就會(huì)喪失膠凝性和強(qiáng)度，這兩種損傷過(guò)程都會(huì)使微裂縫擴(kuò)展，導(dǎo)致水密性進(jìn)一步喪失，加速了損傷。該模型依據(jù)實(shí)驗(yàn)室與現(xiàn)場(chǎng)的經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為混凝土的飽水程度對(duì)膨脹和開(kāi)裂起主導(dǎo)作用，提高抗?jié)B性是改善結(jié)構(gòu)耐久性的關(guān)鍵[5,6]。

表2　抗?jié)B性的尺寸效應(yīng)

從表2試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，試件尺寸變化使得其電量值和氯離子滲透深度均有所變化。隨著試件尺寸增大，電量值有增大的趨勢(shì)，而氯離子滲透深度有降低的趨勢(shì)。隨著試件尺寸增加，單位面積電量值比降低，但不同原材料和配合比其降低數(shù)值不同?？鄢孛娣e和厚度的直接影響后，中、小型試件電量值的尺寸效應(yīng)不明顯，而大型試件電量值就具有明顯的尺寸效應(yīng)，使得電量值降低20% 左右。中、小型試件的氯離子滲透深度接近，而大型試件的氯離子滲透深度較低，具有明顯的尺寸效應(yīng)，氯離子滲透深度降低約30%。

為了研究養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)混凝土抗?jié)B性影響，將澆筑后的混凝土放置在20℃、50℃、60℃、80℃的水池中養(yǎng)護(hù)至測(cè)定時(shí)間，試件抗壓強(qiáng)度測(cè)試齡期為28d，滲透性測(cè)試齡期為90d，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示：混凝土在50℃后強(qiáng)度就急速下降；水的滲透系數(shù)和 Cl-滲透系數(shù) K 隨溫度的提高而增大，電阻隨養(yǎng)護(hù)溫度的提高而減小，說(shuō)明隨著養(yǎng)護(hù)溫度的提高，混凝土的抗?jié)B性降低。

國(guó)外[5]曾測(cè)試野外成型混凝土及結(jié)構(gòu)芯樣的抗?jié)B性，如圖7所示。從圖可知，相同混凝土配合比，野外養(yǎng)護(hù)的混凝土試件和從結(jié)構(gòu)鉆取的芯樣的滲透系數(shù)和劈拉強(qiáng)度有較大差別：芯樣的滲透系數(shù)是試件的兩倍，遠(yuǎn)高于試件，而芯樣劈拉強(qiáng)度則略低于試件。

圖7　野外混凝土及芯樣的滲透性和劈拉強(qiáng)度

2.2抗凍耐久性

三峽工程設(shè)計(jì)服役壽命為500年，為此須使用高耐久性的高性能混凝土，混凝土的設(shè)計(jì)抗凍等級(jí)為 F300。三峽公司實(shí)驗(yàn)中心[7]進(jìn)行了不同尺寸試件的抗凍性試驗(yàn)，表3為部分試驗(yàn)結(jié)果，由于質(zhì)量損失較小，此表中只列出不同凍融循環(huán)次數(shù)后的相對(duì)動(dòng)彈模。

從表3試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，不管是棱柱體試件還是圓柱體試件，經(jīng)過(guò)相同次數(shù)的凍融循環(huán)后，小試件的相對(duì)動(dòng)彈模均高于大試件。由此可見(jiàn)，高性能混凝土的抗凍耐久性具有顯著的尺寸效應(yīng)。混凝土試件的尺寸越大，在凍融循環(huán)這種溫度變化過(guò)程中，試件內(nèi)外溫差較大，由此產(chǎn)生的拉應(yīng)力更大，因而在抗凍試驗(yàn)中更易遭受破壞。

表3　不同尺寸混凝土在多次凍融循環(huán)后的相對(duì)動(dòng)彈模量　%

此外，國(guó)內(nèi)兩個(gè)世人矚目的工程（三峽工程和青藏鐵路）[6]進(jìn)行的室內(nèi)成型試件與現(xiàn)場(chǎng)鉆取芯樣的快速凍融對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)人員發(fā)現(xiàn)：試件無(wú)一例外順利地通過(guò)300次以上的凍融循環(huán)，而芯樣僅經(jīng)歷50次，甚至還不到25次循環(huán)就已經(jīng)破壞，室內(nèi)試件和現(xiàn)場(chǎng)芯樣測(cè)試存在很大的差異。產(chǎn)生顯著差異的主要原因最初認(rèn)為是，振搗條件、振搗參數(shù)及其影響現(xiàn)場(chǎng)新拌與硬化混凝土的含氣量，但經(jīng)過(guò)一番試驗(yàn)比較后，發(fā)現(xiàn)差異并不大；隨后又進(jìn)行了不同骨料粒徑、試件形狀和尺寸、養(yǎng)護(hù)條件，以及在室內(nèi)成型大塊試件，然后再?gòu)闹秀@取芯樣（以便暴露出骨料與漿體的界面）來(lái)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，但結(jié)果依然沒(méi)有反映出室內(nèi)成型試件和現(xiàn)場(chǎng)鉆取芯樣之間的巨大反差。

混凝土具有高度非均質(zhì)和動(dòng)態(tài)的微結(jié)構(gòu)，包含骨料、水泥漿基體和10～50μm 厚的界面過(guò)渡區(qū)。由于溫度變形和自身變形，在硬化早期形成內(nèi)應(yīng)力（拉應(yīng)力）、損傷和微裂縫，使其微結(jié)構(gòu)中的界面區(qū)進(jìn)一步削弱。特別是如今的高強(qiáng)度等級(jí)混凝土，拌和過(guò)程加入的膠凝材料活性高、細(xì)度高、用量大，攪拌后出機(jī)口混凝土的初溫很高，這種混凝土即使?jié)沧⒊尚蛿嗝娉叽绮缓艽蟮臉?gòu)件，也會(huì)因放熱速率快而到達(dá)很高的溫峰，使隨后降溫的幅度明顯增大。而在升溫與降溫階段，即混凝土膨脹和收縮過(guò)程，其彈性模量存在巨大反差，再疊加上期間的自身收縮和水分蒸發(fā)引起的收縮，就使混凝土生成較大的拉應(yīng)力。而且，現(xiàn)場(chǎng)混凝土澆注過(guò)程中的泌水、離析使其形成薄弱界面，混凝土在早齡期由于收縮變形受約束形成的彈性拉應(yīng)力和損傷又將進(jìn)一步削弱界面；而試件在室內(nèi)成型時(shí)是攪拌完后立即澆注且澆注高度小，不大會(huì)出現(xiàn)那么薄弱的界面，且硬化過(guò)程出現(xiàn)的溫度變形和自身變形由于不受約束，也不會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力和損傷[7]。

同時(shí)，目前評(píng)估混凝土耐久性的方法，是針對(duì)室內(nèi)成型沒(méi)有受過(guò)損傷的試件；按照自然界環(huán)境變化的速率去進(jìn)行，獲得對(duì)不同原材料或配比的試驗(yàn)結(jié)果則需很長(zhǎng)時(shí)間。為了加快試驗(yàn)進(jìn)度，就要將試驗(yàn)條件設(shè)置得比自然環(huán)境更嚴(yán)酷，例如快速凍融試驗(yàn)方法中，要將試件置于四周充水的橡膠套里，在幾小時(shí)里就完成一個(gè)凍融循環(huán)，混凝土試件的溫度在8～-17℃大范圍反復(fù)變化。在如此嚴(yán)酷的環(huán)境里，已經(jīng)存在損傷的芯樣很快飽水，并隨著凍融循環(huán)的繼續(xù)，損傷進(jìn)一步加劇，所以破壞迅速；而室內(nèi)成型的試件不僅沒(méi)受損傷，而且表面一層密實(shí)的漿體形成“第一道防線(xiàn)”，可以避免周?chē)乃譂B入，在經(jīng)歷盡管十分嚴(yán)酷的凍融循環(huán)過(guò)程出現(xiàn)損傷的速率大為減慢。因此，試件和芯樣的抗凍試驗(yàn)結(jié)果存在很大反差，現(xiàn)場(chǎng)鉆取的芯樣不能用于評(píng)估混凝土的抗凍性[8]。

3　結(jié)論

（1）高性能混凝土的尺寸轉(zhuǎn)換系數(shù) fcu,15/fcu,10隨標(biāo)準(zhǔn)試件抗壓強(qiáng)度的增大而呈減小趨勢(shì)，主要集中在0.85～0.95范圍內(nèi)，約為0.915，但有較大波動(dòng)。因而，高強(qiáng)度等級(jí)混凝土抗壓強(qiáng)度宜采用標(biāo)準(zhǔn)試件通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定；使用非標(biāo)準(zhǔn)尺寸試件時(shí)，尺寸折算系數(shù)應(yīng)由試驗(yàn)確定。

（2）高強(qiáng)度等級(jí)混凝土的耐久性具有顯著尺寸效應(yīng)，隨著試件尺寸的增大，抗?jié)B性和抗凍性均大大降低。養(yǎng)護(hù)環(huán)境對(duì)高強(qiáng)度等級(jí)混凝土的抗?jié)B性有較大影響，適宜的養(yǎng)護(hù)溫度和較長(zhǎng)的濕養(yǎng)時(shí)間有利于提高混凝土的抗?jié)B性。

（3）混凝土芯樣可用于評(píng)價(jià)其強(qiáng)度，而不能評(píng)價(jià)耐久性。

[1] GBJ10—89．混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[2] GB50204—292．混凝土結(jié)構(gòu)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范[S]．

[3] 陳肇元，朱金銓?zhuān)瑓桥邃摚邚?qiáng)混凝土及其應(yīng)用[M]．北京：清華大學(xué)出版社，1992．

[4] 冷發(fā)光．粉煤灰高性能混凝土試件強(qiáng)度尺寸效應(yīng)研究[J] ．混凝土，2000(9)：18-19．

[5] Xiang Shu, Baoshan Huang, Hao Wu, Qiao Dong, Edwin G. Burdette. Performance comparison of laboratory and field produced pervious concrete mixtures [J]. Building and Environment.2011(25)：3187-3192.

[6] Lulu Basheer, JoergKropp, David J. Cleland. Assessment of the durability of concrete from its permeation properties: a review [J]. Construction and Building Materials2001(15)：93-103.

[7] Leopoldo Franco, Alberto Noli, Paolo De Girolamo, Martina Ercolani. Concrete strength and durability of prototype tetrapods and dolosse: results of field and laboratory tests [J] Coastal Engineering2000(40):207-219

[8] 覃維祖．混凝土耐久性評(píng)估：用試件還是用芯樣[J]．混凝土世界，2010.10：25-28．

［通訊地址］湖北省武漢市武漢大學(xué)工學(xué)部 水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（430072）

Size effect on the strength and durability of high strength concrete

Han Weiwei, Liu Shuhua
(Wuhan university, Water resources and hydropower engineering science and state key laboratory, HubeiWuhan430072)

High performance concrete is a national key promotional technique at present in China, but its strength and durability are affected by its size. There is a significant linear correlation between compressive strength of standard specimens of15cm3and10cm3under the condition of laboratory experiment anddifferent curing condition, and the conversion coefficient of size effect fcu,15/fcu,10decreases with the increase of standard compressive strength. Impermeability and frost-resistance of specimens decrease significantly when sizes of samples increase. Effect of size oncore samples is smaller than that on specimens, but there are more microcracksand defects in core samples which lead to the decrease of impermeability and frost-resistance of samples, so core samples cannot be used to evaluate the durability of concrete.

high strength concrete; specimen; core samples; strength, durability; size effect

韓唯偉（1990—），女，武漢大學(xué)水利水電學(xué)院在讀研究生，主要研究礦渣在不同膠凝體中的水化機(jī)制，特別是礦渣在超硫酸鹽水泥和堿激發(fā)礦渣水泥中的水化機(jī)制。