水泥膠砂強度尺寸效應(yīng)試驗研究

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，混凝土由于它的原料來源充足、成本低、施工簡便和耐久性好等優(yōu)點，使得它成為了目前最大宗量的土木工程材料。無論在建筑物還是構(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力學(xué)性能與其試件尺寸之間的關(guān)系，將會對混凝土力學(xué)性能的研究具有十分重要的意義。此外，國內(nèi)外關(guān)于混凝土尺寸效應(yīng)對強度影響的研究文獻(xiàn)，相對較多[2-8]，而研究尺寸效應(yīng)對于水泥基砂漿體的硬化后在各齡期影響的文章，相對較少。

目前世界各國研究者對混凝土的宏觀力學(xué)強度尺寸效應(yīng)進(jìn)行了大量研究，并得出混凝土的抗壓強度隨尺寸改變而發(fā)生變化的結(jié)論，即尺寸越大其抗壓強度越低。其中Malhotra[2]、Neville[3]、Sabnis[4]等人對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度普遍高于150 mm×300 mm試樣；Sabnis對十二個學(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)驗公式。張麗[5]等研究不同替代率再生混凝土抗壓強度尺寸效應(yīng)之間關(guān)系，通過試驗得出:當(dāng)取代率不相同時其抗壓強度有顯著的尺寸效應(yīng)；朱爾玉[6]對不同尺寸試件的普通混凝土進(jìn)行系統(tǒng)性的試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)普通混凝土硬化后的強度具有尺寸效應(yīng)，并且能夠利用相應(yīng)的經(jīng)驗公式表達(dá)出來。

關(guān)于水泥膠砂力學(xué)強度尺寸效應(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)的試驗中，采用試件幾何尺寸和應(yīng)力比為試驗變量，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度有所下降，當(dāng)主側(cè)應(yīng)力比為0.1時，大尺寸砂漿試塊的抗壓強度大約為小尺寸試塊的97%；蘇捷[8]等對三種尺寸、不同強度等級的水泥砂漿立方體試件進(jìn)行抗壓試驗，通過試驗得出水泥砂漿試件在不同強度條件下尺寸效應(yīng)對抗壓強度的影響，同時提出抗壓強度尺寸效應(yīng)率的計算公式。

1 試 驗

1.1 原材料

試驗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)，實驗所用細(xì)集料是天然河砂。經(jīng)過試驗測得細(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 試驗配合比與計算方法

通過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，來探究尺寸效應(yīng)對于水泥砂漿體硬化后在3 d、7 d、14 d、28 d各齡期的影響，配比見表1。

表1 各組試驗原材料配比

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)《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》GB/T17671—2020規(guī)范里相關(guān)的規(guī)定，將試驗結(jié)果運用有關(guān)公式進(jìn)行計算，得到結(jié)果見表2。

表2 各組的試驗數(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度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加趨勢與普通標(biāo)準(zhǔn)膠砂試件的增加趨勢基本相同，即齡期增加，抗壓和抗折強度也逐漸增加。非標(biāo)準(zhǔn)小試件的抗折強度在各齡期階段(3 d、7 d、14 d和28 d)都比標(biāo)準(zhǔn)試件的大一些，這點與Weibull統(tǒng)計尺寸效應(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度的小單元，而尺寸越大，低強度的小單元存在的概率就越大[9]。但是非標(biāo)準(zhǔn)小試件的抗壓強度在各齡期階段比標(biāo)準(zhǔn)試件的要小一些,這點與這個理論卻相反。

從圖1中看標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)膠砂有效抗折強度對比，不難發(fā)現(xiàn)它們有一定的線性相關(guān)性，利用試驗有關(guān)的數(shù)據(jù)擬合計算出兩者相關(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，利用試驗相關(guān)數(shù)據(jù)對兩者不同齡期的有效抗壓強度進(jìn)行數(shù)學(xué)模型擬算，當(dāng)兩者成冪函數(shù)關(guān)系式時，方程為y=3.315 8x0.653 5，此時相關(guān)系數(shù)最大，即相關(guān)系數(shù)R2=0.808 1，這點也說明兩者之間的關(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度之間具有重要的關(guān)聯(lián)價值。例如交通工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中JTGD40—2011、CJJ11—2011、CJJ169—2012等都給出抗壓和抗折強度之間的經(jīng)驗公式。這些公式具有式(1)一般形式

(1)

式中,Rf、Rc分別為抗折、抗壓強度，MPa；α、β均為常數(shù)。結(jié)合該文試驗所得相關(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)，這說明標(biāo)準(zhǔn)試件的膠砂抗壓和抗折強度與普通混凝土的經(jīng)驗公式基本相同。但是從圖4來看，按照試驗結(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)驗范圍有一定的差值，這說明非標(biāo)準(zhǔn)試件的膠砂抗壓和抗折強度與普通混凝土的經(jīng)驗公式有一定區(qū)別。

3 結(jié) 論

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

a.隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長，小尺寸非標(biāo)準(zhǔn)試件的抗壓和抗折強度增長趨勢與普通標(biāo)準(zhǔn)試件的增加趨勢十分相似，在各齡期階段前者抗折強度較大，但是就抗壓強度而言，后者較大些。

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

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