駱欽杰

浙江中成建工集團有限公司

混凝土受壓與受拉性能的尺寸效應研究

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混凝土受力的尺寸效應研究主要包括受壓時的尺寸效應研究與受拉時的尺寸效應研究，針對不同強度、尺寸、形狀混凝土的受壓強度與受拉強度進行測量。本研究對混凝土的受力性能與尺寸效應的關系進行了描述與分析，進行了受拉與受壓實驗，研究了混凝土在不同規(guī)格下的尺寸效應表現(xiàn)。

混凝土；受力性能；尺寸效應

1 前言

混凝土在建筑領域有著十分重要的應用，是必不可少的施工材料，混凝土的各方面力學性能與最終的建筑施工質(zhì)量有著密切的關系，我國建筑事業(yè)的不斷發(fā)展離不開對混凝土材料性質(zhì)的研究，本研究對混凝土的抗拉與抗壓時的尺寸效應進行了研究。尺寸效應在很多領域都有著重要的應用，比如在生物領域、物理學領域，而在建筑領域，如在混凝土材料方面也有著一定的應用，是一個極為重要的特征數(shù)據(jù)，將混凝土的尺寸效應研究透徹，才能更好地測量混凝土的強度等指標。

2 混凝土受力情況與其尺寸效應現(xiàn)狀

2.1 尺寸效應理論概述

在混凝土的尺寸效應研究中，有幾大主流理論，包括了威布爾尺寸效應理論、裂紋尺寸效應理論，能量變化尺寸效應理論，其研究者分別為統(tǒng)計學家Weibull、美國工程與科學院院士Zdenek P.Bazant、意大利材料學家Alberto Carpinteri。他們所研究的理論為尺寸效應提供了理論依據(jù)，也為本研究所做的實驗提供了參考。

2.2 混凝土受壓性能尺寸效應

混凝土在使用過程中，主要應用的是其受壓強度來維持各種建筑物的結構，對其受壓強度的尺寸效應研究是十分重要的，對多種不同混凝土試塊采取研究分析后，采用威布爾回歸分析法得出了受壓力時的經(jīng)驗計算公式P1/P0=0.56+0.697*d/(h+(v/6h))。當強度變化并逐步增大時，混凝土試塊內(nèi)部結構間隙會相應減少，尺寸效應也會相應的變化。

3 混凝土受力尺寸效應研究與分析

3.1 研究準備與研究方案

實驗前首先假設混凝土的受力后的尺寸效應與其形狀、大小、強度等有關，那么采取多種不同的混凝土進行對照分析。對混凝土的研究采用兩種不同形狀的混凝土試塊，分別為圓柱體試塊與立方體試塊，采用多組不同規(guī)格的混凝土試塊進行對比試驗，混凝土試塊的規(guī)格主要包括混凝土試塊的尺寸與混凝土試塊的強度大小?；炷猎噳K的尺寸分別為10cm、15cm、20cm，對于每一尺寸的部件，應用三種強度等級，強度大小呈梯度遞增。同時對于每組尺寸與對應強度采用五組實驗來對照，取平均值來分析結果。其混凝土的主要組成如下，二氧化硅占23.02%，三氧化二鋁占5.57%，氧化鈣占65.7%，氧化鎂占1.1%，三氧化二鐵占4.61%，其余成分忽略不計。混凝土的礦物含量為17.5%，每千克混凝土的表面積為317m2，三種規(guī)格的受壓強度分別為28.8兆帕、37.5兆帕、56.6兆帕，其受拉強度分別為5.1兆帕、6.3兆帕、7.6兆帕。在骨料的分析中，砂的系數(shù)公式為β=（（B1+B2+B3+B4+B5）-5B0）/（100-B0），經(jīng)計算，其系數(shù)為2.36，將此系數(shù)應用于后續(xù)計算中。

3.2 研究過程

在對混凝土進行實驗研究的過程中，分為受壓與受拉實驗。受壓時采用壓力試驗器械，在試驗過程中，對混凝土試塊進行勻速不斷加壓，當混凝土試塊達到受壓極值時，會被破壞，在此過程中研究其受壓時的尺寸效應。加壓過程中，加壓速度為每秒0.5兆帕，最終破壞混凝土試塊，根據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)導出并制出受壓曲線圖，并根據(jù)公式計算出尺寸效應曲線圖?；炷恋氖芾瓘姸妊芯恐饕梢圆捎幂S拉、劈拉、彎拉這三種受拉分析方法，這里主要研究的是混凝土采用劈拉強度分析法并分析其與尺寸效應的關系。在劈拉實驗研究的過程中，采用夾具與墊條來對混凝土試塊進行拉伸實驗，墊條的尺寸對于實驗結果的影響不小，因此對于拉伸混凝土試塊時的墊條應該仔細選擇[2]。我國規(guī)定的標準是長度大于混凝土試塊直徑的三到四毫米的膠合板墊條，在測試標準混凝土試塊時，則采用鋼制墊條來進行拉伸。墊條在放置過程中必須與地面垂直，以最大限度地減少環(huán)境的影響，使材料更均勻，在吊裝時嚴格按照吊裝步驟進行吊裝。將混凝土受拉強度的試驗結果進行記錄，在對混凝土抗壓實驗結果的記錄后，使用數(shù)學統(tǒng)計方法，篩選出離散度較高的數(shù)據(jù)，并拋棄，保留離散度低的數(shù)據(jù)并取均值與標準差，參照尺寸效應的相關理論與經(jīng)驗公式進行分析，畫出關系曲線圖，根據(jù)混凝土強度與尺寸的數(shù)據(jù)進行相關性分析。

3.3 研究結果與分析

在混凝土受壓試驗中，得出了強度等級為20、20、60與直徑為100、150、200的受壓強度實測值，經(jīng)過標準差計算分析得出其變異系數(shù)（ceofficient of variation）分別為3.25、2.68、3.01、2.52、3.66、4.87、5.99、5.38、5.94，變異系數(shù)均在6%以內(nèi)，說明試驗結果比較符合線性分布，其離散型較小，混凝土試塊的受壓強度隨著尺寸的增加而縮減。在混凝土耐拉試驗中，尺寸為150mm混凝土試塊的尺寸效應值在三種強度下分別為4.19、6.35、7.48，尺寸為200mm部件的尺寸效應值為7.88、12.72、14.55，其結果的離散性較大，拉伸壓力面積過大的時候尺寸效應會突變減弱直至消失。

4 結語

通過了上述實驗與研究，通過混凝土的受拉與受壓分析，使用多種不同形狀、強度、表面積的混凝土進行對照實驗測量，并使用科學的統(tǒng)計學方法對數(shù)據(jù)進行分析研究，發(fā)現(xiàn)混凝土的尺寸與面積在一定范圍內(nèi)才有較明顯的尺寸效應，并且混凝土的尺寸效應是隨著混凝土試塊直徑的增加而減少的，由此可以得出，在建筑施工時，為了提升混凝土強度，應當盡可能的減少混凝土物塊直徑，而若是直徑過大，混凝土的強度也會大幅度減少，這是研究者與施工者應該注意的要點。

[1]李冬,金瀏,杜修力.鋼筋混凝土柱軸心受壓性能及尺寸效應的細觀數(shù)值研究[J].水利學報.2016(2)

[2]蘇捷,方志,楊鉆.骨料組分和強度等級對混凝土單軸受壓性能尺寸效應的影響[J].建筑結構學報.2014(5)