水工混凝土尺寸效應(yīng)研究綜述

張 虹 胡廷正 楊全文

(1青州市何官鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)中心，山東 青州262512；2青州市仁河水庫(kù)管理局，山東 青州262500)

1 引言

尺寸效應(yīng)是指材料的力學(xué)性能不再是一個(gè)常數(shù)，而是隨著材料幾何尺寸的變化而變化。混凝土尺寸效應(yīng)現(xiàn)象表現(xiàn)為混凝土強(qiáng)度及其相關(guān)的力學(xué)參數(shù)與試件尺寸之間的關(guān)系。目前，在水利工程領(lǐng)域中，混凝土是最重要的建筑材料。因此，研究混凝土的尺寸效應(yīng)，成為研究人員面臨的課題之一。本文將對(duì)水工混凝土尺寸效應(yīng)的研究結(jié)果進(jìn)行分析和評(píng)述。

2 國(guó)內(nèi)外尺寸效應(yīng)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外對(duì)混凝土的尺寸效應(yīng)問(wèn)題最早起源于15世紀(jì)，由Leonardo da vinci首先提出，并最早由Gonnerman將尺寸效應(yīng)用于混凝土材料的研究[1]，隨后越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)揭示了混凝土材料存在著尺寸效應(yīng)。目前，混凝土強(qiáng)度尺寸效應(yīng)的研究工作主要集中在抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)、抗拉強(qiáng)度尺寸效應(yīng)、抗彎強(qiáng)度尺寸效應(yīng)和斷裂尺寸效應(yīng)等方面。

2.1 混凝土抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)

美國(guó)墾務(wù)局對(duì)普通混凝土圓柱體試件的試驗(yàn)結(jié)果[2]表明：混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試值隨試件尺寸的增大而減小，當(dāng)試件超過(guò)某一界限后，尺寸效應(yīng)逐漸減緩。楊成球[3]和楊忠義[4]等人對(duì)全級(jí)配及相應(yīng)濕篩混凝土立方體試件進(jìn)行了單軸抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：全級(jí)配與濕篩混凝土的強(qiáng)度均存在尺寸效應(yīng)，其變化規(guī)律符合Weibull統(tǒng)計(jì)理論。文獻(xiàn)[5~17]的實(shí)驗(yàn)表明：普通混凝土和高強(qiáng)混凝土圓柱體試件都存在尺寸效應(yīng)，其表現(xiàn)抗壓強(qiáng)度隨圓柱體試件尺寸的增大而降低。黃煜鑌[18，19]對(duì)高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)研究結(jié)果也顯示，強(qiáng)度越高，尺寸效應(yīng)更為明顯。Neville實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示，小尺寸試件具有明顯高的強(qiáng)度。朱爾玉[20]等試驗(yàn)分析了不同形狀和不同尺寸混凝土試件抗壓強(qiáng)度具有較高的相關(guān)性。雖然對(duì)抗壓強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)現(xiàn)象已經(jīng)進(jìn)行了許多的試驗(yàn)研究和理論探討，但目前并沒有較大的進(jìn)展。

2.2 混凝土抗拉強(qiáng)度尺寸效應(yīng)

由于混凝土的拉伸試驗(yàn)較為困難，所以，對(duì)混凝土抗拉強(qiáng)度尺寸效應(yīng)研究相對(duì)較少。Carpinteri利用直接拉伸試驗(yàn)中獲得了穩(wěn)定的、完整的軟化曲線。試驗(yàn)結(jié)果[21]表明：混凝土拉伸強(qiáng)度具有顯著的尺寸效應(yīng)，截面寬度5cm的試件強(qiáng)度為4.33MPa，而當(dāng)尺寸增大到40cm時(shí)強(qiáng)度僅為3.17MPa。對(duì)于劈裂抗拉強(qiáng)度，宣國(guó)良的分析表明：強(qiáng)度測(cè)試值隨試件尺寸的增大而減小[22~25]。對(duì)相同劈裂面積不同直徑的圓柱體試件，當(dāng)其劈裂面上的受拉區(qū)面積相同時(shí)，具有相同的劈拉強(qiáng)度。因此，對(duì)于形狀相似的試件，可以用劈裂面積來(lái)研究劈拉強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)。盡管大多數(shù)研究結(jié)果都證實(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度隨試件尺寸增大而降低，但也有部分結(jié)果得出不同的結(jié)論。Bazant等的研究表明，隨試件尺寸增大,劈裂抗拉強(qiáng)度反映出首先降低并隨后增大的趨勢(shì)；而Chen等人的研究認(rèn)為劈裂抗拉強(qiáng)度隨尺寸增大而略有高；Rocco等人得出劈裂抗拉強(qiáng)度隨試件尺寸增大而單調(diào)降低并在大尺寸時(shí)趨近于一常數(shù)。

2.3 混凝土抗彎強(qiáng)度尺寸效應(yīng)

對(duì)抗彎強(qiáng)度尺寸效應(yīng)來(lái)講，研究結(jié)果也顯示混凝土的抗彎強(qiáng)度存在明顯的尺寸效應(yīng)[26,27]，但對(duì)于不同類型混凝土、不同因素對(duì)尺寸效應(yīng)的有關(guān)影響研究很少。Z.P.Bazant的試驗(yàn)結(jié)果[28]表明：混凝土試件的抗彎強(qiáng)度隨著截面尺寸的增大而減小。從張彤[29]和李光偉[30]等人的測(cè)試結(jié)果也可看出這一點(diǎn)。但黃煜鑌[18,19]對(duì)高強(qiáng)混凝土的抗彎強(qiáng)度尺寸效應(yīng)進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示，超高強(qiáng)混凝土相比于高強(qiáng)混凝土，其抗彎強(qiáng)度對(duì)尺寸效應(yīng)的影響比較平緩，這與抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)的規(guī)律不同。

2.4 混凝土耐久性尺寸效應(yīng)

除以上研究外，冷發(fā)光等[31~33]通過(guò)鉆芯取樣對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度、氯離子滲透性能、抗凍融循環(huán)性能和抗硫酸鹽腐蝕性能等耐久性方面的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)混凝土尺寸效應(yīng)對(duì)耐久性有較大影響。曾偉等[34]對(duì)透水混凝土的性能也進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：對(duì)于邊長(zhǎng)150mm的立方試塊，除了10%孔隙率的lOOmm立方試塊尺寸效應(yīng)不明顯外，15%和20%孔隙率條件下的lOOmm、200mm試塊的尺寸效應(yīng)以及10%孔隙率的200mm試塊的尺寸效應(yīng)都超過(guò)普通混凝土。朱惠英[35~37]對(duì)堿-硅反應(yīng)膨脹值進(jìn)行了初步探討，認(rèn)為試件的橫截面尺寸是影響ASR膨脹結(jié)果的關(guān)鍵。

2.5 碾壓混凝土尺寸效應(yīng)

韓曉鳳，張仲卿等對(duì)碾壓混凝土層面抗剪斷強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)，碾壓混凝土層面抗剪原位抗剪斷強(qiáng)度指標(biāo)的尺寸效應(yīng)明顯[38~43]，f′和c′的值均隨試件尺寸的增大而減小，且f′和c′值隨尺寸變化的程度更大。王澤云[44]和文獻(xiàn)[45~48]的試驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為，尺寸效應(yīng)對(duì)彈性模量沒有影響；對(duì)縱向應(yīng)變的影響也較小，但對(duì)橫向應(yīng)變有一定的影響，以較小試塊測(cè)得的應(yīng)變值較大。李光偉對(duì)極限拉伸值進(jìn)行了研究[49]，全級(jí)配大體積混凝土的極限拉伸值低于濕篩小試件混凝土的極限拉伸值，兩者的比為0.54~0.76，平均為0.64；姜榮梅等[50~52]則提出碾壓混凝土極限拉伸值的濕篩尺寸效應(yīng)系數(shù)為0.70~0.79，平均值為O.74。

2.6 混凝土斷裂尺寸效應(yīng)

國(guó)內(nèi)外對(duì)混凝土斷裂尺寸效應(yīng)研究較多[53~57],但迄今為止尚未有一個(gè)公認(rèn)的結(jié)論。一種觀點(diǎn)認(rèn)為，混凝土斷裂能是實(shí)驗(yàn)方法產(chǎn)生的誤差引起的，不依賴于試件的尺寸[58]。如Rajendra等認(rèn)為斷裂能的尺寸效應(yīng)來(lái)源于測(cè)量位移過(guò)程中支座的影響所帶來(lái)的偏差[59]，同濟(jì)大學(xué)的張東［60］等以及重慶建筑大學(xué)的錢覺時(shí)［61］認(rèn)為出現(xiàn)尺寸效應(yīng)是由于對(duì)荷載-位移曲線的尾部處理不當(dāng)造成。另一種觀點(diǎn)認(rèn)為,由實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的混凝土斷裂能存在尺寸效應(yīng),只有當(dāng)試件的尺寸無(wú)限大時(shí)斷裂能才是恒定的常數(shù)[62,63]。大部分研究者發(fā)現(xiàn)[64~66]：對(duì)于幾何相似的混凝土試件，增大試件尺寸會(huì)引起斷裂能的增加；尺寸對(duì)于斷裂能的影響隨試件尺寸與骨料最大粒徑比值的增大而減少，當(dāng)試件尺寸明顯大于骨料粒徑時(shí)，尺寸效應(yīng)的影響就不太明顯。徐世烺[67]等研究表明：三點(diǎn)彎曲梁法測(cè)試混凝土雙K斷裂參數(shù)無(wú)明顯的尺寸效應(yīng)，楔入劈拉試件由于豎向加載荷載引起附加力矩脅對(duì)裂縫尖端應(yīng)力場(chǎng)的影響，導(dǎo)致測(cè)試所得混凝土斷裂韌度值存在一定的尺寸效應(yīng)，當(dāng)采取措施消除此影響或此影響較小時(shí)，楔入劈拉試件測(cè)得的雙K斷裂參數(shù)值也將無(wú)明顯的尺寸效應(yīng)。

3 結(jié)語(yǔ)

混凝土尺寸效應(yīng)是一種普遍現(xiàn)象，表現(xiàn)為各個(gè)方面，但混凝土尺寸效應(yīng)研究還有很多問(wèn)題有待深入。

（1）完善大尺寸混凝土性能測(cè)試方法和技術(shù)，研究測(cè)試大尺寸混凝土性能的試驗(yàn)設(shè)備。

（2）借鑒量子化學(xué)理論的相關(guān)知識(shí)，豐富大尺寸混凝土性能的相關(guān)理論，建立混凝土宏觀力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

（3）運(yùn)用交叉學(xué)科的相關(guān)理論和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)信息技術(shù)，研究大尺寸混凝土性能。

[1]黃海燕.混凝土尺寸效應(yīng)理論研究與斷裂參數(shù)分析.博士論文.2004：5-8

[2]姜福田.混凝土力學(xué)性能與測(cè)定(第一版).北京:中國(guó)鐵道出版社.1989年.

[3]楊成球,吳政.全級(jí)配混凝土強(qiáng)度尺寸效應(yīng)及變形特性研究.大連理工大學(xué)學(xué)報(bào).1997(1):129-134.

[4]楊忠義.全級(jí)配混凝土強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)研究.水電站設(shè)計(jì). 2008(3):11-14.

[5]M.Lessard，0.Chaallal，P.C.Aitein. Testing high strength concrete compressi Vestrength，ACI Materials Journal. 1993(4):303-308.

[6]Z.P.Bazant，P.A.pfeiffer，Determination of fracture energy from size effect and Brittleness number.ACIMaterials Journ al.1987(6):463~480.

其他參考文獻(xiàn)省略