葛根旺，潘隨偉，任安琪，陳秀玲，陳德鵬

(1.馬鞍山學(xué)院，馬鞍山 243100；2.安徽工業(yè)大學(xué)，馬鞍山 243100)

自波蘭特水泥的發(fā)明以來(lái)，混凝土由于它的原料來(lái)源充足、成本低、施工簡(jiǎn)便和耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，使得它成為了目前最大宗量的土木工程材料。無(wú)論在建筑物還是構(gòu)筑物等建筑工程(例如房屋、道路和水利工程)中它都發(fā)揮著無(wú)可替代的作用[1]。水泥基砂漿體是混凝土的重要構(gòu)成物質(zhì),起到重要的潤(rùn)滑和膠結(jié)作用。它不僅有包裹骨料和填充骨料之間間隙的功能，而且混凝土宏觀力學(xué)性能也受其力學(xué)性能的影響。因此，如果能夠準(zhǔn)確探究出水泥基砂漿硬化后的真實(shí)力學(xué)性能與其試件尺寸之間的關(guān)系，將會(huì)對(duì)混凝土力學(xué)性能的研究具有十分重要的意義。此外，國(guó)內(nèi)外關(guān)于混凝土尺寸效應(yīng)對(duì)強(qiáng)度影響的研究文獻(xiàn)，相對(duì)較多[2-8]，而研究尺寸效應(yīng)對(duì)于水泥基砂漿體的硬化后在各齡期影響的文章，相對(duì)較少。

目前世界各國(guó)研究者對(duì)混凝土的宏觀力學(xué)強(qiáng)度尺寸效應(yīng)進(jìn)行了大量研究，并得出混凝土的抗壓強(qiáng)度隨尺寸改變而發(fā)生變化的結(jié)論，即尺寸越大其抗壓強(qiáng)度越低。其中Malhotra[2]、Neville[3]、Sabnis[4]等人對(duì)不同尺寸混凝土試件進(jìn)行尺寸效應(yīng)研究，Neville發(fā)現(xiàn)非標(biāo)準(zhǔn)小尺寸試樣的力學(xué)強(qiáng)度比標(biāo)準(zhǔn)試樣高；Malhotra得出小尺寸100 mm×200 mm圓柱體混凝土抗壓強(qiáng)度普遍高于150 mm×300 mm試樣；Sabnis對(duì)十二個(gè)學(xué)者所做不同的養(yǎng)護(hù)條件下不同種類混凝土在不同齡期下所得到的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了數(shù)據(jù)回歸分析，得出混凝土尺寸效應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式。張麗[5]等研究不同替代率再生混凝土抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)之間關(guān)系，通過(guò)試驗(yàn)得出:當(dāng)取代率不相同時(shí)其抗壓強(qiáng)度有顯著的尺寸效應(yīng)；朱爾玉[6]對(duì)不同尺寸試件的普通混凝土進(jìn)行系統(tǒng)性的試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)普通混凝土硬化后的強(qiáng)度具有尺寸效應(yīng)，并且能夠利用相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式表達(dá)出來(lái)。

關(guān)于水泥膠砂力學(xué)強(qiáng)度尺寸效應(yīng)的研究，張俊[7]等人研究砂漿立方體試塊在雙軸抗壓性能尺寸效應(yīng)的試驗(yàn)中，采用試件幾何尺寸和應(yīng)力比為試驗(yàn)變量，研究發(fā)現(xiàn)隨著試樣尺寸的增大，砂漿立方體試塊抗壓強(qiáng)度有所下降，當(dāng)主側(cè)應(yīng)力比為0.1時(shí)，大尺寸砂漿試塊的抗壓強(qiáng)度大約為小尺寸試塊的97%；蘇捷[8]等對(duì)三種尺寸、不同強(qiáng)度等級(jí)的水泥砂漿立方體試件進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)得出水泥砂漿試件在不同強(qiáng)度條件下尺寸效應(yīng)對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響，同時(shí)提出抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)率的計(jì)算公式。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)中使用水泥是安徽某水泥公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥(42.5級(jí))，實(shí)驗(yàn)所用細(xì)集料是天然河砂。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)得細(xì)骨料的含泥量為1.0%；其細(xì)度模數(shù)為2.3，為中砂；其含水率約為2.3%；堆積密度是1 570 kg/m3。

1.2 試驗(yàn)配合比與計(jì)算方法

通過(guò)三組用砂量和水泥用量不變，只改變用水量從而調(diào)整水膠比的方法，來(lái)探究尺寸效應(yīng)對(duì)于水泥砂漿體硬化后在3 d、7 d、14 d、28 d各齡期的影響，配比見(jiàn)表1。

表1 各組試驗(yàn)原材料配比

其中：A1-40、A2-40、A3-40表示試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm；A1-20、A2-20、A3-20為非標(biāo)準(zhǔn)尺寸水泥膠砂試件，尺寸為20 mm×40 mm×160 mm。

2 結(jié)果與討論

依據(jù)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》GB/T17671—2020規(guī)范里相關(guān)的規(guī)定，將試驗(yàn)結(jié)果運(yùn)用有關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算，得到結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 各組的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表2中，可以觀察到非標(biāo)準(zhǔn)試件的抗壓和抗折強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加趨勢(shì)與普通標(biāo)準(zhǔn)膠砂試件的增加趨勢(shì)基本相同，即齡期增加，抗壓和抗折強(qiáng)度也逐漸增加。非標(biāo)準(zhǔn)小試件的抗折強(qiáng)度在各齡期階段(3 d、7 d、14 d和28 d)都比標(biāo)準(zhǔn)試件的大一些，這點(diǎn)與Weibull統(tǒng)計(jì)尺寸效應(yīng)理論基本一致，即結(jié)構(gòu)的尺寸效應(yīng)起源于材料存在低強(qiáng)度的小單元，而尺寸越大，低強(qiáng)度的小單元存在的概率就越大[9]。但是非標(biāo)準(zhǔn)小試件的抗壓強(qiáng)度在各齡期階段比標(biāo)準(zhǔn)試件的要小一些,這點(diǎn)與這個(gè)理論卻相反。

從圖1中看標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)膠砂有效抗折強(qiáng)度對(duì)比，不難發(fā)現(xiàn)它們有一定的線性相關(guān)性，利用試驗(yàn)有關(guān)的數(shù)據(jù)擬合計(jì)算出兩者相關(guān)方程，即y=1.536 4x-2.940 5，其中方程相關(guān)系數(shù)R2=0.788 9，這意味著兩者之間存在的關(guān)聯(lián)性較好。從圖2中看出標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)膠砂兩者也有一定關(guān)聯(lián)性，利用試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)兩者不同齡期的有效抗壓強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)學(xué)模型擬算，當(dāng)兩者成冪函數(shù)關(guān)系式時(shí)，方程為y=3.315 8x0.653 5，此時(shí)相關(guān)系數(shù)最大，即相關(guān)系數(shù)R2=0.808 1，這點(diǎn)也說(shuō)明兩者之間的關(guān)聯(lián)性較好。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范能夠知道抗壓和抗折強(qiáng)度之間具有重要的關(guān)聯(lián)價(jià)值。例如交通工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中JTGD40—2011、CJJ11—2011、CJJ169—2012等都給出抗壓和抗折強(qiáng)度之間的經(jīng)驗(yàn)公式。這些公式具有式(1)一般形式

(1)

式中,Rf、Rc分別為抗折、抗壓強(qiáng)度，MPa；α、β均為常數(shù)。結(jié)合該文試驗(yàn)所得相關(guān)現(xiàn)象和結(jié)果，作者根據(jù)公式(1)推算在標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)試件下水泥基砂漿抗壓與抗折之間的關(guān)系方程，并給出α、β的取值情況。具體所得結(jié)果如圖3和圖4所示。

從圖3可知，按照試驗(yàn)結(jié)果所擬合出的公式，在一定程度上有較好的吻合性(相關(guān)性系數(shù)R2為0.842 7)，α為0.777，β為0.575 8(通常情況下β取值范圍是0.5～0.7)，這說(shuō)明標(biāo)準(zhǔn)試件的膠砂抗壓和抗折強(qiáng)度與普通混凝土的經(jīng)驗(yàn)公式基本相同。但是從圖4來(lái)看，按照試驗(yàn)結(jié)果所擬合出的公式雖然在一定程度上有較好的吻合性(相關(guān)性系數(shù)R2是0.904 2)，但是α為0.217 4，β為0.961 9(通常情況下β取值范圍是0.5～0.7)，β的取值與經(jīng)驗(yàn)范圍有一定的差值，這說(shuō)明非標(biāo)準(zhǔn)試件的膠砂抗壓和抗折強(qiáng)度與普通混凝土的經(jīng)驗(yàn)公式有一定區(qū)別。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)不同水膠比下水泥基砂漿試件進(jìn)行抗壓和抗折強(qiáng)度尺寸效應(yīng)試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

a.隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，小尺寸非標(biāo)準(zhǔn)試件的抗壓和抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)與普通標(biāo)準(zhǔn)試件的增加趨勢(shì)十分相似，在各齡期階段前者抗折強(qiáng)度較大，但是就抗壓強(qiáng)度而言，后者較大些。

b.水灰比不同時(shí)，尺寸效應(yīng)對(duì)抗折強(qiáng)度的影響不同，尤其是對(duì)水灰比小的水泥基砂漿試件影響明顯，但是對(duì)不同水灰比的抗壓強(qiáng)度影響不是那么明顯。

c.依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到非標(biāo)準(zhǔn)試件水泥基砂漿的強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)試件的強(qiáng)度關(guān)系式有：