混凝土强度尺寸效应的研究进展
混凝土拉,压剪强度尺寸效应研究
混凝土拉,压剪强度尺寸效应研究
1引言
混凝土作为一种广泛使用的建筑材料，在研究其力学性能时常常会遇到尺寸效应的问题。
其中，拉、压剪强度是衡量混凝土强度的主要指标之一。
本文将对混凝土拉、压剪强度尺寸效应进行探讨。
2拉强度尺寸效应研究
拉强度尺寸效应是指同一种混凝土，不同尺寸的试件在受力时其抗拉强度的差异。
拉强度尺寸效应的原因主要是试件尺寸对试件的应力状态产生了影响。
大尺寸的试件由于应力分布比小尺寸的试件更加平缓，因此相同的应变下其应力较小，抗拉强度也相对较低。
拉强度的尺寸效应一般用等效直径或等效面积方法进行矫正，使得在不同尺寸试件的拉伸强度可以进行有效的比较。
3压剪强度尺寸效应研究
压剪强度尺寸效应是指同一种混凝土，在不同尺寸试件中其抗压和抗剪强度存在差异。
相对于拉强度尺寸效应，压剪强度的尺寸效应比较复杂。
由于混凝土的非线性本质，其应力-应变关系在不同尺寸试件中存在差异，因此仅采用等效直径和等效面积的方法进行矫正并不完全。
目前，压剪强度尺寸效应主要通过试验进行研究，并将试验结果应用于工程实践中。
4结论
综合以上分析，拉、压剪强度尺寸效应是混凝土力学研究中常见的问题之一。
针对拉强度尺寸效应，可采用等效直径或等效面积方法进行矫正；而压剪强度的矫正则需要同时考虑试验结果与工程实践结合的方式进行。
深入研究混凝土尺寸效应，可以更好地了解混凝土的力学性能，并为工程实践提供指导。
钢筋混凝土梁抗弯性能尺寸效应试验研究
钢筋混凝土梁抗弯性能尺寸效应试验研究周宏宇;李振宝【摘要】For the size effect on quasi-brittle materials such as concrete, related researches have been carried out for many years. However, related test studies combined with concrete structures or components are not sufficient. This article is based on experimental studies of 13 reinforced concrete beams, carrying out experimental research on five different section size beams. The section height of the biggest experimental specimen is 1 000 mm. Test data during different loading stages were obtained. Analysis on test results shows that the size effect of flexural behaviors of RC beams mainly reflects in reinforcement yielding stage and concrete crushing stage. Strength and ductility show a growing trend with specimen size increasing. The safety of calculation theory of RC beam bearing capacity in chinese code is verified indirectly.%现阶段钢筋混凝土结构分析方法与计算理论主要基于小尺寸构件试验结果,对大尺寸构件开展尺寸效应的试验研究还不多,相关理论验证尚不充分.文章针对13个钢筋混凝土梁开展尺寸效应试验研究,详细测试并采集不同加载阶段构件的承载力、挠度、钢筋与混凝土应变等试验数据,最大试验梁截面高度1000 mm.研究结果表明:随受弯试件截面尺寸增大,受压区混凝土材料的强度和极限变形能力均呈减小趋势,混凝土材料抗压性能尺寸效应反映到正截面承载性能中,对受弯承载力产生负面尺寸效应；而内力臂和钢筋等影响因素对受弯承载力产生显著的正面尺寸效应.随试件尺寸增大,受弯构件强度和延性储备整体呈现增长趋势,从而间接验证了现阶段受弯承载力计算理论的安全性.【期刊名称】《结构工程师》【年(卷),期】2012(028)006【总页数】4页(P113-116)【关键词】钢筋混凝土梁;抗弯性能;试验研究【作者】周宏宇;李振宝【作者单位】北京工业大学建筑工程学院,北京100124;北京工业大学建筑工程学院,北京100124【正文语种】中文1 引言混凝土是准脆性材料，理论上必然存在强度尺寸效应，相关研究已开展多年。
超高性能混凝土基本力学性能的尺寸效应研究
超高性能混凝土基本力学性能的尺寸效应研究超高性能混凝土(Ultra-High-Performance concrete)具有优异的力学性能及耐久性能,被广泛的用于桥梁等大型结构中。
通过掺加钢纤维,UHPC的受压及弯曲性能得到极大的改善,然而UHPC的实际应用往往受限于其高昂的造价。
为突破这一局限性,可通过纤维混杂的方式降低造价并提升性能。
尽管UHPC 具有卓越的力学性能,其在不同尺寸结构中往往表现出具有差异性的力学特性。
因此,为准确的描述这种尺寸依赖性的力学性能,尺寸效应的研究尤为重要。
本文通过对UHPC抗压强度及弯曲韧性尺寸效应的实验研究,得出如下结论:随着钢纤维掺量的增加,UHPC流动度逐渐降低,抗压强度逐渐升高,抗压强度尺寸效应变得更加显著;钢纤维掺量为2%时,长端勾形钢纤维对UHPC抗压强度提高最大,短端勾纤维和直纤维提高幅度逐渐降低,掺入短端勾纤维的UHPC尺寸效应最为明显,直线形次之,长端勾纤维对尺寸效应的影响最小;随着水胶比增大,流动度大幅增长,抗压强度逐渐降低,尺寸效应逐渐变缓。
随钢纤维掺量增加,UHPC初裂荷载及挠度变化较小,等效初裂应力及挠度的尺寸效应也趋于相似,但峰值荷载及挠度提高较大,等效峰值应力及挠度的尺寸效应也更加明显;钢纤维掺量保持2%时,钢纤维类型对初裂荷载及挠度影响类似,其尺寸效应也较为接近,长端勾纤维对峰值荷载及挠度的提高作用最大,短端勾纤维次之,直纤维其次;对于等效峰值应力及挠度,长径比相同的直纤维和端勾纤维对尺寸效应的影响较为相似,长端勾纤维对尺寸效应影响最小。
纤维混杂时,随长端勾纤维掺量增大,初裂荷载及挠度变化不大,但峰值荷载及挠度先增大后降低,并在S0.5H1.5时达到最大;尺寸效应表现出相反的规律,随长端勾纤维掺量增加,尺寸效应逐渐减弱而后升高,S0.5H1.5的尺寸效应最不明显。
高强及超高强混凝土的脆性与强度尺寸效应
两个系列的混凝土的基本力学性能如表 $ 所 列； 不同几何尺寸试件的最大荷载结果见表 3。 由此采用线性方程 （$） 所得的回归曲线见图 -。 -+
万方数据
工业建筑
$554 年第 34 卷第 - 期
试验结果证实， 超 !"#"$% 的尺寸效应律在高强、 高强混凝土中也能较好地接近试验结果， 并且由此 可推出随混凝土强度提高， 混凝土的脆性增大， 强度 尺寸效应现象也更为明显。反映在强度尺寸效应曲 线上， 即曲线的斜率更快地接近 & ’ ( )。这一试验结 果与 !*$ + , -, !".. 等人对普通高强混凝土的研究结 果相似。
为湛江产萘系高效减水剂 !"# （减水率 $$% ） 及上 海麦斯特提供的超塑化剂 &’()#。 试验对两种配合比的混凝土进行了研究， 即编 号为 *+、 超高强混凝土。配合比如 ,$ 的普通高强、 表 - 所列。
表! 试验配合比
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编号 *+ ,$ 抗压强度 . F’= )575 -3+7:
混凝土基本材料性能
高强及超高强混凝土的脆性与强度尺寸效应 !
黄煜镔
（重庆大学 土木工程学院 摘 重庆 !"""!#）
钱觉时
（重庆大学 $ 区 材料学院 重庆 !"""!#）
要：以往的高强混凝土研究往往局限于试验室尺度上的强度提高， 而实际上， 由于强度尺寸效应现
象的存在， 并且随混凝土强度提高， 脆性增大， 强度尺寸效应现象更为明显， 因此许多研究是不完善的。采用 超高强混凝土的强度尺寸效应进行了研究， 结果表明， 随混凝土强度提高， 强度 $%&%’( 的尺寸效应律对高强、 随试件尺寸增大而降低的趋势有所突出， 并由此探讨了脆性与强度尺寸效应研究的意义。 关键词：高强及超高强混凝土 强度 脆性 尺寸效应 $%&%’( 尺寸效应律
高强混凝土立方体抗压强度的尺寸效应研究
高强混凝土立方体抗压强度的尺寸效应研究周垚;崔强;王景贤;李兴超;张进【摘要】This paper conducts statistic analysis on the cube specimen ofC60 ,C80 high strength concrete with different sizes( length:100 mm,150 mm,and 200 mm ) through experiments respectively. It finds that there is better relevance between different dimensions. The conversion coefficient fcu,200/fcu,150 of C60 concrete is 1. 066 and the conversion coefficient fcu,100/fcu,150 is 0. 932,while the conversion coefficient fcu,100/fcu,150 of C80 concrete is 0 . 919 and the conversion coefficient fcu,200/fcu,150 is 1. 084. The size effect of high strength concrete is more significant than ordinary concrete, which mainly relates to its own high brittleness.%通过大量试验，分别对C60、C80高强混凝土不同尺寸（边长分别为100 mm，150 mm，200 mm）的立方体试件抗压强度进行了统计分析，发现高强混凝土的不同尺寸之间相关性较好，C60混凝土的换算系数 fcu，100/fcu，150为0.932，fcu，200/fcu，150为1.066；C80混凝土的换算系数 fcu，100/fcu，150为0.919，fcu，200/fcu，150为1.084。
混凝土立方体劈拉强度尺寸效应试验研究
混凝土立方体劈拉强度尺寸效应试验研究谢胜涛;申粘红;韩双双;吴晨【摘要】为研究混凝土立方体劈裂抗拉强度尺寸效应现象，开展了不同强度等级边长的立方体试块劈裂抗拉试验，揭示了混凝土立方体劈裂抗拉强度尺寸规律，研究结果表明：不同强度等级下混凝土立方体劈裂抗拉强度均存在尺寸效应现象，强度等级越高，劈裂抗拉强度尺寸效应越显著。
%To research the phenomenon that splitting cleavage strength of concrete cube size effect. It launches splitting tensile strength test of cube components with different strength degree and different side length,and demonstrates splitting tensile strength size and law of concrete cube. The results prove that in the difference strength,there are splitting cleavage strength of concrete cube size effect,and the higher strength grade, the phenomenon become more apparent.【期刊名称】《山西建筑》【年(卷),期】2016(042)013【总页数】2页(P116-117)【关键词】混凝土;劈裂抗拉强度;尺寸效应;强度等级【作者】谢胜涛;申粘红;韩双双;吴晨【作者单位】防灾科技学院，河北三河 065201;防灾科技学院，河北三河065201;防灾科技学院，河北三河 065201;防灾科技学院，河北三河 065201【正文语种】中文【中图分类】TU528混凝土材料是土木工程中最常用的建筑材料，由于原材料来源广泛、价格低廉、耐久性优良、便于施工、能适应各种不同的用途和使用环境等诸多优点，在工程结构中得到广泛应用。
基于细观力学的再生混凝土材料强度尺寸效应研究开题报告
基于细观力学的再生混凝土材料强度尺寸效应研究开题报告标题：基于细观力学的再生混凝土材料强度尺寸效应研究研究背景和意义：随着人们对环境保护、资源节约等方面要求的增强以及城市化进程的加快，再生混凝土作为一种重要的节能环保建材逐渐受到人们的重视。
再生混凝土主要由废弃砖块、混凝土碎石等废弃建筑垃圾经加工制成的混凝土材料。
在保证原混凝土性能的基础上，再生混凝土不仅可以实现废弃物资源化利用，但还可以减少建筑垃圾的分拣和填埋，从而减轻环境压力。
与此同时，再生混凝土材料的强度尺寸效应问题成为再生混凝土材料工程应用的一个重要问题。
尺寸效应指定尺寸范围内应变集中，从而导致强度参数随着试样尺寸的缩小而下降。
对于再生混凝土材料的应用，了解其强度尺寸效应是保证建筑工程质量的基础性问题之一。
研究内容和目的：本文主要研究基于细观力学的再生混凝土材料强度尺寸效应问题。
研究内容包括以下几个方面：1. 基于细观力学原理建立再生混凝土材料的模型，研究其强度尺寸效应问题。
2. 分析不同种类的再生混凝土材料及其构建材料的强度尺寸效应特性，并对不同种类再生混凝土的强度尺寸效应进行比较分析。
3. 试验验证强度尺寸效应模型，以及应力场和应变场的分布规律。
通过试验数据与模型预测结果的比较，验证所建立的模型的正确性。
本文旨在研究再生混凝土材料的强度尺寸效应问题，为再生混凝土材料的工程应用提供理论依据和实验数据，同时为可持续发展的建筑材料提供参考。
研究方法和技术路线：本文将采用细观力学原理建立再生混凝土材料的强度尺寸效应模型，探究不同种类再生混凝土的强度尺寸效应特性。
模型的构建将依据非线性有限元分析理论进行，同时利用数值仿真方法进行试验验证。
具体研究流程如下所示:1. 文献综述：研究已经完成的关于再生混凝土的强度尺寸效应问题的文献，分析相关问题，确定研究重点。
2. 材料试样制备：选取不同种类的再生混凝土材料，制备符合国际标准的试样。
3. 强度测试：利用试验室现有的设备对制备好的试样进行强度测试，获得试样强度数据。
混凝土名义强度的尺寸效应研究
混凝土名义强度的尺寸效应研究刘兴阳;邹德高;李占超【摘要】In view of the divergence in the size effect analysis of concrete nominal strength between the size effect law and boundary effect model of concrete,a novel size effect model based on a power law and equivalent elastic crack method was proposed.The influence of the specimensize,initial crack length and fracture process zone on the nominal strength of concrete was taken into account in the proposed model simultaneously.The influence factors of size effect law and boundary effect model were included in the proposed model,the few empirical parameters of this model were convenient to determine.The proposed model was verified through the experimental data and research data in the existing literature.The results show that the proposed model can properly describe and predict the quasi-brittle fracture behavior of concrete material,the limit of size or geometry of the specimens will vanish.%针对尺寸效应率和边界效应模型在混凝土名义强度的尺寸效应分析中存在分歧等问题,基于幂定律和等效弹性裂缝方法,提出了可综合考虑试件尺寸、初始裂缝长度以及断裂过程区对混凝土名义强度影响的尺寸效应模型.该模型融合了尺寸效应率和边界效应模型在混凝土名义强度尺寸效应分析中的影响因素,而且所需要的经验参数较少、求解方便.结合试验数据以及现有文献中的研究数据,对所提出的尺寸效应模型进行了验证,结果表明:所提出的模型可以较好地描述和预测混凝土材料的准脆性断裂行为,对试件的几何形状没有限制.【期刊名称】《建筑材料学报》【年(卷),期】2017(020)005【总页数】6页(P680-684,764)【关键词】混凝土;名义强度;尺寸效应;幂定律;等效弹性裂缝方法【作者】刘兴阳;邹德高;李占超【作者单位】大连理工大学水利工程学院,辽宁大连116024;大连理工大学水利工程学院,辽宁大连116024;大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连116024;西北农林科技大学水利与建筑工程学院,陕西杨凌712100;扬州大学水利与能源动力工程学院,江苏扬州225127【正文语种】中文【中图分类】TU528.01尺寸效应是指材料的力学性能随着材料几何尺寸的变化而变化，其指标不再是一个常数[1].在实验室中所采用的试件通常是实际结构按比例调整的模型，因此，如何通过这种小尺寸试件的试验结果来反映实际工程中大型结构的真实性能，已成为土木工程学和材料学的研究热点之一，也是广大研究者面临的难题之一[2].现有研究表明，混凝土断裂模型中的多种力学参数都存在尺寸效应.1939年，Weibull[3]采用“最弱链”概念，分析和描述了材料强度的尺寸效应，建立了尺寸效应分析的统计理论.该理论认为尺寸效应主要是由材料强度的随机分布引起的，对于因疲劳而变脆的金属材料而言，其破坏时的峰值荷载Pmax近似等于起裂荷载Pcr，其尺寸效应具有很强的统计性；对于混凝土类准脆性材料而言，裂纹起裂时材料并未发生破坏，而是进入一个稳态扩展阶段，Pmax远大于Pcr，造成混凝土材料尺寸效应的统计性不明显.此外，该理论忽略了由于宏观裂纹发展所引起的结构能量释放的影响[4]，因此，采用Weibull的随机强度统计理论来分析混凝土类材料的尺寸效应并不合适[5].Bažant[6]指出通过比较不同尺寸结构的名义强度(破坏时的名义应力)来分析尺寸效应更为合适，并从能量释放入手，推导出了试件名义强度和几何尺寸的关系，即著名的尺寸效应率，该理论认为宏观裂纹或微裂纹区的发展所产生的应力重新分布和贮存的能量释放才是混凝土产生尺寸效应的根本原因[7].对于混凝土类材料而言，名义强度σN的变化并不遵循强度理论和线弹性断裂力学理论，即存在尺寸效应，其尺寸效应曲线处于没有尺寸效应的强度理论和具有最陡尺寸效应的线弹性断裂力学理论之间[8].Hu等[9-11]提出了反映混凝土类准脆性材料断裂行为的边界效应模型，该模型认为，断裂过程区(FPZ)与其最近边界之间的相互影响才是混凝土名义强度存在“尺寸效应”的根本原因.边界效应模型考虑裂缝长度重新定义了混凝土名义强度，把材料的抗拉强度ft和断裂韧度KIc作为2个重要的经验参数.传统的尺寸效应率需要采用回归分析的方法来确定材料断裂能Gf，然而，回归斜率对断裂能的计算结果影响很大，若回归系数产生一个小的误差，就可能导致断裂能的计算结果产生较大偏差.而在边界效应模型中，当ft和KIc可以通过试验或现有文献中的研究结果确定时，即可避免尺寸效应率在采用回归分析时可能产生的偏差；当这2个经验参数未经标准方法确定时，仍可根据断裂试验并采用统计回归的方法来确定.尽管尺寸效应率与边界效应模型均良好地实现了从强度理论到线弹性断裂力学理论的过渡，并得到了较为广泛的认可，但是在混凝土名义强度的尺寸效应分析中，两者在理论假设和试验结果上仍然存在一定的分歧[11-15].此外，尽管Bažant等[16]在传统尺寸效应率的基础上进一步推导出了对试件几何形状并无限制的通用尺寸效应率，但是Hu等[11]认为，通用尺寸效应率依然存在经验参数过多等问题.因此，本文基于幂定律和等效弹性裂缝方法，综合考虑试件尺寸、初始裂缝长度以及断裂过程区这3个影响因素，对混凝土名义强度的尺寸效应进行了研究.徐世烺[17]指出，将裂缝面上分布着黏聚力的裂缝等效为裂缝面上黏聚力为0的应力自由裂缝，然后按照线弹性断裂力学准则来判定裂缝发展，该方法称为等效弹性裂缝方法.对于带裂缝的混凝土结构(或试件)而言，在试件断裂之前会出现一个微裂区，此微裂区的存在与发展削弱了材料传递应力的能力，即材料发生应变软化.依据等效弹性裂缝方法的基本思想，可把这段微裂区等效为一个长度，即等效裂缝扩展长度Δa，当裂缝发展至临界状态时，Δa达到临界值Δacrit.Morel等[18-19]认为，准脆性材料在临界状态之前的裂缝扩展阻力与Δa之间存在幂函数关系，即服从幂定律.Xu等[20-21]提出了基于黏聚力的断裂全过程裂缝扩展阻力(KR)曲线，其研究成果表明，当裂缝发展至临界失稳状态时，裂缝发展动力曲线和裂缝扩展阻力曲线正好相交于一点，该点的荷载即为峰值荷载Pmax，该点的等效裂缝扩展长度即为临界等效裂缝扩展长度Δac.断裂过程区的存在使得混凝土材料在裂纹扩展过程中表现出类似金属材料的断裂韧度增值现象，因此，假设临界状态之前任意时刻的等效应力强度因子KIe与Δa之间服从幂定律，即：根据等效弹性裂缝方法的基本思想，计算等效应力强度因子时应在初始裂缝长度a0的基础上考虑等效裂缝扩展长度Δa，因此，等效应力强度因子又可表示为：因此，联立式(1)和式(2)便可得到外荷载P与等效裂缝扩展长度Δa之间的关系：当外荷载P达到峰值荷载Pmax时，等效裂缝扩展长度Δa也增至临界等效裂缝扩展长度Δacrit，因此，根据临界状态下P与Δa之间的关系，由dP/da=0便可得到m与Δacrit之间的关系：由此可见，m是α0与Δacrit/D的函数，通过数值反演即可确定三者之间的关系.当三者之间的关系确定后，峰值荷载Pmax可表示为：由式(5)可知，当D以及α0已知时，Δacrit便可根据m，α0以及Δacrit/D三者之间的函数关系直接确定.因此，根据式(6)，对于给定几何尺寸的不同断裂试件而言，当峰值荷载Pmax已知时，便可通过非线性回归或最优化理论等方法来确定K1和m.在确定这2个参数的过程中，对试件的几何形式并没有特殊要求.当K1和m确定后，名义强度可表示为：对于同种材料而言，K1和m均为定值.因此，根据式(7)可知，名义强度σN与初始缝高比α0、试件高度D及临界等效裂缝扩展长度Δacrit有关.当α0不变而D 变化时(几何相似试件)，σN的影响因素为D和Δacrit.其中，D的影响与尺寸效应率相呼应；Δacrit的影响则可理解为断裂过程区的影响(这里指的并不一定是能够完全发展的断裂过程区FPZ)，因此又与边界效应模型相呼应.当D不变而α0变化时，σN的影响因素为α0和Δacrit，即初始裂缝长度和断裂过程区主导着名义强度的尺寸效应，因此又再次与边界效应模型中的观点相呼应.需要说明的是，当式(6)中的D和α0已知时，Δacrit便可根据m与α0和Δacri/D的函数关系直接确定，也就是说m已经包含了Δacrit的影响，m越大，则试件抵抗裂纹扩展的能力越强.因此，对于式(7)而言，当m已经确定时，可认为σN与D和α0(或a0)有关. 总而言之，式(7)基于等效弹性裂缝方法和幂定律，融合了尺寸效应率和边界效应模型在混凝土尺寸效应分析中的影响因素，对试件的几何形状没有特殊要求.当m=0时，即未产生“韧度增值”，相当于脆性材料或满足断裂过程区尺寸与结构尺寸相比可以忽略的条件，此时，Δacrit≈0，α0≈α，式(7)可进一步表示为：式(8)满足线弹性断裂力学理论.根据Hu等[9]的研究，若计算名义强度时考虑初始裂缝长度，则式(8)经过变换即可过渡到强度理论.试验共制作9组混凝土非标准三点弯曲试件，其中混凝土的设计强度等级为C35.三点弯曲试件的基本形状如图1所示(其中L为长度，S为跨度).试件的实际几何尺寸见表1.每组4个试件，所有试件均一次浇筑完成，试件的初始裂缝采用厚度为3mm 的钢板预埋生成.本次试验测得混凝土试件的立方体抗压强度平均值为40.90MPa，抗压弹性模量为34.00GPa.三点弯曲试验在300kN的电液伺服万能试验机上进行，采用位移加载控制，加载速率为0.5mm/min.全部数据由电脑自动采集.试件的失稳扩展以及最终破坏情况如图2,3所示.根据式(6),(7)，利用试验中所测定的峰值荷载，通过非线性回归方法分别确定混凝土试件的2个材料参数K1和m 分别为29.83和0.18，然后，便可根据式(7)得到名义强度σN随着试件高度D和初始缝高比α0的变化规律(如图4所示).由图4可见，由式(7)所确定的曲面清晰地描述了混凝土名义强度随着试件高度D 和初始缝高比α0的变化规律：当0.20≤α0≤0.60，200mm≤D≤400mm 时，混凝土名义强度随着试件高度和初始缝高比的增加而降低，9组试件试验结果(在图4中用星号表示)与计算结果的偏差均非常小.为了验证式(7)的预测能力，只采用9组试件中的6组试件进行计算，然后再对另外3组试件的名义强度进行预测，并与前面的结果进行对比.计算对比结果见表2(test σN表示根据实测峰值荷载进行计算的结果；σN(9)表示根据式(7)，采用全部9组试件进行计算的结果；σN(6)表示根据式(7)采用9组试件中的6组进行计算的结果；粗体字为预测结果).由表2可知，采用9组试件中的6组进行计算的结果仍然与采用全部9组试件计算所得的结果非常接近，并且2种计算结果均与实测名义强度非常接近.采用该模型对文献[23]中缝高比分别为0.1和0.3的6组标准三点弯曲试件进行计算，文献[23]中，混凝土为高强混凝土，圆柱体试件劈拉强度为7.40MPa，弹性模量为40.45GPa.通过计算所得材料参数K1=29.68，m=0.21，其准脆性断裂行为与图4相似，具体结果见图5.由图5可见，基于幂定律和等效弹性裂缝方法的尺寸效应模型可以较好地描述文献[23]中标准试件的名义强度与试件高度和初始缝高比的关系.2组算例的计算结果(见图4,5)表明：无论是对于标准三点弯曲试件还是非标准三点弯曲试件，式(7)均可以较好地描述混凝土材料的准脆性断裂行为，这是因为式(2)中的几何形状因子f(α)已经包含了试件跨高比β的影响.此外，对于其他一些常用的几何形状，均可通过查阅应力强度因子手册来获得f(α)的具体表达式，因此，基于幂定律和等效弹性裂缝方法的尺寸效应模型还可以应用于其他常用几何形状试件名义强度的尺寸效应分析.对比以上2组算例可知，随着混凝土强度等级的提高，K1和m的值均有所增加.也就是说，对于混凝土材料而言，裂缝扩展单位长度时的等效应力强度因子与材料抵抗裂纹扩展的能力均随着混凝土抗压强度等级的提高而增大.(1)基于幂定律和等效弹性裂缝方法的尺寸效应模型综合考虑了尺寸效应率和边界效应模型中的影响因素，可以较好地描述混凝土名义强度的变化规律和预测混凝土名义强度的尺寸效应，对试件的几何形式没有限制.(2)当试件高度D为定值时，混凝土名义强度随着试件初始缝高比α0的增加而降低；当α0为定值时，混凝土名义强度随着D的增加而降低；随着混凝土强度等级的提高，裂缝扩展单位长度时的等效应力强度因子与材料抵抗裂纹扩展的能力均有所增加.(3)本文所提出的混凝土名义强度尺寸效应模型以等效弹性裂缝方法为基础，假设失稳破坏时的等效裂缝扩展长度为Δa.然而，从试验现象上来看，尺寸很小的试件常趋于塑性崩溃破坏，因而与本文模型的假设并不相符.因此，对于此类情况，该模型在理论和应用上还有待于进一步研究.[13] HU X,LIANG L,YANG S.Weibull-strength size effect and common problems with size effect model[C]∥Proceedings of the 8th International Conference on Fracture Mechanics of Concrete and ConcreteStructures.Barcelona:International Center for Numerical Methods in Engineering,2013:163-173.【相关文献】[1] 苏捷,方志,杨钻.混凝土抗折强度尺寸效应的试验研究[J].工业建筑,2012,42(12):62-66.SU Jie,FANG Zhi,YANG Zuan.Experimental study on the size effect of concrete flexural strength[J].Industrial Construction,2012,42(12):62-66.(in Chinese)[2] 苏捷,方志.普通混凝土与高强混凝土抗压强度的尺寸效应[J].建筑材料学报,2013,16(6):1078-1081，1086.SU Jie,FANG Zhi.Scale effect on cubic compressive strength of ordinary concrete and high-strength concrete[J].Journal of Building Materials,2013,16(6):1078-1081,1086.(in Chinese)[3] WEIBULL W.A statistical theory of the strength of materials[C]∥Proceedings of the American Mathematical Society.Stockholm,Sweden:Royal Swedish Academy of Engineering and Science,1939,151:1-45.[4] 黄海燕,张子明.混凝土的统计尺寸效应[J].河海大学学报(自然科学版),2004,32(3):291-294. 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图1
两种不同混凝土的强度尺寸效应可能存在的对比情况
1
2003 年第 3 期
混凝土与水泥制品
总第 131 期
上混凝土 A 的强度显著高于混凝土 B, 但在工程尺度 上 则可能出现混凝土 B 的强度高于 混凝土 A 的情 况, 如图中 ( b) 所示, 这显然是大家非常担心的情况, 甚至 ( c) 的情况也不是人们所希望的。因此, 混凝土高强化 不能仅仅是在实验室尺度上的强度提高 2 211 混凝土强度尺寸效应的试验研究 抗压强度尺寸效应 Neville
2003 年第 3 期 6月
混凝土与水泥制品 CHINA CONCRETE AND CEMENT PRODUCTS
2003 No3 June
混凝土强度尺寸效应的研究进展
钱觉时, 黄煜镔
( 重庆大学材料学院 , 400045)
摘 要: 从混凝土高强化角度探讨了强度尺寸效应研究的必要性, 以及从试验研究和理论研究两方面介绍了国内外有关混凝 土强度尺寸效应的研究状况, 最后讨论不同研究方法存在的问题。 关键词: 混凝土; 强度; 尺寸效应; 高强 Abstract: The neccessity for studying the effect of speciment size on concrete strength is discribed from the aspect of concrete high strengthening. And the present conditions of study ing of this object, both ex periment and theor y, are introduced. Afterward, the existing problems on different research methods are discussed. Ke y Words: Concrete; Streng th; Effect of size; High- streng th 中图分类号: TU528 文献标识码: A 文章编号: 1000- 4637( 200构材料之一, 由于其具
土的基本技术途径已被大多数研究者所认识, 混凝 土 强度获得了很 大提高, 抗压强度也由原 来的 20MPa~ 30MPa 提高了近 10 倍。有 些国家甚至已 将 150MPa 的 混凝土用于实际工程。 然而, 随混凝土强度显著提高, 强度尺寸效应问题 也越来越明显。 一方面由于受试验条件的限制, 强度测 试的实验室尺度越来越小, 如在进行 DSP 材料、 热压水 泥试验研究时, 所采用的试件尺寸在几个厘米量级, 甚 至更小; MDF 试件最小尺寸不足 1cm, 试件多为几个毫 米厚的薄板; 超高强混凝土抗压强度试验室试件尺 度 一般在 10cm 左右。另一方面, 随着混凝土的应用范围 扩大, 混凝土工程尺度也越来越大, 实际的尺度可达到 几米甚至几十米。 强度尺寸效应是一种普遍现象。对于金属材料 而 言, 由于在实验室进行与实际结构等尺寸的研究比 较 容易, 相对而言, 强度尺寸效应现象就不再重要了。而 在土木、 水利等领域, 由于实际结构往往很大 ( 如坝体、 桥梁、 码头、 海洋钻井平台等) , 进行真实结构的系统试 验不太可能, 以实验室小尺寸试件得出的断裂破坏 结 果来指导实际结构的设计, 其真实性和指导意义就 存 在很大疑问了。两种不同的混凝土其强度尺寸效应 的 对比可能存在三种情况 ( 见图 1) 。虽然在实验室尺度
[6]
。
表 1 高强混凝土抗压强度的尺寸效应 抗压强度/ MPa
50mm @ 50mm @ 50mm 90. 2 156. 8
100mm @ 100mm 150mm @ 150mm 200mm @ 200mm @ 100mm @ 150mm @ 200mm 79. 7 132. 9
[41 ]
70. 0 93. 9
表 2 高强与超高强混凝土抗弯强度的尺寸效应 抗弯强度 /MPa 50mm @ 50mm @ 207. 5mm 12. 34 15. 17 100mm @ 100mm 150mm @ 150mm 200mm @ 200mm @ 415mm @ 622. 5mm @ 830mm 8. 90 11. 38 7. 39 9. 84 5. 39 8. 89
65. 1 93. 8
冷 发光 等
对 掺加 粉煤 灰的 C70 的 高强 混凝 土
的 抗压强 度尺 寸效应 进行研 究发 现, 对 于 100mm 与 150mm 立方体测试结果之间的折算系数应取 0. 82, 远 比适用于普通混凝土的 0. 95 为低, 这也同样说明随混 凝土强度提高, 强度尺寸效应更为明显。 212 抗弯强度尺寸效应
[40] [9] [ 7]
21 3
抗拉强度尺寸效应 Malhotra
[10]
采用 ª 10cm @ 20cm 和 ª 15cm @ 30cm 两
种圆柱体试件测定 抗拉强度, 试验结果表明 ª10cm @ 20cm 圆柱 体试件 的抗拉 强度 约比 ª15cm @ 30cm 试 件 的抗拉强度高 7% 。 水科院 的试验结果表 明 [6 ], ª 15cm 圆断 面试件 的 抗 拉 强度 约 比 断 面 15cm @ 15cm 试 件 的 抗 拉 强 度 高 5% , 断面 10cm @ 10cm 试件的抗拉强度约比断面 15 @ 15cm 试件的抗拉强度高 15% 。 Carpinteri [11~ 13] 通过自行研制的试 验仪器, 成功 地 解决了直接拉伸试验中可能存在的弯曲应力问题 , 获 得了稳定完整的拉伸曲线。试验结果表明拉伸强度 具 有显著的尺寸效应, 截面宽度 5cm 的试件强度为 4. 33 MPa, 而当尺寸增大到 40cm 时强度仅为 3. 17MPa 。 对于劈裂抗拉强度, 试验结果表明不论是圆柱 体 试件还是立方体试件它都随试件尺寸增大而减小。 奥 西泽 的研 究显 示, 圆柱 体试 件混 凝土 受拉 断面 大 于 800cm 2~ 900cm2( 直径 d \30cm) 时, 尺寸效应已消失 , 劈裂抗拉强度 趋于稳定而不受试件尺寸 的影响 。 姜 福田则在统计众多试验结果的基础上得出不同尺寸 立 方体试件与 15cm 立方体试件的换算系数, 10cm、20cm 立方体试件换算系数分别为 0. 85、 1. 15 [6]。 3 混凝土强度尺寸效应的理论研究 通过试验获得混凝土强度尺寸效应的结果非常 直 接, 但受到很多限制, 因此很多研究者在如何准确给出 强度尺寸效应公式方面进行了大量的研究工作。 31 1 Weibull 统计理论 自从 1939 年 Weibull 采 用最弱键概 念分析和描 述 强度尺寸效应现象, 并提出著名 Weibull 分布以来, 统 计强度理论已发展为一门引人注目的学科。根 据 Weibull 理论, 对于加载形式相同, 体积为 V 1、 V 2 试件的 平均强度比值可由下式给出。
有原材料来源广泛、 价格低廉、 便于施工、 可浇筑成任 意形状、能适应各种不同用途和不同使用环境、维修 方便、耐久性优良等优点, 在越来越多的结构中得到 广泛的应用。随着工程结构向大跨度和超大型方向发 展 , 高 强化和 高性 能化已 成为 混凝 土技 术发 展的 趋 势。由于混凝土的力学行为与尺度有关, 不研究尺寸 效应现象, 就无法确切描述不同混凝土在力学行为上 存在的差异。目前, 作为力学行为最重要的一个方面, 混凝土强度尺寸效应已成为众多研究的热点问题。 1 混凝土强度尺寸效应研究的意义 混 凝土强度尺 寸效应是指 随着试件尺 寸的增 大, 强度的试验测试值有规律地下降的现象。混凝土强度 尺寸效应是混凝土这种准脆性材料的固有特征。 自 20 世纪 70 年代以来, 高强、 超高强水泥混凝土 材料研究一直是国际上的研究热点, 并取得了一系列 的突破。Roy 等通过采用热压方式, 使水泥的抗压强度 高达 600MPa, 材料的比强度超过了钢材。英国帝国化 学公司研制的 MDF, 其抗弯强度高达 150MPa, 比强度 也超过了钢材和陶瓷材料。 丹麦的 Albory Portland 实验 室 提出的 DSP 材料 , 因为 使用了 占水泥 质量 20% ~ 30% 的超细硅灰, 抗压强度很容易达到 200MPa 以上。 最近, Richard 等配制的活性粉末混凝土 ( RPC) 最高强 度达到了 810MPa [1]。 在常规混凝土领域 , 自 20 世纪 70 年代超 塑化剂 研制成功并被广泛采用以来, 配制高强、超高强混凝
2
钱觉时 黄煜镔
R1 = R2 V2 V1
1/ A
混凝土强度尺寸效应的研究进展
( 2) Bazant 通 过渐近分析给 出光滑表面起 裂失效的名 义应力的近似式:
式中 V 1、 V 2 为大小试件体积; R 1、 R 2 为两种不同尺 寸试 件的强度数学期望值; A 为材料常数, 即 Weibull 模量, 对于 混凝土, 通常取 A= 12。根据式 ( 2) , 只要求 得 Weibull 模量 A, 就可把小尺寸试件的强度观测值作为 其数学期望 R 2 的无偏差估计值, 并可由此值推求相同 材料组成的大尺寸试件的 R 1[ 14~ 15]。 徐积善 [16 ~ 17]即从这一理论基础出发, 研究了在相 同条件下的混凝土试件的尺寸对断裂强度的影响, 并 对轴心受拉、 轴心受压、 受弯、 偏心拉压构件进行 了分 析比较, 指出在受拉和受弯的混凝土中, 由于其表现 出更大的脆性, Weibull 模量 A 应取为 10, 对抗压构件 则应取 A= 13。 312 3121 1 Bazant 的尺寸效应律
[4] [2~ 3]
研究结果也显示混凝土的抗弯强度存在明显的 尺 寸效应 [ 6], 但对于不同类型混凝土、 不同因素对尺寸 效 应的有关影响研究很少。 黄煜镔 [ 40]对高强混凝土的抗弯强度尺寸效应进 行 了研究, 研究结果显示 ( 见表 2) , 超高强混凝土相比于 高强混凝土, 其抗弯强度对尺寸效应的影响比较平缓, 这与抗压强度尺寸效应的规律不同。