超高性能混凝土抗壓性能尺寸效應研究

趙 康 邱宇康 胡澤堃云 葛心宇 陸 鵬 劉 峰

（南京林業大學，江蘇 南京 210037）

0 引言

超高性能混凝土（以下簡稱為“UHPC”）是近年來出現的一種高強度、高剛度的材料，同時也具有優異的韌性以及耐久性，在一些大型大跨結構中有著較為廣闊的應用前景。

尺寸效應是指材料的力學性能具有尺寸相關性，即在不同尺寸下其力學性能顯示出一定的差異性。混凝土的力學性能與多種因素相關，除原材料特性、配合比和養護制度等外，試件尺寸的影響也是不可忽略的。1925年，Gonnerman[1]就發現了尺寸效應在混凝土材料中的存在，即混凝土的強度往往隨著試件尺寸增大而呈現出一定規律的降低。在土木、橋梁和水利工程等領域，通常都是大型結構，實驗室中所測強度值并不能反映其真實強度[2]。因此研究尺寸效應對混凝土抗壓性能的影響尤為必要。

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

蘇捷[6][7]研究了骨料對混凝土抗壓性能尺寸效應的影響，結果表明，摻加粗骨料的混凝土試件抗壓強度尺寸效應更明顯。混凝土的宏觀力學性能主要受界面過渡區的影響，粗骨料越多，則界面過渡區越多，而混凝土受壓破壞時往往從界面過渡區開始。根據隨機強度尺寸效應理論，骨料越多的混凝土試件有更多的薄弱面，因此其發生失效破壞概率更大，表現為尺寸效應更顯著。同時其也對含粗骨料的高強混凝土的尺寸效應進行了測試[8]，結果表明高強混凝土依然存在尺寸效應且較明顯，其結果與大多數研究者的實驗結果都吻合。

1 不同鋼纖維摻量對抗壓強度的影響

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行尺寸效應測試研究。

本項目使用的UHPC是一種由蘇博特公司商品化的產品SBT-HDC。鋼纖維摻量按體積分數來控制，試件尺寸為100mm×100mm×100mm，鋼纖維摻量分別為0%、1%、2%。測試儀器為江寧結構實驗室300t壓力試驗機，加載速率為0.5mm/min。

當鋼纖維摻量為0%時，抗壓強度為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，呈脆性破壞，現場可以聽到響亮的炸裂聲。當鋼纖維摻量為1%時，抗壓強度為120.3MPa、113.6MPa、122.5MPa，平均值為118.8MPa，破壞時試件出現碎屑，同時由于鋼纖維的作用試件破壞時整體還間斷連接，呈延性破壞。當鋼纖維摻量為2%時，抗壓強度為146.4MPa、136.1MPa、140.8MPa，平均值為141.1MPa，破壞時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的UHPC的抗壓強度見表1。由表1可以看出，鋼纖維的摻量對UHPC抗壓強度影響較大，相比于0%的摻量，1%的摻量其抗壓強度增長了40%、2%的摻量其抗壓強度增長了70%。未摻入鋼纖維時，試件內部存在著較多微裂紋及其他缺陷，試件受荷承受壓應力時，非受荷方向承受與壓應力方向垂直的拉應力，在拉應力作用下，試件內部缺陷最先達到極限受荷狀態從而成為裂縫開展端，在無纖維約束的情況下，裂縫快速發展直至混凝土試件破壞，使得試件強度不高。

表1 不同鋼纖維摻量的UHPC的抗壓強度（單位：MPa）

當試件內部摻入鋼纖維后，其亂向分布于試件內部形成三維骨架與UHPC基體共同承擔外力。一方面，鋼纖維能夠約束混凝土的橫向變形，起到“環箍效應”作用；另一方面，試件內部缺陷處裂紋開展時鋼纖維能夠有效橋接微裂縫，抑制其開展，隨著裂縫繼續發展，鋼纖維依然能夠傳遞應力從而有效抵擋外力。在此過程中，鋼纖維與基體不斷發生粘結滑移，鋼纖維與基體間良好的粘結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，使得上述作用進一步增強，纖維摻量越大，試件的延性越明顯[9]。

2 尺寸效應研究

2.1 不同尺寸的立方體抗壓荷載位移關系及其抗壓強度

選取2%的纖維摻量繼續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，氣孔出現概率越大。各邊長立方體抗壓荷載位移關系見圖1～圖3。

圖1 邊長70.7mm的立方體抗壓荷載位移關系

圖2 邊長100mm立方體抗壓荷載位移關系

圖3 邊長150mm立方體抗壓荷載位移關系

邊長為70.7mm的試件抗壓荷載為701.5kN、689.3kN、696.8kN時，其抗壓強度分別為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，抗壓強度分別為133.3MPa、142.6MPa、135.4MPa。整體上看，抗壓強度略微比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，其抗壓強度分別為121.5MPa、117.5MPa、115.7MPa。整體上看，其抗壓強度比70.7mm、100mm邊長試件更小一些。

2.2 尺寸效應分析

尺寸效應受眾多因素的影響，其產生基礎為不同尺寸試件中的缺陷差異。統計尺寸效應理論認為，由于大尺寸試件中存在更多的缺陷，因此其發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，發生強度下降的可能性也大大提高。根據斷裂力學學說，試件破壞時的臨界應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，因此其臨界應力將低于小試件。

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

表2 各個尺寸下立方體試件抗壓強度（單位：MPa）

小尺寸試件抗壓強度明顯高于大尺寸試件，以100mm邊長試件作為基準，70.7mm邊長換算系數為0.98，而150mm的換算系數則為1.16。

3 結束語

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

（1）UHPC強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延性破壞。

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