摘 要：【目的】超高性能混凝土（UHPC）具有廣闊的應(yīng)用前景，但目前在應(yīng)用中還存在諸多問題。其中，尺寸效應(yīng)對UHPC力學(xué)性能的影響是不可忽視的重要因素?！痉椒ā炕诒姸鄬W(xué)者開展的宏觀力學(xué)試驗研究闡述了UHPC尺寸效應(yīng)的研究現(xiàn)狀。【結(jié)果】總結(jié)了試件形狀、鋼纖維類型、纖維摻量和纖維形狀對UHPC強(qiáng)度尺寸效應(yīng)力學(xué)性能方面的影響?！窘Y(jié)論】通過對現(xiàn)有的試驗結(jié)果進(jìn)行總結(jié)分析，對UHPC強(qiáng)度尺寸效應(yīng)未來的研究方向提出相關(guān)建議，以期為相關(guān)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：超高性能混凝土；尺寸效應(yīng)；鋼纖維；力學(xué)性能

中圖分類號：TU528" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2025）01-0060-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.01.011

Review on the Size Effect of Strength in UHPC

MENG Jiangfeng1 LI Yuanchun1 AN Jikang2 SHI Yingying1

（1.The 11th Water Resources and Hydropower Bureau of China，Zhengzhou 450001， China; 2.School of Civil Engineering and Communications， North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450045， China）

Abstract： [Purposes] Ultra-high performance concrete （UHPC） has broad application prospects， but there are still many problems in the current application， and among them， the influence of size effect on the mechanical properties of UHPC is an important factor that cannot be ignored. [Methods] Based on the macroscopic mechanical experimental research carried out by scholars， this paper expounds the research status of the size effect of UHPC. [Findings] This paper summarized" the influence of specimen shape， steel fiber type， fiber content， and fiber shape on the size effect mechanical properties of UHPC strength. [Conclusions] Through the summary and analysis of existing test results， the future research direction of the size effect of UHPC strength is prospected， in order to provide reference and reference for relevant personnel.

Keywords： UHPC; size effect; steel fibre; mechanical properties

收稿日期：2024-01-16

作者簡介：孟江鋒（1992—），男，碩士，助理工程師，研究方向：混凝土斷裂力學(xué)。

通信作者：李嫄春（1977—），男，本科，高級工程師，研究方向：混凝土結(jié)構(gòu)工程。

0 引言

隨著城市化的發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)形式日趨復(fù)雜，實際工程對混凝土的要求越來越高，為了滿足工程要求，目前大多數(shù)建筑選用高強(qiáng)度、耐久性好的超高性能混凝土（UHPC）。然而，UHPC本身存在的諸多問題也成為業(yè)界關(guān)注的焦點，由混凝土脆性而引發(fā)的尺寸效應(yīng)就是其中之一［1］。UHPC作為一種水泥基材料，具有卓越的耐久性和高強(qiáng)度。尺寸效應(yīng)是UHPC材料的固有特性，使得大尺寸UHPC實際結(jié)構(gòu)性能和縮尺模型測試結(jié)果存在差異［2］。因此研究UHPC的力學(xué)性能時需考慮尺寸對其產(chǎn)生的影響［3］。近些年來，國內(nèi)外針對UHPC的研究主要集中在配合比設(shè)計［4-6］、力學(xué)性能［7-10］、耐久性［11-14］和微觀結(jié)構(gòu)［15-17］等幾方面，然而，關(guān)于UHPC尺寸效應(yīng)的研究仍存在不足。目前，通過試驗研究UHPC基本力學(xué)性能的尺寸效應(yīng)仍是最直接、最有效的方法。在這些試驗中，研究人員主要開展抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)、抗拉強(qiáng)度尺寸效應(yīng)及抗折強(qiáng)度尺寸效應(yīng)研究。試驗時所采用試件類型如圖1所示。

本研究主要從UHPC強(qiáng)度試驗方面闡述超高性能混凝土尺寸效應(yīng)的研究現(xiàn)狀，深入分析混凝土強(qiáng)度尺寸效應(yīng)對力學(xué)性能的影響。基于前人的試驗研究成果對UHPC尺寸效應(yīng)未來的研究方向進(jìn)行展望，以便為UHPC尺寸效應(yīng)的研究提供參考。

1 UHPC 抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)

1.1 試件形狀對UHPC抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)影響

試件形狀對尺寸效應(yīng)的影響是必須考慮的因素之一，當(dāng)前各國標(biāo)準(zhǔn)中抗壓強(qiáng)度的測試試件通常采用尺寸為100 mm的立方體、Φ70 mm×140 mm的圓柱體和Φ100 mm×200 mm的圓柱體。陳寶春等［19］研究了UHPC的形狀與抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)的換算關(guān)系，結(jié)果表明，立方體的尺寸效應(yīng)比圓柱體的尺寸效應(yīng)更明顯，并建議將UHPC的標(biāo)準(zhǔn)試件（100 mm立方體）的抗壓強(qiáng)度提高到120～130 MPa，同時將70.7 mm立方體作為非標(biāo)準(zhǔn)試件。UHPC的形狀與尺寸效應(yīng)轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖2所示。杜任遠(yuǎn)等［20］的研究結(jié)果表明，邊長100 mm與150 mm的立方體試件的抗壓強(qiáng)度比值約為1.10，因此推薦100 mm為標(biāo)準(zhǔn)試件，150 m的立方體試件作為非標(biāo)準(zhǔn)試件。趙康等［21］對最佳摻量為2%的UHPC抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)進(jìn)行了研究，試驗結(jié)果表明，當(dāng)摻量為2%時，UHPC的抗壓強(qiáng)度具有明顯的尺寸效應(yīng)，當(dāng)以邊長100 mm的立方體為基準(zhǔn)時，邊長為70.7、150 mm的立方體試件的抗壓強(qiáng)度換算系數(shù)分別為0.98、1.16。

1.2 鋼纖維對UHPC抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)影響

與普通混凝土相比，UHPC的破壞過程更為復(fù)雜，因此其尺寸效應(yīng)也受到原材料種類、配合比、鋼纖維種類和摻量等眾多因素的影響，其中，鋼纖維的影響至關(guān)重要。有研究表明［22-25］，鋼纖維體積摻量會對UHPC立方體抗壓強(qiáng)度及軸心抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)產(chǎn)生影響，并發(fā)現(xiàn)增大鋼纖維摻量可有效減少UHPC抗壓強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)。羅晨熙等［24］認(rèn)為采用端勾型鋼纖維可大幅降低UHPC的抗壓強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)。杜任遠(yuǎn)等［20］研究表明，鋼纖維摻量為2%時UHPC達(dá)到抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值。同樣，An等［26］采用纖維摻量分別為0、1%、2%的UHPC的抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)，結(jié)果表明，纖維摻量為2%時UHPC抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)最明顯。趙康等［21］也對鋼纖維摻量為2%的UHPC抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)進(jìn)行了研究，得到了同樣的結(jié)論。徐魏巍等［27］從試件的形狀效應(yīng)、尺寸效應(yīng)和鋼纖維體積率等幾方面進(jìn)行了試驗研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)鋼纖維的體積率為2.0%時，其抗壓強(qiáng)度相較于體積率為1.0%時提升了1.5倍，當(dāng)高徑比為1時，其抗壓強(qiáng)度相較于高徑比為4時提升了1.5倍，表明鋼纖維UHPC試件的形狀效應(yīng)和尺寸效應(yīng)現(xiàn)象更為顯著。

蘇捷等［2］研究了含有不同鋼纖維體積摻量的UHPC立方體抗壓強(qiáng)度及尺寸效應(yīng)的變化規(guī)律，結(jié)果表明，降低鋼纖維體積摻量，可以有效減輕UHPC立方體抗壓強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)，這是因為邊壁效應(yīng)的存在導(dǎo)致的［28］。樊榮［3］通過UHPC立方體抗壓尺寸效應(yīng)試驗，發(fā)現(xiàn)UHPC立方體抗壓尺寸效應(yīng)現(xiàn)象均隨鋼纖維體積摻量的增加而更加明顯。另外，加入長鋼纖維后，相較于摻入短鋼纖維的UHPC立方體試件抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)有所降低。以上研究表明，試件形狀、纖維摻量、纖維類型都會對UHPC抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)產(chǎn)生影響。

2 UHPC 劈裂抗拉強(qiáng)度尺寸效應(yīng)

對于超高性能混凝土（UHPC），由于其抗壓強(qiáng)度高，對試驗設(shè)備要求也高，一般實驗室很難滿足要求，但是其抗拉強(qiáng)度較低，因此實驗室常采用劈裂抗拉試驗來評價混凝土的抗拉性能?？估瓘?qiáng)度是衡量結(jié)構(gòu)開裂和發(fā)生脆性破壞的重要指標(biāo)。因此對UHPC抗拉強(qiáng)度尺寸效應(yīng)的研究也是十分必要的。目前，開展UHPC劈裂抗拉強(qiáng)度尺寸效應(yīng)試驗的研究還較少。樊榮［3］將試件尺寸（70.7、100、150 mm）、鋼纖維體積摻量（0、1%、2%）和長度（7、13 mm）作為變量，對UHPC的劈裂抗拉強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)進(jìn)行了試驗研究和理論分析，通過試驗發(fā)現(xiàn)，UHPC劈裂抗拉尺寸效應(yīng)均隨鋼纖維體積摻量的增加而更加明顯。另外，加入長鋼纖維后，UHPC劈裂抗拉強(qiáng)度尺寸效應(yīng)均比摻入短鋼纖維弱。于浩［29］以纖維體積摻量和齡期為變化參數(shù)，研究了高延性纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度尺寸效應(yīng)，試驗結(jié)果表明，纖維的加入能夠?qū)Ω哐有岳w維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度尺寸效應(yīng)有所緩解；當(dāng)纖維的體積摻量不變時，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長，其尺寸效應(yīng)變得更加明顯。以上研究表明，UHPC劈裂抗拉強(qiáng)度尺寸效應(yīng)受纖維摻量、纖維類型、試件齡期等多方面影響。

3 UHPC抗折強(qiáng)度尺寸效應(yīng)

抗折強(qiáng)度是UHPC強(qiáng)度尺寸效應(yīng)研究中必不可少的部分。錢覺時等［30］開展了超高強(qiáng)鋼纖維混凝土抗折強(qiáng)度尺寸效應(yīng)試驗，結(jié)果表明，抗折強(qiáng)度存在明顯的尺寸效應(yīng)，并且混凝土脆性對混凝土強(qiáng)度尺寸效應(yīng)具有一定影響。Reineck等［31］研究了超高性能纖維混凝土的抗折強(qiáng)度尺寸效應(yīng)，結(jié)果表明抗折強(qiáng)度受高寬比影響大。通過進(jìn)行超高性能混凝土梁三點和四點彎曲試驗，Wille等［32］和Mahmud等［33］認(rèn)為，由于UHPC具有較高的韌性，故其抗折強(qiáng)度尺寸效應(yīng)可以忽略不計。然而，Yoo等［34］在研究纖維幾何形狀對UHPC彎曲性能的尺寸效應(yīng)時發(fā)現(xiàn)，超高性能混凝土的彎拉強(qiáng)度存在尺寸效應(yīng)，這是由于纖維數(shù)量的減少和纖維取向不良造成的。此外，含有短鋼纖維比含有長鋼纖維的UHPC表現(xiàn)出更大的彎曲性能尺寸效應(yīng)。蘇捷等［35］則討論了不同強(qiáng)度等級、鋼纖維類型及摻量對UHPC彎曲強(qiáng)度的影響，研究表明，UHPC梁抗折強(qiáng)度尺寸效應(yīng)隨著UHPC強(qiáng)度等級的提高和鋼纖維摻量的增加而更加顯著；摻入端勾型比平直型鋼纖維尺寸效應(yīng)更為明顯。此外，蘇捷等［36］還分析了鋼纖維摻量，粗骨料含量及水膠比對UHPC彎拉強(qiáng)度及尺寸效應(yīng)的影響。結(jié)果表明，隨著粗骨料含量的提高，UHPC抗折強(qiáng)度尺寸效應(yīng)更加顯著，隨水膠比的提高而逐漸減弱。以上研究表明，UHPC抗折強(qiáng)度尺寸效應(yīng)受到多種因素的影響，其中，纖維摻量、纖維類型、纖維形狀的影響至關(guān)重要。

4 結(jié)論與建議

基于國內(nèi)外學(xué)者大量試驗研究，得出UHPC存在明顯的尺寸效應(yīng)，由于UHPC的破壞過程較為復(fù)雜，因此其尺寸效應(yīng)也受到眾多因素的影響，所以對UHPC尺寸效應(yīng)的研究還存在諸多問題：①國內(nèi)外針對UHPC劈裂抗拉強(qiáng)度尺寸效應(yīng)的研究相對較少；②針對UHPC強(qiáng)度尺寸效應(yīng)機(jī)理的研究尚未給出明確的解釋；③UHPC尺寸效應(yīng)缺乏微觀方面的研究。因此建議可將UHPC尺寸效應(yīng)與其微觀結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，從該方面入手進(jìn)行尺寸效應(yīng)的解釋及機(jī)理分析。

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