混凝土强度尺寸效应的研究进展
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基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 59778053)
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
[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
[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。
2003 年第 3 期 6月
混凝土与水泥制品 CHINA CONCRETE AND CEMENT PRODUCTS
来自百度文库
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( 2003) 03- 01- 05
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
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
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
。
对 150mm 立 方 体 试 件 抗 压 强 度 在
13MPa~ 48MPa 范围内的混凝土, 以 70mm、125mm 和 150mm 三种尺寸的立方体试件, 通过超 过 300 个试件 的 实验 测试结 果显 示, 小 尺寸 试件 具有 明显 高的 强 度 。Malhotra [5] 则发 现对于 强度 7MPa~ 48MPa 的混 凝 土 , 150mm @ 300mm 圆柱 体 试件 抗 压强 度 普遍 低 于 100mm @ 200mm 圆柱体试件。 Sabnis 对 12 个 研究者所做的 不同混凝土、 不同 养 护方 式和不 同龄 期的众 多数 据进 行回 归分 析得 出 了如下的混凝土抗压强度尺寸效应的经验公式: P/ P 6= 0. 56+ 0. 697{ d/ ( V/ 6h+ h) } ( 1) 式中 P 6 是标准试件 ( 150cm) 的抗压强度; V 是试件体 积; d 是试件侧面最大尺寸; h 是试件高度。Sabnis 的研 究 说明 混凝土 材料 的强度 尺寸 效应 受许 多因 素的 影 响。 Lessard [8] 对来 自 14 个不 同实 验室 和现 场 的强 度 从 72MPa 到 126MPa 混 凝土试件的 研究结果表明 , 高 强混凝土存在明显的尺寸效应。其他一些研究者也得 出类似的结果, 如国内对不同尺寸的高强混凝土立方 体试件抗压强度测试结果之间折算关系的研究。多数 试验结果表明, 边长 100mm 试件得到的强度 fcu, 10换算 到 150mm 边长标 准试件 应乘 以的折 算系 数 k 随强 度 提高而减小 。 黄 煜镔 对高 强混 凝土 抗压 强度 的尺 寸效 应研 究 结果也显示 ( 见表 1) , 强度越高, 尺寸效应更为明显
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
[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。
0
前言 水泥混凝土作为主要的结构材料之一, 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
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
[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
[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。
2003 年第 3 期 6月
混凝土与水泥制品 CHINA CONCRETE AND CEMENT PRODUCTS
来自百度文库
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( 2003) 03- 01- 05
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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
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
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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
。
对 150mm 立 方 体 试 件 抗 压 强 度 在
13MPa~ 48MPa 范围内的混凝土, 以 70mm、125mm 和 150mm 三种尺寸的立方体试件, 通过超 过 300 个试件 的 实验 测试结 果显 示, 小 尺寸 试件 具有 明显 高的 强 度 。Malhotra [5] 则发 现对于 强度 7MPa~ 48MPa 的混 凝 土 , 150mm @ 300mm 圆柱 体 试件 抗 压强 度 普遍 低 于 100mm @ 200mm 圆柱体试件。 Sabnis 对 12 个 研究者所做的 不同混凝土、 不同 养 护方 式和不 同龄 期的众 多数 据进 行回 归分 析得 出 了如下的混凝土抗压强度尺寸效应的经验公式: P/ P 6= 0. 56+ 0. 697{ d/ ( V/ 6h+ h) } ( 1) 式中 P 6 是标准试件 ( 150cm) 的抗压强度; V 是试件体 积; d 是试件侧面最大尺寸; h 是试件高度。Sabnis 的研 究 说明 混凝土 材料 的强度 尺寸 效应 受许 多因 素的 影 响。 Lessard [8] 对来 自 14 个不 同实 验室 和现 场 的强 度 从 72MPa 到 126MPa 混 凝土试件的 研究结果表明 , 高 强混凝土存在明显的尺寸效应。其他一些研究者也得 出类似的结果, 如国内对不同尺寸的高强混凝土立方 体试件抗压强度测试结果之间折算关系的研究。多数 试验结果表明, 边长 100mm 试件得到的强度 fcu, 10换算 到 150mm 边长标 准试件 应乘 以的折 算系 数 k 随强 度 提高而减小 。 黄 煜镔 对高 强混 凝土 抗压 强度 的尺 寸效 应研 究 结果也显示 ( 见表 1) , 强度越高, 尺寸效应更为明显
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
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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。
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前言 水泥混凝土作为主要的结构材料之一, 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