RPC材料的抗折强度尺寸效应研究.pdf

第3 6 卷第1 期 中国矿业大学学报 V 0 1 ．3 6N o ．1 2 0 0 7 年1 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y J a n ．2 0 0 7 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 7 0 1 0 0 3 8 0 4 R P C 材料的抗折强度尺寸效应研究 安明拮，张立军 北京交通大学土木建筑工程学院，北京 1 0 0 0 4 4 摘要为了研究活性粉末混凝土材料 R P C 的抗折强度尺寸效应，采用3 种试块测量R P C 材料 抗折强度。通过统计分析、数据拟合，并应用B a z a n t 断裂力学尺寸效应理论分析R P C 材料尺寸 效应现象。结果表明R P C 材料试块的尺寸越小，其抗折强度越大，具有明显的尺寸效应现象； 基于B a z a n t 能量释放的尺寸效应和无切口情况下的尺寸效应分别在一定的尺寸范围内与试验 结果吻合良好，但是不适用于全尺寸范围；本文提出的修正公式在全尺寸范围内都能较好反映 R P C 抗折强度． 关键词活性粉末混凝土；抗折强度；尺寸效应 中图分类号T U5 2 8 ．4 4文献标识码A S t u d yo nt h eS i z eE f f e c to fR P CF l e x u r a lS t r e n g t h A NM i n g - z h e ，Z H A N GL i ju n S c h o o lo fC i v i lE n g i n e e r i n g A r c h i t e c t u r e ，B e i j i n gJ i a o t o n gU n i v e r s i t y ，B e i j i n g1 0 0 0 4 4 。C h i n a A b s t r a c t I n o r d e rt or e s e a r c ht h es i z ee f f e c to fr e a c t i v ep o w d e rc o n c r e t e R P C f l e x u r a l s t r e n g t h ，t h r e es p e c i m e n sw e r ea d o p t e dt om e a s u r et h eR P Cf l e x u r a ls t r e n g t h ．B a s e do ns t a t i s t i c a la n a l y s i s ，d a t af i t t i n ga n da c a d e m i ca n a l y s i su s i n gB a z a n tf r a c turem e c h a n i c s ，t h es i z ee f f e c t o fR P Cf l e x u r a ls t r e n g t hw a ss t u d i e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h es m a l l e rt h es i z ei st h eh i g h e r t h ef l e x u r a ls t r e n g t hi S ，t h a ti st h eo b v i o u ss i z ee f f e c tp h e n o m e n o n ．B a z a n tr u l eb a s e do ne n e r g Yl i b e r a t i o na n dt h es i z ee f f e c tr u l eu n d e rn o n c u tc o n d i t i o n sa g r e e dw e l lw i t ht h ee x p e r i m e n t s i nd i f f e r e n tb u tn o tw h o l es c o p e ，b u tt h em o d i f i e df o r m u l ac a nd e s c r i b et h eR P Cf l e x u r a l s t r e n g t ho nt h ew h o l es i z er a n g e ． K e yw o r d s r e a c t i v ep o w d e rc o n c r e t e ；f l e x u r a ls t r e n g t h ；s i z ee f f e c t 活性粉末混凝土材料 r e a c t i v ep o w d e rc o n c r e t e ，简称R P C 是具有高抗压强度与抗折强度、 高耐久性和高韧性的先进水泥基复合材料，但是也 和普通混凝土一样存在尺寸效应现象Ⅲ．尺寸效应 问题关系到材料的真实强度、承载力的评定，因此 尺寸效应是混凝土研究应用中的一个重要课题． W e i b u l l 提出基于最弱键概念的W e i b u l l 尺寸效应 律[ 2 ] ；B a z a n t 提出非局部损伤和微平面模型，从能 量释放的角度出发近似分析尺寸效应律口1 ； C a r p i n t e r i 用分形的方法研究混凝土的强度尺寸 效应问题[ 4 ] ．R P C 材料作为一种新型结构材料，适 用于大跨度结构与恶劣环境下工作的结构等．但是 对于该材料尺寸效应问题的研究还很少．本文通过 实验与理论分析相结合的方法研究R P C 材料抗折 强度尺寸效应问题． 收稿日期2 0 0 6 0 6 1 3 基金项目国家自然科学基金项目 5 0 5 0 8 0 0 5 作者简介安明酷 1 9 7 0 一 ，男，吉林省蛟河市人，副教授，工学博士，从事先进水泥基材料方面的研究． E m a i l a n m i n g z h e 0 1 1 6 3 ．c o r n T e l 1 3 9 1 0 2 6 1 0 8 6 万方数据 第1 期 安明酷等R P C 材料的抗折强度尺寸效应研究 1 试验方案 1 ．1 原材料 水泥采用4 2 ．5 普通硅酸盐水泥；微硅粉二氧 化硅含量大于9 8 ％，平均粒径为0 ．3 1 ／* m ，比表面 积为1 4 ．3 1m 2 ／g ；石英砂粒径范围0 ．1 6 ～1 ．2 5 m m ；减水剂为氨基磺酸盐高性能减水剂，减水率 3 1 ％，含固量3 3 ％；钢纤维为圆形细纤维，直径 0 ．2 2m r n ，长度1 2 ～1 5m m ，抗拉强度2 ．9G P a ． 本文研究钢纤维体积率2 ％，抗压强度等级为 1 6 0M P a 级R P C 的抗折强度尺寸效应．各组分具 体用量为水泥7 0 6k g ／m 3 ，微硅粉1 6 0k g ／m 3 ， 石英砂12 4 9k g ／m 3 ，钢纤维1 6 0k g ／m 3 ，减水剂 7 4k g ／m 3 ，水1 2 2k g ／m 3 ． 1 ．2 试验方法 试验用试件机械振动成型，并在2 0 ℃环境下 静养2 4h ，再以1 5 ℃／h 的速度升温至7 5 ℃，在7 5 ℃下养护7 2h ． 抗折强度试验按图1 所示加载，加载速度取为 0 ．0 8M P a ／s ．采用棱柱体试件，其受力截面尺寸h 分别取5 0 ，1 0 0 和1 5 0m i l l ，所对应的L 取为4h ． △ ．。了 1 ．h ．．．h． I ’ ⋯7 。1 7 l ／ 4h 图1 抗折强度试验 F i g ．1 F l e x u r a ls t r e n g t he x p e r i m e n t a t i o n 2 试验数据及分析 2 ．1试验数据 为了研究不同尺寸试件的抗压强度尺寸效应， 对尺寸为5 0m m 5 0m r r l 2 0 0m m 与1 0 0r n m 1 0 0r n m 4 0 0m m 的试件分别测定了1 2 组试件的 抗折强度，1 5 0m m 1 5 0m m 6 0 0m i l l 尺寸试件 测定了6 组试件的抗折强度．每组试件由3 个试块 组成，抗折强度值取3 个试块强度的平均值。试验 结果见表1 ． 表1R P C 试块抗折强度值 T a b l e1F l e x u r a ls t r e n g t ho fR P C s p e c i m e n s 尺寸／r a m各组试块的强度值／M P a 2 ．2 统计分析 对表1 中试验数据进行统计分析，得到不同尺 寸R P C 试件的平均强度；、标准离差S 和变异系数 C 。列于表2 中． 表2棱柱体抗折强度统计值 T a b l e2S t a t i s t i c a lf l e x u r a ls t r e n g t hv a l u e s o fp r i s m ys p e c i m e n s 图2 给出了R P C 材料棱柱体试块抗折强度随 试块特征尺寸的变化规律． 卓2 3 萎f 2 2 翼2 1 萎2 0 譬1 9 6 09 01 2 01 5 0 棱柱体特征长度／r a m 图2不同尺寸R P C 棱柱体试块抗折强度 F i g ．2 F l e x u r a ls t r e n g t hv a l u eo fp r i s m ys p e c i m e n s w i t hd i { f e r e n td i m e n s i o n 从图2 中不难发现，随着试块特征尺寸 棱柱 体短边尺寸 的增大，试块名义抗折强度减小，具有 与普通混凝土及高强混凝土一致的抗折强度尺寸 效应规律． 3尺寸效应系数 抗折强度尺寸效应分析中，以受力截面尺寸为 1 0 0m m 1 0 0m m 棱柱体试块作为标准试块，通过 式 1 计算非标准试块强度转换为标准试块强度的 换算系数C i i 为特征尺寸，即受力截面边长 ．将 计算结果列于表3 中． ， c i 一生攀， 1 ，t 式中 。。。为受力截面尺寸为1 0 0m m 1 0 0 r a m 棱 柱体试块的抗折强度，厂t i 为特征尺寸为i 的棱柱体 试块的抗折强度． 表3 抗折强度尺寸效应换算系数 T a b l e3S i z ee f f e c tc o e f f i c i e n to ff l e x u r a ls t r e n g t h T 』 O 1啪吣 一 2 2 2 4 一 2 1 8 8猢m 一 2 2 矾％∞孔均珀∞弘M毖珀M弘盯盯驰“ 均阻∞弘扎曲墙 毗∞掂肌毖加挖埔 毖趵鹕 ∞∞猢则灿蚁瑚啪蜗畎畎∞加 万方数据 4 0中国矿业大学学报第3 6 卷 由表3 中的抗折强度换算系数可以看出，R P C 混凝土的抗折强度随着试件尺寸的增大而降低．但 是其尺寸效应现象没有普通混凝土明显．可能有以 下原因1 混凝土材料脆性越大，尺寸效应现象越 明显[ 5 ] ．R P C 材料掺人钢纤维后，材料韧性提高， 脆性得到很大的改善，明显低于普通混凝土．因此， R P C 材料的抗折强度尺寸效应没有普通混凝土材 料明显；2 R P C 棱柱体试块抗折强度实验中，试块 破坏时，首先在试块的底部表面2 个加载点之间产 生裂纹，随着荷载增大，裂纹逐渐加宽并向上延伸， 直至试件破坏[ 6 ] ．R P C 材料中掺加钢纤维，在振动 台上振捣时，由于电磁吸力作用，纤维向试块边壁 方向移动，并有沿试块长度方向排列的趋势．因此， 实验中将提高混凝土抗折强度，且试件尺寸越大， 这种作用越显著，致使尺寸效应现象不明显． 4 理论分析 分析混凝土材料强度尺寸效应问题的理论主 要有W e i b u l l 统计理论、B a z a n t 断裂力学尺寸效应 理论和裂纹分形理论．作者对R P C 抗折强度的分 析表明，B a z a n t 断裂力学尺寸效应理论能够给出 合理的解释．本文主要应用B a z a n t 断裂力学尺寸 效应理论来分析R P C 材料抗折强度尺寸效应问 题． 4 ．1 基于能量释放的尺寸效应 B a z a n t 等在试件几何相似的前提下，基于钝 裂缝带模型，根据能量平衡的概念提出了基于能量 释放的尺寸效应公式[ 7 3 O “ N 阱 ， 鑫 。1 “ B f t ， 丢 _ “， 2 式中氏为混凝土破坏时的名义应力；d 。为最大 集料尺寸；d 为结构特征尺寸；B 和A 。为考虑不同 尺寸几何形状相似的结构时的常数，只与试件形状 有关而与尺寸无关；f 7 。为混凝土的直接拉伸强 度． 式 2 建立了结构名义强度讯与结构尺寸d 之间的关系式，与实验结果吻合得很好，它改变了 以往研究者着重建立经验公式的状态．因此，只要 定出方程中的常数B ，d 。即可得出尺寸效应方程． 为了便于对实验数据进行统计回归分析，将式 2 转化为线性方程[ 8 ] Y A X C ， 3 式中X d ；y 一1 ／靠；C 一1 ／ B f7 。 2 ；A c ／d 。．只要求出直线的斜率A 和截距C ，即可得到 式 2 的具体形式．将表2 中实验数据代人X 和y 的表达式，通过线性回归分析，可得A 一1 ．0 4 5X 1 0 ～；C 一1 ．4 1 1 0 ～．因此 仆万C 一1 3 4 ．9 1 , B f 7 。一居一2 6 ．6 3 4 将式 4 带人式 2 ，得到基于能量释放的尺寸 效应公式 2 6 ．6 3 吣一F ■亏一’ √1 面南 5 将式 5 代表的拟合曲线绘制在图3 中．上述 拟合分析的相关指数为0 ．6 0 2 8 ，同时由图3 可以 看出，基于能量释放的尺寸效应公式与抗折强度实 验结果吻合得比较好． 图3基于能量释放的尺寸效应拟合曲线 F i g ．3F i t t i n gc u r v eo fs i z ee f f e c tl a wb a s e d o ne n e r g yr e l e a s i n g 4 ．2 无切口情况下的尺寸效应 与出现宏观裂纹并且裂纹稳定扩展导致失效 的结构不同，在无缺口情况下，准脆性断裂的失效 是在起裂时产生的．对于许多最初无裂缝的混凝土 和钢筋混凝土结构来说，这种失效在起裂时发生的 不稳定开裂是很常见了．在抗折实验中，R P C 试件 也表现出起裂即失效的现象． B a z a n t 通过渐近分析导出了在光滑表面裂缝 起裂时失效的名义强度的近似形式[ 9 ] ，』、 O “ N ≈片l1 等 ， 6 、“， 式中疗为尺寸无穷大时的名义强度，常数；d 。为 开裂边界层的有效厚度，常数． 已 蒌 赵 蕊 塔 遥 到 姆 图4 元缺口情况下的尺寸效应拟合曲线 F i g 。4F i t t i n gc u r v eo fs i z ee f f e c tw i t h o u tg a p o ns p e c i m e n s 万方数据 第1 期安明酷等R P C 材料的抗折强度尺寸效应研究4 1 将各组抗折强度数据代人式 6 进行拟合分 析，得到无缺口情况下的抗折强度尺寸效应拟合式 7 ，相关指数为0 ．6 1 65 ，拟合曲线如图4 所示． O “ N 一1 6 ．9 3f 1 掣1 ． 7 、“， 4 ．3 修正的抗折强度尺寸效应公式 由图3 ，4 可知，拟合得到的名义抗折强度曲线 与实验结果吻合的比较好，而且相关指数也比较 小．但是，当尺寸趋近于无穷大时，基于能量释放的 尺寸效应公式表达的抗折强度趋近于零；而当尺寸 趋近于零时，无缺口情况下的名义强度将趋于无穷 大．为解决上述问题，本文提出修正的尺寸效应公 式 O “ N 一兰些 a o ， 8 一■ 三兰兰 ， 为 4 1 d ／d 。 式中氏为试块尺寸无穷大时R P C 的抗折强度． 应用上式对抗折实验数据进行拟合分析，得到 拟合式 9 ，曲线如图5 所示． O “ N 尘坠 8 ．1 9 9 ． 9 十石． ．L H J q 1 七a | 9 4 ．5 、 蛊 罨 瑙 鹱 鼙 蝠 爿 婶 棱柱体特征尺寸／r a m 图5 修正的尺寸效应公式拟合曲线 F i g ．5F i t t i n gc u r v eo fa m e n d a t o r ys i z ee f f e c tf o r m u l a 由图5 可知，式 9 与棱柱体试块抗折强度实 验结果吻合的比较好，相关指数也比较小，其值为 0 ．5 3 87 ．根据式 9 ，当d 一0 时，吣一2 5 ．5 2 ；当d o o 时，氨一8 ．1 9 ，能够较好的反映材料的实际 情况．因此式 8 能够很好地预测R P C 材料棱柱体 名义抗折强度，但由于目前对R P C 材料的微观结 构以及断裂机理尚不清楚，实验也存在一定的离散 性，式 8 的适用范围尚需要迸一步验证． 5 结论 1 R P C 材料抗折强度都随着试块尺寸的增大 而减小，具有明显的尺寸效应现象； 2 基于能量释放的尺寸效应率和无缺口情况 下的尺寸效应率都与实验结果吻合良好，但有其各 自的局限性； 3 本文提出的基于能量释放的修正公式与抗 折试验结果吻合良好，且在d 一0 和d o 。时，都 能较好地反映真实强度，因此可作为R P C 抗折强 度预测公式． 参考文献 [ 1 ] 张立军．活性粉末混凝土的尺寸效应研究[ D ] ．北 京北京交通大学土木建筑工程学院，2 0 0 6 ． [ 2 3W E L B U L LW ．As t a t i s t i c a ld i s t r i b u t i o nf u n c t i o n so f w i d ea p p l i c a b i l i t y [ J ] ．J o u r n a lo fA p p l i c a t i o nM e c h a n i c s ，1 9 5 1 ，1 8 2 9 3 2 9 7 ． [ 3 ] B A Z A N TzP ．S i z ee f f e c ti nb l u n tf r a c t u r e c o n c r e t e ，r o c k ，m e t a l [ J ] ．J o u r n a lo fE n g i n e e r i n gM e c h a n i c s ，1 9 8 4 ，1 1 0 5 1 8 - 5 3 5 ． [ 4 ] C A R P I N T E R IA ，C H I A I AB ，F E R R OG ．S i z e e f f e c t so nn o m i n a lt e n s i l es t r e n g t ho fc o n c r e t es t r u c t u r e m u l t i f a t a l i t yo fm a t e r i a ll i g a m e n t sa n dd i m e n s i o n a lt r a n s i t i o nf r o mo r d e rt Od i s o r d e r [ J ] ．M a t e r i a l S t r u c t u r e ，1 9 9 5 ，2 8 7 3 1 1 3 1 7 ． [ 5 ] 钱觉时，罗晖，王智．水泥混凝土高强化与强度 尺寸效应口] ．建筑材料学报，1 9 9 8 ，1 2 1 3 4 1 3 8 ． Q I A NJ u e - s h i ，L U 0H u i ，W A N GZ h i ．I m p r o v e m e n t o fs t r e n g t ha n ds i z ee f f e c to ns t r e n g t ho fc o n c r e t e [ J ] ． J o u r n a lo fB u i l d i n gM a t e r i a l s ，1 9 9 8 ，1 2 1 3 4 1 3 8 ． [ 6 ] 王连海．钢纤维混凝土梁抗剪性能研究[ D ] ．北京 北方交通大学土木建筑工程学院，1 9 9 6 ． [ 7 ] B A Z A N TzP ，C H E NEP ．S e a l i n go fs t r u c t u r ef a i l u r e [ - J ] ．A m e r i c a nS o c i e t yo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r s ， 1 9 9 7 ，5 0 1 2 5 9 3 - 6 2 7 ． [ 8 ] 黄易镔．混凝土力学参数尺寸效应及其与脆性关系 的研究[ D ] ．重庆重庆大学材料科学与工程学院， 2 0 0 2 ． r 9 ] B A Z A N TZP ．S i z ee f f e c ta s p e c to fm e a s u r e m e n to f f r a c t u r ec h a r a c t e r i s t i c o fq u a s i b r i t t l em a t e r i a l [ J ] ． A d v a n c e si nC e m e n t B a s e dM a t e r i a l ，19 9 6 ，4 3 ／4 】2 8 一】3 7 ． 责任编辑王继红 万方数据