轻骨料混凝土抗压强度浅析

工业废渣陶粒 密度等级９００ 强度标号５０
３ ４ ５ ６ ７ １ ２
碎石型页岩 陶粒 密度等级８００ 强度标号４０
３ ４ ５ ６ ７ ｌ ２
页岩陶粒 密度等级９００ 强度标号４０
３ ４ ５ ６ ７ １
页岩陶粒 密度等级７００ 强度标号３０
２ ３ ４ ５
四、轻骨料混凝土对钢压板摩擦力约束效应的影响
钢压板对试件端部会产生摩擦力，约束试件的横向变形，使立方抗压强度增加。但
摘要 由于混凝土试验中钢压板摩擦力约束效的影响，使立方抗压强度测定值增加。而结 构设计采用的混凝土抗压强度是消除了摩擦力效应影响的轴心抗压强度。通过试验，对 轻骨料混凝土与普通混凝土的轴心抗压强度与立方抗压强度的比值Ｑ。木进行了对比。并 对钢压板摩擦力对轻骨料混凝土试件的约束效应的影响进行了分析。建议进一步研究轻 骨料混凝土结构设计中Ｑ。的合理取值，以发挥轻骨料混凝土的强度潜能和提高其应用 的技术经济效益 矢键词：压板摩擦力的约束效应轻骨料混凝土轴心抗压强度与立方抗压强度的比值
的Ｑ ｃ都小于１．Ｏ。
三、轻骨料混凝土的伐ｃ值一轴心抗压强度与立方抗压强度的比值
混凝土的轴心抗压强度与立方抗压强度的比值ｑ ｃ在结构设计的标准规程中， 对轴心抗压强度标准值的确定是一个很重要的系数。。 普通混凝土的ａ。为：
ａ。＿，。／，ｃ。＝０．８１８ …………………………………（１）
１９７８年，我国对４７ １组砂轻混凝土和全轻混凝土的轴心抗压强度和立方抗压强度
混凝土破坏取决于侧向极限变形。
混凝土试件抗压强度试验时，在混凝土试件的端面和与之接触的试验机钢压板 之间产生切向应力。在各种材料中，凡竖向受压（试件上为正压力）均由于波松比效应 产生横向膨胀。但是，钢的弹性模量比混凝土的约高５～１５倍，而波松比则大不到２倍， 因此钢压板的横向应变比混凝土的横向膨胀（如果是自由运动的）为小。纽曼（Ｎｅｗｍａｎ）
Ｋ＋Ｋ＂鱼
式中。戌及总一一混凝土及钢压板的波松比：
Ｅ及历一一混凝土及钢压板的弹陛模量：
Ⅳ及∥一一两个系数：
卜一一约束摩擦力：ｐ一一压力：铂一一试件尺寸／压板厚度。
从式（４）可见，约束摩擦力丁大小，在其他条件不变的情况下，取决于［总／历一尼 ／朗之差。 普通混凝土的波松比变化不大，一般为０．２。而其弹陛模量Ｅ随强度增加，则钢压 板的约束摩擦力，减少。所以随混凝土强度提高，钢压板的摩擦力和约束效应减弱，测 定的立方体的抗压强度降低而使Ｑ。值增大。
对４７ １组轻骨料混凝土测定的Ｑ。，与普通混凝土的进行了比较。对端部摩擦力约束效
应对轻骨料混凝土立方抗压强度影响的机理作了分析。
二、钢压板对混凝土试件端部的摩擦力约束效应
试件在轴向压力作用下，沿加荷方向产生纵向变形，同时由于泊松比效应产生 横向自由变形。而混凝土的极限拉应变（约为０．０００１—０．０００２）远小于极限压应变（约为 ０．００２—０．００４），所以到达极限拉应变时，试件即发生破坏。根据断裂学说也可以知道，
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂｉｎｄｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ａｔ ｐｌａｔｅ ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ ａｇｇｒｅｇａｔｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｒａｔｉｏ ｏｆ
ａｘｉａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｔｏ ｃｕｂｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ
—Ｌ厶—ｊ１．‘
一、月Ⅱ吾
进行了测定噪用六种轻骨料和六种细骨料毒昆凝土的立方抗压强度最高４０ＭＰａ，－－－５０ＭＰａ，
很少超过５０ＭＰａ。 试验结果经回归分析得到轻骨料混凝土的ａ。为：
Ｑ。＝＾／Ｌ。＝０．９３ ……………………………（２）
考虑到当时还没有高强陶粒，轻骨料混凝土的强度水平比较低，所以２００１年起我 们对国内四种高强陶粒配制的混凝土共２６组，进行了Ｑ ｃ的测定。混凝土的立方抗压 强度４０ＭＰａ到７０９Ｐａ左右。测定结果列于表ｌ。 试验结果经回归分析得到轻骨料混凝土的ａ。：
……………………………（６）
‘专
喊
图３普通混凝土和轻骨料混凝土的应力一应变全曲线
图中：ｅ。．～一轻骨料混凝土极限应力的别压应变： ｅ－。一一轻骨料混凝土破坏点的压应变： ｅ。一一普通混凝土极限应力的压应变： ｅ。。一一普通混凝土破坏点的压应变。
图３．为轻骨料混凝土和普通混凝土的应力一应变全曲线示意。从图可见，轻骨料 混凝土曲线的上升段不如普通混凝土那样陡急，随后下降段比较短促。轻骨料混凝土极 限应力的压应变￡ｃｍ比普通混凝土的￡ｎｍ梢大。轻骨料混凝土破坏点的压应变￡ｌｃ
和菜钱斯（Ｌａｃｈａｎｃｅ）发现，钢压板的横向应变为混凝土（在足以消除约束影响的断面 上）的０．４。
在轴向压力作用下，试验机的钢压板对试件端面产生摩擦力，约束混凝土试件的横 向变形（见图１ａ）。摩擦力愈大，其约束程度也愈大。当被测定的混凝土是立方体试件， 其端部约束限制了侧向变形，显然起到了提高外观强度的作用。图ｌｂ为立方体试件破 坏后残存的形状。
因此，在混凝土结构设计规范ＧＢ
５００ １ ０—２００２中，普通混凝土计算轴心抗压强度标
准值的ａ。值，按普通混凝土不同强度等级分别取： 对于Ｃ５０以下普通混凝土的ａ。值：
Ｑ。＝＾／六。＝０．７６ ……………………………（５）
对于Ｃ８０高强混凝土的ａ。值： ａ。＝Ｌ／＾。＝０．８２ 中间强度等级的ａ。值按线性规律变化取。 轻骨料混凝土组成材料中，密度小、强度和弹性模量低的轻骨料取代了普通混凝土 中天然密实骨料。因此，轻骨料混凝土除了比普通混凝土轻以外，在变形性能和破坏机 理方面有很大区别・
轻骨料混凝土的Ｑ ｃ为０．９３－＇，－０．９４。
所以，在相同的立方抗压强度了ｆｃｕ条件下，轻骨料混凝土的轴心抗压 强度如高于普通混凝土。而在相同的轴心抗压强度，ｃ条件下，轻骨料混凝土的立方 抗压强度／ｃ则低于普通混凝土。 表ｌ高强陶粒配制的混凝土的Ｑ。值试验结果
高强陶粒品种 混凝土编号 千表观密度
ｋｇ／ｍ３
立方抗压强度
ｆ。。．ＭＰａ
７０．１ ６６．７ ６４．２ ６１．１ ５８．２ ５４．６ ５１．６ ７０．６ ６５．１ ６５．３ ６７．Ｏ ５９．２ ５４．０ ４４．８ ６８．１ ５８．２ ５４．４ ５０．Ｏ ４６．０ ４０．２ ３８．８ ５１．１ ４８．５ ４７．４ ４６．９ ３９．９
ａ。
｜ｔ｜１、
０．９２ ０．９１ ０．９０ ０．８６ ０．８６ ０．９０ Ｏ．９１ ０．８８ Ｏ．９０ １．ＯＯ ０．９３ ０．９４ Ｏ．８４ Ｏ．９ｌ ０．９１ Ｏ．９３ Ｏ．９８ ０．９２ ０．８９ １．００ １．０５ １．０２ １．０２ ０．９７ ０．９４ １．０３
比普通混凝土的￡ｎｃ小。
虽然低强度轻骨料能配制出与普通混凝土强度相当的轻骨料混凝土，但弹性模 量却要比同强度的普通混凝土约低３０％至４０％。图３中所示，轻骨料混凝土曲线的上升 段不如普通混凝土那样陡急，表示其弹性模量要比普通混凝土低，但试验测得的Ｑ Ｃ值 却比普通混凝土大。 钢压板对混凝土试件端部产生的约束摩擦力Ｔ的大小，应该与相互发生摩擦 的两个表面的性质有矣。所以除钢压板的性质外，实际上还应取决于混凝土试件“端面” 的性质，而不是混凝土整体的性质（岫和Ｅｂ）。 轻骨料的颗粒强度要比混凝土强度低很多。为了使轻骨料混凝土达到普通混凝 土相当的强度，配制时必须采用较高强度的砂浆组分，以弥补轻骨料的低强度。所以轻 骨料混凝土中砂浆组分的强度，要比相同强度普通混凝土中的砂浆组分高。 混凝土立方体试件成型过程中，由于“墙壁效应”缘故，贴靠模子表面只容许 砂浆存在，粗骨料必然向试件深处后撤。所以试件的侧面（即立方试件受压的端面）不 露粗骨料颗粒，而是砂浆组分。由于轻骨料混凝土中砂浆组分的强度要比同强度普通混 凝土中的砂浆组分高，所以试件端面砂浆组分的弹性模量（Ｅｍ）高于普通混凝土中的 砂浆组分。也就是轻骨料混凝土整体的弹性模量比同强度普混凝土的低，但试件端面砂
１ ２ １９４８ １９４０ １９３８ １９０８ １８８５ １８７０ １８６０ １９５２ １９５４ １９２９ １８４６ １８６８ １８１３ １７７ｌ １９６０ １９１９ １９１０ １９０７ １９１７ １８６２ １８１１ １９３５ １９４２ １７９８ １７９０ １７６７
轴心抗压强度
｜ｃ．ＭＰａ
６０．８ ６４．７ ５７．９ ５２．６ ５０．２ ４９．１ ４６．７ ６２．４ ５８．４ ６５．４ ６２．２ ５５．４ ４５．４ ４０．７ ６２．Ｏ ５４．２ ５３．２ ４６．１ ４１．Ｏ ４０．３ ４０．８ ５１．９ ４９．１ ４５．９ ４３．９ ４１．２
混凝土的抗压强度是混凝土的主要强度指标。它有两种：立方抗压强度和轴心抗压 强度。用立方体试件测定的混凝土强度称为立方抗压强度。但是由于试验机钢压板对试 件摩擦力的约束效应，使试件强度的测定值有较大的提高，所以立方抗压强度不代表结 构中的实际受压状况，不能直接用作结构设计的依据。 结构设计必须采用棱柱体试件测定的轴心抗压强度。它消除了端部摩擦力约束效应 的影响，但轴心抗压强度要比立方抗压强度低。 由于立方抗压强度的试验操作很简便，而且与其他种类强度有较好的相矢性。所以 在现行有矢普通混凝土的标准和规程中，强度等级是按立方抗压强度标准值确定，再通 过ａ。值，计算确定轴心抗压强度的标准值。 轻骨料混凝土强度等级与普通混凝土一样，也是按立方抗压强度标准值确定。轴心
摩擦力约束效应大小与相接触的两种材料的弹性模量有矣。所以，不仅与钢压板ｆ生质有
尖，而且还取决于试验混凝土自身的性能，主要是混凝土的变形性能。 法国Ｌ．Ｈｅｒｍｉ ｔｅ认为，混凝土的弹ｆ生模量对钢压板的摩擦力约束效应影响很大。曾 为试件端部的约束摩擦力丁导出以下公式：
丁：尸Ｉ譬一譬ｌ—三一……………………（４） 一 ｌ瓦Ｅｎ Ｊ
窜’圆
图ｌａ压力机压板对 试件的约束作用 图ｌｂ试件破坏后 残存的形状
图２棱柱体试件受压时
沿高度方向的横向应变变化 ｈ为棱柱体试件的高，ｂ为摩擦力约束范围
．Leabharlann Baidu１９３．．
铁研院铁建所对在轴向压力作用下端部摩擦力对横向变形的影响范围进行了 试验研究。图２中ｈ为棱柱体试件的高，ｂ为摩擦力约束范围。 钢压板摩擦力约束效应离端部愈远影响愈弱。对于１００ｍｍｘｌ００ｍｍ截面的棱柱体 试件，摩擦力影响范围ｂ为４０ｍｍ一－．４５ｍｍ：对于１５０ｍｍｘｌ５０ｍｍ截面的棱柱体试件，摩擦力 影响范围ｂ为４０ｍｍ一，－７０ｍｍ。摩擦力影响高度ｂ约为截面横向尺寸ａ的Ｏ．５倍。所以采用 棱柱体试件的ｈ／ａ≥２时，试件中部有长度约等于棱柱体试件横向尺寸ａ的一段均匀受 压区。该段混凝土不受端部摩擦力约束的影响，产生横向自由变形，但测得的棱柱体试 件的抗压强度（即轴心抗压强度）较低。这样测定的结果更接近于结构中的实际抗压强 度，可以说轴心抗压强度是混凝土”真实”抗压强度。而立方体试件受钢压板摩擦力约 束作用，测定的立方抗压强度要高于轴心抗压强度。所以，轻骨料混凝土和普通混凝土
抗压强度取值也与普通混凝土相同惭以轻骨料混凝土的ａ。对轴心抗压强度的取值是
一个很重要的系数・
宰注：文中“ａ。”表示混凝土的轴心抗压强度与立方抗压强度的比值（六，／＾。），也有称为 “棱柱强度与立方强度的比值”、“轴压系数”、“轴压比”等。
美国、日本、巴西、加拿大和欧洲一些国家，轻骨料混凝土和普通混凝土的抗压强 度都是采用园柱体试件测定的轴心抗压强度。而混凝土的强度等级则直接按园柱体的轴 心抗压强度标准值确定。 本文试验测定了２７组高强陶粒配制的高强轻骨料混凝土的ａ。，结合１９７８年我国
Ｑ。＝Ｌ／Ｌ：＝０．９４ ……………………………（３）
式（２）和式（３）表明，从低强度至高强度轻骨料混凝土的Ｑ。非常接近，变异不
大。
从上逮试验结果可见，无论轻骨料混凝土还是普通混凝土，其立方抗压强度／ｃｕ都
高于轴心抗压强度，ｃ。
回）ｊ分析所得轻骨料混凝土的Ｑ Ｃ大于普通混凝土。普通混凝土的Ｑ Ｃ为０．８１８：
轻骨料混凝土抗压强度浅析
Ｓ ｉｍｐｌｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ
ｏｎ
Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ Ｌ１ＷＡＣ
刘巽伯杨正宏计亦奇
同济大学材料科学及工程学院
Ｌｉｕ ｘｕｎｂｏ
Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ
Ｙａｎｇ ｚｈｅｎｇｈｏｎｇ
Ｊｉ ｙｉｑｉ
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｏｎｇｊｉ