蘇捷，莫衍，劉偉

混凝土三軸抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)試驗(yàn)研究

蘇捷，莫衍，劉偉

(湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082)

為研究混凝土三軸抗壓強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)，對(duì)84個(gè)混凝土立方體試件進(jìn)行加載應(yīng)力比分別為0.00:0.00:1，0.05:0.05:1，0.10:0.10:1，0.15:0.15:1和0.20:0.20:1的三軸受壓試驗(yàn)，分析三軸抗壓強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)。試驗(yàn)結(jié)果表明：在各加載應(yīng)力比下，混凝土試件的三軸抗壓強(qiáng)度均存在尺寸效應(yīng)現(xiàn)象；試件的三軸抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)力比的增大成倍的增長(zhǎng)；隨加載應(yīng)力比的增大試件三軸抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)現(xiàn)象越來越不明顯；三軸受壓時(shí)試件有2種破壞形式，當(dāng)應(yīng)力比在0.00:0.00:1~0.15:0.15:1之間時(shí)發(fā)生柱狀劈裂破壞，當(dāng)應(yīng)力比為0.20:0.20:1時(shí)，發(fā)生擠壓流變破壞。

混凝土；尺寸效應(yīng)；加載應(yīng)力比；三軸抗壓強(qiáng)度

混凝土的抗壓強(qiáng)度高，可模性好，在土木工程中運(yùn)用廣泛。在工程結(jié)構(gòu)中的混凝土通常處于多軸拉伸或壓縮應(yīng)力狀態(tài)下，為了掌握這種多軸應(yīng)力狀態(tài)下混凝土的力學(xué)性能，確保工程結(jié)構(gòu)的安全可靠，需對(duì)混凝土的三軸力學(xué)性能及尺寸效應(yīng)進(jìn)行充分研究。20世紀(jì)20年代，美國(guó)伊利諾州立大學(xué)學(xué)者Richart等[1]通過圓柱體試件的常規(guī)三軸受壓試驗(yàn)，得到了三軸抗壓強(qiáng)度隨側(cè)向應(yīng)力增大而成倍增長(zhǎng)的結(jié)論。過鎮(zhèn)海等[2]對(duì)普通混凝土在三向壓應(yīng)力作用下的性能進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)在真三軸受壓時(shí)混凝土試件隨應(yīng)力比的變化分別發(fā)生柱狀破壞、片狀破壞、斜剪破壞和擠壓流變，同時(shí)，他們得到了三軸受壓性能隨應(yīng)力比增長(zhǎng)的變化規(guī)律，提出了三軸受壓的破壞準(zhǔn)則。Zing等[3]研究水泥基孔隙率對(duì)混凝土三軸性能的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)：在低側(cè)向約束應(yīng)力下，水泥基孔隙率越低，試件的應(yīng)力閾值越高，體積應(yīng)變?cè)酱螅瑝簩?shí)度也越大；而在高側(cè)向約束應(yīng)力下，混凝土的力學(xué)性能受水泥基孔隙率的影響很小可以忽略。Chen等[4]則研究了養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)混凝土三軸受壓性能的影響，結(jié)果表明：在不同圍壓下，養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)試件的三軸受壓強(qiáng)度和變形性能都有很大影響，且隨齡期增長(zhǎng)，其對(duì)試件變形的影響增大而對(duì)強(qiáng)度的影響減小。Lim等[5]收集了無(wú)側(cè)向約束和有側(cè)向約束普通混凝土和輕骨料混凝土的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)混凝土的密度、試件尺寸、長(zhǎng)徑比、側(cè)向約束等因素均對(duì)混凝土的三軸受壓性能有較大影響。在學(xué)術(shù)界和工程界通常把混凝土視為一種準(zhǔn)脆性材料，其材料性能具有準(zhǔn)脆性材料的共同特征尺寸效應(yīng)(材料性能與結(jié)構(gòu)尺寸相關(guān)的性質(zhì))。在單向應(yīng)力作用下混凝土的強(qiáng)度存在尺寸效應(yīng)現(xiàn)象，這已被大量試驗(yàn)所證實(shí)[6?10]。在三向壓應(yīng)力作用下其強(qiáng)度是否也存在尺寸效應(yīng)現(xiàn)象，目前相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道較少。本文針對(duì)此不足之處，對(duì)混凝土三軸抗壓強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)進(jìn)行了較系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

為達(dá)到本文的研究目的，本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)了3種尺寸的混凝土立方體試件如圖1所示。同時(shí)設(shè)計(jì)了5種側(cè)向加載應(yīng)力比(2個(gè)側(cè)向應(yīng)力與豎向應(yīng)力之比)分別為0.00:0.00:1，0.05:0.05:1，0.10:0.10:1，0.15: 0.15:1和0.20:0.20:1。每種類型試件制備6個(gè)，共計(jì)84個(gè)試件。

單位：cm

1.2 原材料及配合比

水泥為P.O.42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；水采用普通自來水；細(xì)骨料采用細(xì)度模數(shù)為2.4的中砂。粗骨料為卵石，直徑5~31.5 mm；減水劑為聚羧酸高效減水劑?；炷恋呐浜媳热绫?所示。

1.3 試件成型與養(yǎng)護(hù)

試件制作的質(zhì)量對(duì)最終的試驗(yàn)結(jié)果將產(chǎn)生很大影響。本次試驗(yàn)采用以下措施來提高試件制作的質(zhì)量：減少試件成型的批次，所有試件分2批次成型；嚴(yán)格控制振搗時(shí)間為30 s；所有試件均采用鋼制模具成型，減小試件的尺寸和形狀偏差。

表1 混凝土配合比

1.4 減摩措施

由于混凝土三軸受壓試驗(yàn)結(jié)果受加載系統(tǒng)的“套箍”效應(yīng)影響較大，如何來消除三軸受壓時(shí)試件與加載板之間的摩擦是研究者一直思考的問題。各國(guó)研究者采用了各種各樣的方法來消除加載板與試件之間的摩擦對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。其中，Kotsovos等[11?12]采用不同的剛性和柔性加載板來消除摩擦，Mier[13?14]則采用刷型加載板進(jìn)行減摩。上述幾種減摩方法能得到較好的試驗(yàn)結(jié)果，但構(gòu)造過于復(fù)雜。國(guó)內(nèi)的研究者宋玉普等[15]在進(jìn)行三軸壓試驗(yàn)時(shí)采用在加載板與試件之間加上一層或多層軟墊層中間夾入某種潤(rùn)滑物來減小摩擦可獲得良好效果。因此，本文實(shí)驗(yàn)采用2片0.35 mm厚的聚四氟乙烯板和3層凡士林夾層的方法減摩。

1.5 三軸壓加載裝置

本次試驗(yàn)所使用的三軸壓加載裝置通過參照相關(guān)文獻(xiàn)自行設(shè)計(jì)。三軸壓加載裝置的詳細(xì)構(gòu)成如圖2所示。豎直方向荷載由電?液伺服壓力機(jī)施加，其可施加的最大荷載為10 000 kN；水平向荷載使用智能加載系統(tǒng)進(jìn)行加載，該系統(tǒng)包括液壓千斤頂、液壓油泵和數(shù)控裝置3部分，可施加的最大荷載為1 000 kN。豎向和水平向加載過程均可實(shí)現(xiàn)應(yīng)力控制、應(yīng)變控制和應(yīng)力?應(yīng)變混合控制，亦可通過數(shù)控裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，保證各加載方向同步進(jìn)行加載。對(duì)于不同的加載應(yīng)力比，分別編制了相應(yīng)的加載程序。

圖2 三軸壓加載裝置示意圖

1.6 試驗(yàn)過程

首先將加載框、液壓千斤頂和剛性墊塊安裝就位。然后將減摩處理好的試件放入加載框內(nèi)，同時(shí)保證兩側(cè)液壓千斤頂中心與試件受力面幾何中心在同一條直線上，下加載板的中心與試件下表面的幾何中心對(duì)中，同時(shí)將上加載板、傳力裝置和位移傳感器(LVDT)安裝就位。其次，在側(cè)向施加荷載進(jìn)行預(yù)壓，以消除試件與剛性墊塊之間的縫隙以及減摩墊層的變形，同樣在豎向也施加荷載進(jìn)行預(yù)壓。最后，使用加載控制程序?qū)ωQ向和側(cè)向施加比例荷載，同時(shí)開啟數(shù)據(jù)采集裝置，連續(xù)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，直至試驗(yàn)結(jié)束。

2 三軸受壓試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 三軸抗壓強(qiáng)度

因側(cè)向加載能力限制，當(dāng)應(yīng)力比為0.20:0.20:1時(shí)，尺寸200 mm試件所需側(cè)向荷載超過裝置加載極限，故未能獲得本批試件的有效數(shù)據(jù)。試驗(yàn)測(cè)得的三軸抗壓強(qiáng)度值列于表2。試件編號(hào)采用C-的形式進(jìn)行表示，其中表示試件的尺寸，表示加載應(yīng)力比，如C100-0.05表示加載應(yīng)力比為0.05:0.05:1尺寸100 mm的試件。

表2 三軸抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值

注：3c為三軸抗壓強(qiáng)度；為標(biāo)準(zhǔn)差；C為變異系數(shù)。

從表2可以看出，實(shí)測(cè)值的變異系數(shù)均小于5%，說明實(shí)測(cè)值的離散度較小。在同一應(yīng)力比下，隨試件尺寸的增大，其三軸抗壓強(qiáng)度3c均有所降低。從應(yīng)力比為0.00:0.00:1的單軸受壓狀態(tài)到應(yīng)力比為0.20:0.20:1的三軸受壓狀態(tài)尺寸150 mm試件的3c分別約為邊長(zhǎng)100 mm試件3c的95.2%，97.4%，98.6%，99.1%和99.2%。

試件尺寸相同時(shí)，其三軸抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)力比的增大出現(xiàn)較快的增長(zhǎng)，采用Richart公式和Hobbs等人建議的修正公式對(duì)三軸抗壓強(qiáng)度值進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見式(1)和式(2)，相關(guān)系數(shù)分別為0.986和0.987，說明曲線對(duì)實(shí)測(cè)值的擬合較好。將試驗(yàn)點(diǎn)和擬合曲線繪于圖3中，圖中橫坐標(biāo)為1/c=2/c，縱坐標(biāo)為3c/c。從圖3可知，尺寸100 mm和150 mm試件在應(yīng)力比為0.20:0.20:1時(shí)的三軸抗壓強(qiáng)度分別是應(yīng)力比為0.00:0.00:1時(shí)三軸抗壓強(qiáng)度的3.97倍和4.14倍，Hobbs等人建議的修正公式對(duì)三軸抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)力比的增長(zhǎng)的變化規(guī)律擬合更好，表現(xiàn)為在應(yīng)力比很高時(shí)三軸抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)速率減慢。

式中：c為試件的單軸抗壓強(qiáng)度，即應(yīng)力比為0.00:0.00:1時(shí)的三軸抗壓強(qiáng)度；1為采用側(cè)向應(yīng)力得到的強(qiáng)度值。

圖3 三軸抗壓強(qiáng)度擬合曲線

2.2 三軸抗壓強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)

為定量分析三軸抗壓強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)，以尺寸為100 mm試件為標(biāo)準(zhǔn)尺寸試件，定義三軸抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)率150和200如下：

式中：3c,100為尺寸100 mm試件的三軸抗壓強(qiáng)度，其余符號(hào)的意義以此類推。

從以上公式可以看出，尺寸效應(yīng)率的值越大，表明強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)現(xiàn)象就越明顯。將表2中實(shí)測(cè)值代入式(3)和式(4)，即可得到強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)率值，列于表3。

表3 三軸抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)率

由表3可見，混凝土的三軸抗壓強(qiáng)度均存在尺寸效應(yīng)現(xiàn)象。當(dāng)加載應(yīng)力比較小時(shí)，尺寸效應(yīng)率可達(dá)10.1%，當(dāng)加載應(yīng)力比較大時(shí)，則降低到2.6%。為便于分析加載應(yīng)力比對(duì)尺寸效應(yīng)的影響，將各應(yīng)力比下150和200的值繪于圖4中。從圖4中可以觀察出，150和200的值均隨應(yīng)力比的增大而減小。出現(xiàn)以上現(xiàn)象是因?yàn)?，混凝土試件在澆筑成型后不可避免地存在初始缺陷，這些初始缺陷的尖端在外荷載的作用下將處于應(yīng)力集中狀態(tài)，當(dāng)該處應(yīng)力大于混凝土的極限拉應(yīng)力時(shí)微裂縫將發(fā)生擴(kuò)展，且隨著加載荷載的不斷增大裂縫越擴(kuò)越大最終形成一條肉眼可見的主裂縫或主裂縫帶使整個(gè)試件發(fā)生破壞；在單軸受壓時(shí)，即應(yīng)力比為0.00:0.00:1時(shí)，大尺寸試件中出現(xiàn)初始裂縫的概率大于小尺寸試件，所以大尺寸試件更容易破壞，強(qiáng)度也更低，而在三軸受壓時(shí)，由于存在側(cè)向約束應(yīng)力，阻礙并延緩了試件中裂縫的開展，且隨著應(yīng)力比的增加這種阻礙作用變強(qiáng)，從而減弱了不同尺寸試件的初始裂縫對(duì)強(qiáng)度尺寸效應(yīng)的影響。

圖4 三軸抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)率

2.3 三軸受壓的破壞形態(tài)

在本次試驗(yàn)應(yīng)力比范圍內(nèi)(0.00:0.00:1~0.20: 0.20:1)，試件隨加載應(yīng)力比的變化分別發(fā)生柱狀破壞和擠壓流變破壞。

(a) 柱狀破壞；(b) 擠壓流變

當(dāng)加載應(yīng)力比較小時(shí)，即當(dāng)加載應(yīng)力比處于0.00:0.00:1~0.15:0.15:1之間時(shí)，此時(shí)豎向應(yīng)力3遠(yuǎn)大于側(cè)向應(yīng)力1和2，試件在2個(gè)相互垂直的方向產(chǎn)生拉伸應(yīng)變。此拉伸應(yīng)變將隨著加載應(yīng)力的不斷增大而變大(減摩措施消除了試件與加載板之間的摩擦)，當(dāng)其超過混凝土材料的拉應(yīng)變極值后，將出現(xiàn)2組相互垂直的裂縫面，這2組裂縫面將整個(gè)試件切成無(wú)數(shù)柱體，最后因?yàn)橹w的失穩(wěn)而導(dǎo)致試件發(fā)生破壞(圖5(a))。

當(dāng)加載應(yīng)力比為0.20:0.20:1時(shí)，側(cè)向應(yīng)力1和2都很大，試件的各個(gè)面均表現(xiàn)為壓縮變形。隨著加載應(yīng)力的不斷增大，試件在3個(gè)方向壓應(yīng)力的作用下，產(chǎn)生巨大的擠壓流變變形，試件形狀發(fā)生明顯變化(由立方體變?yōu)殚L(zhǎng)方體)(圖5(b))。試件破壞以后通過觀察發(fā)現(xiàn)試件表面的裂紋很少(只有一些細(xì)微裂紋無(wú)大裂紋)，但內(nèi)部的水泥砂漿和部分骨料則被壓碎。

3 三軸抗壓強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)律

對(duì)本文試件的三軸抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值的尺寸效應(yīng)進(jìn)行擬合分析，得到它們的尺寸效應(yīng)律如式(5)所示。

式中：3c為三軸抗壓強(qiáng)度；3c,100為邊長(zhǎng)100 mm試件的三軸抗壓強(qiáng)度；為立方體試件的邊長(zhǎng)，100表示試件邊長(zhǎng)100 mm；表示試件側(cè)向應(yīng)力比；cu,k為單軸受壓時(shí)邊長(zhǎng)150 mm試件的抗壓強(qiáng)度。該公式擬合的相關(guān)系數(shù)為0.972，表明其能對(duì)本文試驗(yàn)實(shí)測(cè)值進(jìn)行較好的擬合。

4 結(jié)論

1) 各加載應(yīng)力比下，試件的三軸抗壓強(qiáng)度均存在尺寸效應(yīng)現(xiàn)象，且隨加載應(yīng)力比的增大試件的三軸抗壓強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)率減小，尺寸效應(yīng)現(xiàn)象越來越不明顯。

2) 三軸抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)力比的增大成倍增長(zhǎng)，尺寸100 mm和尺寸150 mm試件在應(yīng)力比為0.20: 0.20:1時(shí)的三軸抗壓強(qiáng)度分別是應(yīng)力比為0.00: 0.00:1時(shí)，即單軸受壓時(shí)強(qiáng)度的3.97倍和4.14倍；Hobbs等人建議的修正公式能對(duì)試件三軸抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)進(jìn)行更好的擬合。

3) 試件三軸受壓時(shí)有2種破壞模式，當(dāng)應(yīng)力比處于0.00:0.00:1~0.15:0.15:1之間時(shí)，試件發(fā)生柱狀破壞；當(dāng)應(yīng)力比為0.20:0.20:1時(shí)，試件發(fā)生擠壓流變破壞。

4) 提出了三軸抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)律的計(jì)算式，其對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合較好。

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Experimental study on size effect of concrete triaxial compressive strength

SU Jie, MO Yan, LIU Wei

(College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)

In order to study the size effect of triaxial compressive strength of concrete, the triaxial compression tests with loading stress ratios of 0.00:0.00:1, 0.05:0.05:1, 0.10:0.10:1, 0.15:0.15:1 and 0.20:0.20:1 were carried out on 84 cubic concrete specimens. The results show that the triaxial compressive strength of concrete exhibits size effect under different loading stress ratios. The triaxial compressive strength increases exponentially with the increase of stress ratio, and the size effect becomes less obvious. Also, there were two failure modes of the specimens under triaxial compression. Columnar splitting failure occurs when the stress ratio was between 0.00:0.00:1 and 0.15:0.15:1, and extrusion rheological failure occurs when the stress ratio was 0.20:0.20:1.

concrete; size effect; loading stress ratio; triaxial compression strength

TU528

A

1672 ? 7029(2020)02 ? 0358 ? 06

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190368

2019?04?30

國(guó)際自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51408213)；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2018YFC0705405)

蘇捷(1979?)，男，湖南長(zhǎng)沙人，副教授，博士，從事混凝土結(jié)構(gòu)基本理論及其應(yīng)用研究；E?mail：iamsujie@163.com

(編輯 涂鵬)