駱欽杰

浙江中成建工集團(tuán)有限公司

混凝土受壓與受拉性能的尺寸效應(yīng)研究

駱欽杰

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混凝土受力的尺寸效應(yīng)研究主要包括受壓時(shí)的尺寸效應(yīng)研究與受拉時(shí)的尺寸效應(yīng)研究，針對(duì)不同強(qiáng)度、尺寸、形狀混凝土的受壓強(qiáng)度與受拉強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量。本研究對(duì)混凝土的受力性能與尺寸效應(yīng)的關(guān)系進(jìn)行了描述與分析，進(jìn)行了受拉與受壓實(shí)驗(yàn)，研究了混凝土在不同規(guī)格下的尺寸效應(yīng)表現(xiàn)。

混凝土；受力性能；尺寸效應(yīng)

1 前言

混凝土在建筑領(lǐng)域有著十分重要的應(yīng)用，是必不可少的施工材料，混凝土的各方面力學(xué)性能與最終的建筑施工質(zhì)量有著密切的關(guān)系，我國(guó)建筑事業(yè)的不斷發(fā)展離不開對(duì)混凝土材料性質(zhì)的研究，本研究對(duì)混凝土的抗拉與抗壓時(shí)的尺寸效應(yīng)進(jìn)行了研究。尺寸效應(yīng)在很多領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用，比如在生物領(lǐng)域、物理學(xué)領(lǐng)域，而在建筑領(lǐng)域，如在混凝土材料方面也有著一定的應(yīng)用，是一個(gè)極為重要的特征數(shù)據(jù)，將混凝土的尺寸效應(yīng)研究透徹，才能更好地測(cè)量混凝土的強(qiáng)度等指標(biāo)。

2 混凝土受力情況與其尺寸效應(yīng)現(xiàn)狀

2.1 尺寸效應(yīng)理論概述

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

2.2 混凝土受壓性能尺寸效應(yīng)

混凝土在使用過程中，主要應(yīng)用的是其受壓強(qiáng)度來維持各種建筑物的結(jié)構(gòu)，對(duì)其受壓強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)研究是十分重要的，對(duì)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(shí)的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式P1/P0=0.56+0.697*d/(h+(v/6h))。當(dāng)強(qiáng)度變化并逐步增大時(shí)，混凝土試塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)間隙會(huì)相應(yīng)減少，尺寸效應(yīng)也會(huì)相應(yīng)的變化。

3 混凝土受力尺寸效應(yīng)研究與分析

3.1 研究準(zhǔn)備與研究方案

實(shí)驗(yàn)前首先假設(shè)混凝土的受力后的尺寸效應(yīng)與其形狀、大小、強(qiáng)度等有關(guān)，那么采取多種不同的混凝土進(jìn)行對(duì)照分析。對(duì)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(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，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(qiáng)度大小?；炷猎噳K的尺寸分別為10cm、15cm、20cm，對(duì)于每一尺寸的部件，應(yīng)用三種強(qiáng)度等級(jí)，強(qiáng)度大小呈梯度遞增。同時(shí)對(duì)于每組尺寸與對(duì)應(yīng)強(qiáng)度采用五組實(shí)驗(yàn)來對(duì)照，取平均值來分析結(jié)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(jì)?；炷恋牡V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(qiáng)度分別為28.8兆帕、37.5兆帕、56.6兆帕，其受拉強(qiáng)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(jì)算，其系數(shù)為2.36，將此系數(shù)應(yīng)用于后續(xù)計(jì)算中。

3.2 研究過程

在對(duì)混凝土進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的過程中，分為受壓與受拉實(shí)驗(yàn)。受壓時(shí)采用壓力試驗(yàn)器械，在試驗(yàn)過程中，對(duì)混凝土試塊進(jìn)行勻速不斷加壓，當(dāng)混凝土試塊達(dá)到受壓極值時(shí)，會(huì)被破壞，在此過程中研究其受壓時(shí)的尺寸效應(yīng)。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(dǎo)出并制出受壓曲線圖，并根據(jù)公式計(jì)算出尺寸效應(yīng)曲線圖?；炷恋氖芾瓘?qiáng)度研究主要可以采用軸拉、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(qiáng)度分析法并分析其與尺寸效應(yīng)的關(guān)系。在劈拉實(shí)驗(yàn)研究的過程中，采用夾具與墊條來對(duì)混凝土試塊進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，墊條的尺寸對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響不小，因此對(duì)于拉伸混凝土試塊時(shí)的墊條應(yīng)該仔細(xì)選擇[2]。我國(guó)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)是長(zhǎng)度大于混凝土試塊直徑的三到四毫米的膠合板墊條，在測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)混凝土試塊時(shí)，則采用鋼制墊條來進(jìn)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(shí)嚴(yán)格按照吊裝步驟進(jìn)行吊裝。將混凝土受拉強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行記錄，在對(duì)混凝土抗壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果的記錄后，使用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)差，參照尺寸效應(yīng)的相關(guān)理論與經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行分析，畫出關(guān)系曲線圖，根據(jù)混凝土強(qiáng)度與尺寸的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。

3.3 研究結(jié)果與分析

在混凝土受壓試驗(yàn)中，得出了強(qiáng)度等級(jí)為20、20、60與直徑為100、150、200的受壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)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(yàn)結(jié)果比較符合線性分布，其離散型較小，混凝土試塊的受壓強(qiáng)度隨著尺寸的增加而縮減。在混凝土耐拉試驗(yàn)中，尺寸為150mm混凝土試塊的尺寸效應(yīng)值在三種強(qiáng)度下分別為4.19、6.35、7.48，尺寸為200mm部件的尺寸效應(yīng)值為7.88、12.72、14.55，其結(jié)果的離散性較大，拉伸壓力面積過大的時(shí)候尺寸效應(yīng)會(huì)突變減弱直至消失。

4 結(jié)語(yǔ)

通過了上述實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度、表面積的混凝土進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)測(cè)量，并使用科學(xué)的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(yīng)，并且混凝土的尺寸效應(yīng)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(shí)，為了提升混凝土強(qiáng)度，應(yīng)當(dāng)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(qiáng)度也會(huì)大幅度減少，這是研究者與施工者應(yīng)該注意的要點(diǎn)。

[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(yīng)的細(xì)觀數(shù)值研究[J].水利學(xué)報(bào).2016(2)

[2]蘇捷,方志,楊鉆.骨料組分和強(qiáng)度等級(jí)對(duì)混凝土單軸受壓性能尺寸效應(yīng)的影響[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào).2014(5)