趙 康 邱宇康 胡澤堃云 葛心宇 陸 鵬 劉 峰

（南京林業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210037）

0 引言

超高性能混凝土（以下簡稱為“UHPC”）是近年來出現(xiàn)的一種高強(qiáng)度、高剛度的材料，同時(shí)也具有優(yōu)異的韌性以及耐久性，在一些大型大跨結(jié)構(gòu)中有著較為廣闊的應(yīng)用前景。

尺寸效應(yīng)是指材料的力學(xué)性能具有尺寸相關(guān)性，即在不同尺寸下其力學(xué)性能顯示出一定的差異性?；炷恋牧W(xué)性能與多種因素相關(guān)，除原材料特性、配合比和養(yǎng)護(hù)制度等外，試件尺寸的影響也是不可忽略的。1925年，Gonnerman[1]就發(fā)現(xiàn)了尺寸效應(yīng)在混凝土材料中的存在，即混凝土的強(qiáng)度往往隨著試件尺寸增大而呈現(xiàn)出一定規(guī)律的降低。在土木、橋梁和水利工程等領(lǐng)域，通常都是大型結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)室中所測強(qiáng)度值并不能反映其真實(shí)強(qiáng)度[2]。因此研究尺寸效應(yīng)對混凝土抗壓性能的影響尤為必要。

混凝土的抗壓強(qiáng)度包括立方體、棱柱體和圓柱體抗壓強(qiáng)度。在20世紀(jì)就有眾多學(xué)者對混凝土抗壓強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究，Neville[3]對抗壓強(qiáng)度介于13～48MPa，尺寸為70mm、125mm和150mm的立方體試件進(jìn)行測試發(fā)現(xiàn)，小尺寸試件抗壓強(qiáng)度明顯高于大尺寸試件。Malhotra[4]則發(fā)現(xiàn)對于強(qiáng)度為7～48MPa的混凝土試件，150mm×300mm圓柱體試件的抗壓強(qiáng)度相對于100mm×200mm試件普遍偏低。Yi等[5]對圓柱體及立方體試件抗壓強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)進(jìn)行了研究，其結(jié)果與尺寸效應(yīng)理論吻合良好。

蘇捷[6][7]研究了骨料對混凝土抗壓性能尺寸效應(yīng)的影響，結(jié)果表明，摻加粗骨料的混凝土試件抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)更明顯。混凝土的宏觀力學(xué)性能主要受界面過渡區(qū)的影響，粗骨料越多，則界面過渡區(qū)越多，而混凝土受壓破壞時(shí)往往從界面過渡區(qū)開始。根據(jù)隨機(jī)強(qiáng)度尺寸效應(yīng)理論，骨料越多的混凝土試件有更多的薄弱面，因此其發(fā)生失效破壞概率更大，表現(xiàn)為尺寸效應(yīng)更顯著。同時(shí)其也對含粗骨料的高強(qiáng)混凝土的尺寸效應(yīng)進(jìn)行了測試[8]，結(jié)果表明高強(qiáng)混凝土依然存在尺寸效應(yīng)且較明顯，其結(jié)果與大多數(shù)研究者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都吻合。

1 不同鋼纖維摻量對抗壓強(qiáng)度的影響

本文首先分析不同鋼纖維摻量下UHPC抗壓性能，然后選擇合適的纖維摻量進(jìn)行尺寸效應(yīng)測試研究。

本項(xiàng)目使用的UHPC是一種由蘇博特公司商品化的產(chǎn)品SBT-HDC。鋼纖維摻量按體積分?jǐn)?shù)來控制，試件尺寸為100mm×100mm×100mm，鋼纖維摻量分別為0%、1%、2%。測試儀器為江寧結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室300t壓力試驗(yàn)機(jī)，加載速率為0.5mm/min。

當(dāng)鋼纖維摻量為0%時(shí)，抗壓強(qiáng)度為72.2MPa、82.0MPa、94.6MPa，平均值為82.9MPa，破壞模式為接近45°角的鍥型破壞，損壞的碎片處于分崩離析狀態(tài)，呈脆性破壞，現(xiàn)場可以聽到響亮的炸裂聲。當(dāng)鋼纖維摻量為1%時(shí)，抗壓強(qiáng)度為120.3MPa、113.6MPa、122.5MPa，平均值為118.8MPa，破壞時(shí)試件出現(xiàn)碎屑，同時(shí)由于鋼纖維的作用試件破壞時(shí)整體還間斷連接，呈延性破壞。當(dāng)鋼纖維摻量為2%時(shí)，抗壓強(qiáng)度為146.4MPa、136.1MPa、140.8MPa，平均值為141.1MPa，破壞時(shí)相比較而言破碎的部分變少，間斷的部分可以看到鋼纖維。

不同鋼纖維摻量對應(yīng)的UHPC的抗壓強(qiáng)度見表1。由表1可以看出，鋼纖維的摻量對UHPC抗壓強(qiáng)度影響較大，相比于0%的摻量，1%的摻量其抗壓強(qiáng)度增長了40%、2%的摻量其抗壓強(qiáng)度增長了70%。未摻入鋼纖維時(shí)，試件內(nèi)部存在著較多微裂紋及其他缺陷，試件受荷承受壓應(yīng)力時(shí)，非受荷方向承受與壓應(yīng)力方向垂直的拉應(yīng)力，在拉應(yīng)力作用下，試件內(nèi)部缺陷最先達(dá)到極限受荷狀態(tài)從而成為裂縫開展端，在無纖維約束的情況下，裂縫快速發(fā)展直至混凝土試件破壞，使得試件強(qiáng)度不高。

表1 不同鋼纖維摻量的UHPC的抗壓強(qiáng)度（單位：MPa）

當(dāng)試件內(nèi)部摻入鋼纖維后，其亂向分布于試件內(nèi)部形成三維骨架與UHPC基體共同承擔(dān)外力。一方面，鋼纖維能夠約束混凝土的橫向變形，起到“環(huán)箍效應(yīng)”作用；另一方面，試件內(nèi)部缺陷處裂紋開展時(shí)鋼纖維能夠有效橋接微裂縫，抑制其開展，隨著裂縫繼續(xù)發(fā)展，鋼纖維依然能夠傳遞應(yīng)力從而有效抵擋外力。在此過程中，鋼纖維與基體不斷發(fā)生粘結(jié)滑移，鋼纖維與基體間良好的粘結(jié)力使其消耗了大量能量，因此試件抗壓能力大大提高。隨著鋼纖維摻量的增加，纖維平均間距減小，更多的纖維能夠承受荷載并抑制微裂縫開展，其在一定程度上能夠提高UHPC的延性，使得上述作用進(jìn)一步增強(qiáng)，纖維摻量越大，試件的延性越明顯[9]。

2 尺寸效應(yīng)研究

2.1 不同尺寸的立方體抗壓荷載位移關(guān)系及其抗壓強(qiáng)度

選取2%的纖維摻量繼續(xù)拌和成型不同尺寸的立方體試件，其邊長分別為70.7mm、100mm、150mm。試件表面基本較為光滑，僅有一些氣孔，試件尺寸越大，氣孔出現(xiàn)概率越大。各邊長立方體抗壓荷載位移關(guān)系見圖1～圖3。

圖1 邊長70.7mm的立方體抗壓荷載位移關(guān)系

圖2 邊長100mm立方體抗壓荷載位移關(guān)系

圖3 邊長150mm立方體抗壓荷載位移關(guān)系

邊長為70.7mm的試件抗壓荷載為701.5kN、689.3kN、696.8kN時(shí)，其抗壓強(qiáng)度分別為140.3MPa、137.9MPa、139.4MPa。

邊長為100mm的試件抗壓荷載為1333.2kN、1425.7kN、1353.6kN時(shí)，抗壓強(qiáng)度分別為133.3MPa、142.6MPa、135.4MPa。整體上看，抗壓強(qiáng)度略微比70.7mm邊長試件小一些。

邊長為150mm的試件抗壓荷載為2734.6kN、2644.8kN、2603.4kN時(shí)，其抗壓強(qiáng)度分別為121.5MPa、117.5MPa、115.7MPa。整體上看，其抗壓強(qiáng)度比70.7mm、100mm邊長試件更小一些。

2.2 尺寸效應(yīng)分析

尺寸效應(yīng)受眾多因素的影響，其產(chǎn)生基礎(chǔ)為不同尺寸試件中的缺陷差異。統(tǒng)計(jì)尺寸效應(yīng)理論認(rèn)為，由于大尺寸試件中存在更多的缺陷，因此其發(fā)生失效破壞的可能性大于小試件。UHPC中大尺寸試件往往存在更多的微裂紋和孔隙，因此其缺陷相比小尺寸更多，發(fā)生強(qiáng)度下降的可能性也大大提高。根據(jù)斷裂力學(xué)學(xué)說，試件破壞時(shí)的臨界應(yīng)力與裂紋長度的平方根成反比，而大尺寸試件往往裂紋長度大于小試件，因此其臨界應(yīng)力將低于小試件。

表2列出了各個(gè)尺寸試件的立方體抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)，可以看出邊長為70.7mm、100mm、150mm的試件抗壓強(qiáng)度分別為139.2MPa、137.1MPa、118.3MPa，隨著尺寸的增大，強(qiáng)度代表值降低。

表2 各個(gè)尺寸下立方體試件抗壓強(qiáng)度（單位：MPa）

小尺寸試件抗壓強(qiáng)度明顯高于大尺寸試件，以100mm邊長試件作為基準(zhǔn)，70.7mm邊長換算系數(shù)為0.98，而150mm的換算系數(shù)則為1.16。

3 結(jié)束語

本文針對UHPC抗壓性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，通過改變鋼纖維摻量研究其對抗壓強(qiáng)度的影響，確定最佳摻量。在此基礎(chǔ)上，對比分析不同尺寸立方體試件抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律以及換算系數(shù)。主要結(jié)論如下：

（1）UHPC強(qiáng)度受鋼纖維摻量影響較大，相比于0%的摻量，1%、2%的摻量其強(qiáng)度分別增長了40%、70%。

（2）UHPC破壞模式也受鋼纖維摻量影響，隨著鋼纖維摻量的增加，試件由脆性破壞逐漸出現(xiàn)延性破壞。

（3）UHPC以100mm邊長立方體為基準(zhǔn)，小尺寸試件（d=70.7mm）強(qiáng)度偏高，換算系數(shù)為0.98；大尺寸試件（d=150mm）強(qiáng)度偏低，換算系數(shù)為1.16。