四川大学 建筑与环境学院 四川 成都 610065
摘要：随着社会的不断发展，高层建筑、大型建筑数量越来越多，建筑规模越来越大，这让市场对混凝土的需求量大幅增加，也更加需要大尺寸的混凝土。而混凝土的尺寸效应对施工的影响也尤为重要，所以需要在实验室配制小尺寸的混凝土进行研究，帮助理解模型试验和实际工程中的异同点，尺寸效应的研究对于复杂混凝土结构工程应用发展具有重要意义。本实验则是对混凝土的尺寸效应这一特殊性质进行研究；结果表明：混凝土试件随着尺寸的增大,轴心抗压强度的试验测试值会有所下降，下降速度随着尺寸的增大变慢。
关键词：混凝土；抗压强度；尺寸效应
0 引言
普通混凝土指以水泥为主要胶凝材料，与水、砂、石子，必要时掺入化学外加剂和矿物掺合料，按适当比例配合，经过均匀搅拌、密实成型及养护硬化而成的人造石材。混凝土主要划分为两个阶段与状态：凝结硬化前的塑性状态，即新拌混凝土或混凝土拌合物；硬化之后的坚硬状态，即硬化混凝土或混凝土。
对于混凝土尺寸效应国内外已展开大量试验研究和理论分析。Malhotra[1]对不同强度等级混凝土圆柱体进行受压尺寸效应研究；Sabnis[2]考虑养护方式和养护龄期对混凝土受压方式下尺寸效应进行分析；苏捷[3]对高强混凝土受压力学性能进行试验研究；周红[4]采用劈拉方式对立方体和圆柱体混凝土进行受拉尺寸效应试验研究；彭刚[5]考虑动力性能影响对混凝土受压力学性能尺寸效应进行分析。本次实验专注于混凝土的抗压强度的变化，通过直接设计不同配比下不同尺寸的混凝土来进行尺寸效应的研究，使得其更能简明直观地体现混凝土抗压强度和尺寸变化之间的关系。通过对小尺寸混凝土尺寸效应的研究，从而推算出大尺寸混凝土的抗压与尺寸之间的变化规律，从而能更好地解决大型试验以及实际工程问题。如今的各种混凝土材料能够满足现代结构向大跨、高耸、重载方向发展的趋势及承受恶劣环境的需求,在高层、超高层建筑、大跨桥梁以及多种构筑物中得到了广泛应用。随着建筑高度、桥梁跨度的增加以及结构形式的多样化,混凝土构件的截面尺寸不断增大,其尺寸效应问题也突显出来。大尺寸含混凝土材料在高层、超高层建筑及大跨桥梁中常被用作主要承重构件,其抗压尺寸效应问题不容忽视。
1试验目的
本试验旨在研究当今土木工程中用途最广、用量最大的一种建筑材料—混凝土的重要性质，利用对尺寸效应的研究，在大型工程建设中避免由于尺寸过大导致混凝土强度降低，从而使建筑结构的最大承受能力降低，而导致严重的安全事故。熟悉混凝土的技术性质和成型养护方法，掌握混凝土拌合物工作性的测定和评定方法，通过检验混凝土的立方体抗压强度，掌握有关强度的评定方法，利用混凝土抗压强度测量方式测量尺寸不一的混凝土的强度差距，绘制图像找寻规律，从而归纳出混凝土尺寸过大时在一定范围内的的折减系数，有所广益。
2试验概述
2.1试验分组及条件
本试验试件分为C25、C30、C35三种设计强度的混凝土，每种设计强度的试件均有三种尺寸，分别为70.7mm×70.7mm×70.7mm、100mm×100mm×100mm、150mm×150mm×150mm，同一强度同一尺寸的试件各三个，按照强度把试件分为三组，即同一强度组试件包含三个小尺寸、三个中尺寸、三个大尺寸的试件，一组共计9个试件，三组共计27个试件，所有试件均为同一批次拌合，养护条件完全相同并都达到了标准养护28天。三组试件分别做抗压强度试验，并相互对照。混凝土试件养护图如图1，抗压强度试验图如图2。
2.2试验设备及试件强度，尺寸
设备：YA-2000C电液式压力试验机（精度等级1级，产品规格2000KN）；
强度：C25，C30，C35，每种强度各做成三种尺寸；
尺寸：70.7mm×70.7mm×70.7mm100mm×100mm×100mm150mm×150mm×150mm，每种尺寸混凝土各三个。
2.3本试验的混凝土试件制作方式
（1）材料：试验混凝土为C25、C30、C35三种设计强的混凝土，采用P•O42.5等级的水泥，使用中砂，最大粒径20mm的碎石，普通水
（2）混凝土试块制作步骤：
①计算称重：按设计强度计算并称重所需材料，包括水泥、河砂、碎石、水（称重时适当增加材料用量）；
②拌合干料：先把称好的干材料，即水泥、河砂、碎石用铁锹充分拌合均匀，并在均匀的干料中间刨一个大坑，四周形成围堰；
③搅拌：将称重好的水缓缓加入坑中，用铁锹把四周的干料铲入坑中慢慢拌合（注意防止水渗出），直到拌合均匀，满足一定的和易性要求和坍落度要求；
④装模振捣：将混凝土装入事先准备好的一定尺寸的模具，放上振动台振实（振实之后模具内混凝土下落之后注意添加）；
⑤养护：本试验混凝土试件三天凝固后人工脱模，标准条件下与养护箱中养护28天。
图一：混凝土试件养护图 图二：抗压强度试验（混凝土已被破坏）
2.4抗压强度试验方法
利用YA-2000C电液式压力试验机对标准养护28天后的立方体混凝土试件进行加压实验，测试不同强度、不同尺寸试件的抗压强度。
图3：压力机示意图
fc=N/A（单位：MPa）
（加载速度3—10KN/s）
2.5实验测试结果
根据试验测量数据，C25，C30,C35三种混凝土，150mm×150mm×150mm，100mm×100mm×100mm，70.7mm×70.7mm×70.7mm三种尺寸，共27个试验试件的抗压强度测试结果以及强度分析如下列图表：
表1：每种混凝土的最大承受压力（单位：KN）
表2：每种混凝土实际试验强度（单位：MPa）
图4：每种混凝土不同尺寸的强度对比
图5：各种尺寸混凝土的强度曲线
2.6实验结果分析
在小组成员的研究下，对造成混凝土的尺寸效应的原因进行了如下分析：
(1)尺寸效应是由边界条件引起的；由于混凝土在制作过程中，模板使得大骨料更倾向于分布在构件的中心位置，而小骨料更多地分布于构件的边界位置，从而形成边界层，该边界层的厚度取决于最大骨料的粒径。在法向受力条件下，构件横向会产生应力。但表面却不存在这种应力。并且，由于泊松效应，使混凝土构件内部都处于平面应变，而表面为平面应变状态，这样导致表面、内部裂缝尖端处的应力分布情况均不同。
(2)因扩散现象，从而引起的与时间相关的尺寸效应；由于半干燥期依赖于试件尺寸，致使扩散过程对材料性质有所影响，并产生了残余应力.从而导致非弹性应变和开裂。因为各个试件中由于体积的差异而引起干燥次数存在差异，所以构件开裂的程度和密度各不相同，从而出现了混凝土的尺寸效应。
(3)构件温度的不均匀分布可导致开裂、加速化学反应和改变材料性质，从而引发尺寸效应；混凝土试件尺寸越大.内部温度越高。
(4)由材料强度的随机性引起的尺寸效应，即统计尺寸效应。因为混凝土材料强度具有随机性，从而使得遇到某个低强度的材料单元的概率随结构尺寸的增大而增大，从而出现混凝土的尺寸效应[6]。
2.7试验误差分析：
1、配制混凝土时，没有考虑到材料在配比过程中的损失，使得混凝土不是完全按照配合比的规格。
2、加入模具的过程中，部分混凝土并未完全装满模具或者过量渗过模具，导致最终混凝土试件与标准尺寸存在一定偏差。
3、由于人为操作，混凝土可能存在搅拌不完全，震荡不充分的情况。
4、碎石粒径较大导致小尺寸混凝土制作时难以拌合均匀，且碎石质量也会存在偏差。
3总结
（1）试验得出：C35混凝土三种尺寸的混凝土的平均抗压强度分别为51.72MPa，47.45MPa，44.17MPa，C30混凝土三种尺寸的混凝土的平均抗压强度分别为46.70MPa，43.21MPa，41.77MPa，C25混凝土三种尺寸的混凝土的平均抗压强度分别为45.76MPa，38.12MPa，37.33MPa，（三组数据顺序均为体积从小到大排列）；不同强度组的试验结果均表明，同一强度、同一批次、相同养护条件的混凝土立方体试件，其轴心抗压强度随试件尺寸的增大而降低，且降低速度随着尺寸的增大趋于平缓；
（2）由于在我国以150mm×150mm×150mm为标准尺寸，100mm×100mm×100mm尺寸的混凝土平均强度除150mm×150mm×150mm尺寸的混凝土平均强度得到：
C35：44.17÷47.45=0.93
C30：41.77÷43.21=0.96
C25:37.33÷38.12=0.97
取平均值：（0.93+0.96+0.97）÷3≈0.95
故100mm×100mm×100mm尺寸的混凝土需要乘以0.95的折减系数，
同理，70.7mm×70.7mm×70.7mm尺寸的混凝土平均强度除150mm×150mm×150mm尺寸的混凝土平均强度得到：
C35：44.17÷51.72=0.85
C30：41.77÷46.70=0.89
C25:37.33÷45.76=0.81
取平均值：（0.85+0.89+0.81）÷3≈0.85
70.7mm×70.7mm×70.7mm尺寸的混凝土需要乘以0.85的折减系数。
参考文献
[1]MALHOTRA V M. Are 4×8 inch concrete cylinders as 6×12 inch cylinders for quality control of concrete[J].ACI Material Journal， 1996，73（1）：115-123。
[2]SABINSGM，MIRZASM. Size effects in model concretes[J].Journal of the Structural Division，ASCE，1979，105（6）：141-152。
[3]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。
[4]周红，车轶日，陈庚等。混凝土立方体与圆柱体劈裂抗拉强度尺寸效应研究[J].混凝土，2010（8）：13-15。
[5]陈伟，彭刚，周寒清.不同应变速率条件下不同尺寸混凝土单轴试验应力应变分析[J]。水电能源科学，2014，32（3）：134-137。
[6]《混凝土的尺寸效应》.全国建筑核心期刊.2004年第3期.黄海燕.张子明.河海大学土木工程系。