高强混凝土强度和耐久性测定的尺寸效应

韩唯伟，刘数华

（武汉大学水资源与水电工程科学国家重点试验室，湖北　武汉　430072）

高强混凝土强度和耐久性测定的尺寸效应

韩唯伟，刘数华

（武汉大学水资源与水电工程科学国家重点试验室，湖北武汉430072）

高性能混凝土是当前国家重点推广技术，其强度和耐久性具有尺寸效应现象。室内试验和不同养护条件下，标准试件15cm 立方体和10cm 立方体抗压强度之间具有较高的线性相关性，尺寸效应换算系数 fcu,15/fcu,10随标准抗压强度的增大呈减小趋势。随着尺寸的增大，试件的抗渗性和抗冻性均大大降低。结构芯样在尺寸效应上较试件小，但其存在更多的微裂纹和缺陷，使得抗渗性和抗冻性急剧降低，不能用于评价混凝土结构的耐久性。

高强混凝土；试件；芯样；强度；耐久性；尺寸效应

科学技术日新月异，混凝土技术的进步表现在其强度等级的不断提高。20世纪80年代以来，世界范围内对高强度等级混凝土的研究与配制盛行，且不断走向实用工程。

早在1925年，Gonnerman 就注意到混凝土材料的强度存在尺寸效应现象，即材料的力学性能不再是一个常数，而是随着材料几何尺寸的变化而改变。具体说就是随着混凝土试件尺寸增大，混凝土强度试验值出现规律性的下降。对于普通混凝土（其强度等级常在 C60以内）的试件强度尺寸效应问题，目前已有章可循。GB/T50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》规定：标准试件为15cm 立方体，10cm 试件的尺寸换算系数为0.95，20cm 试件的尺寸换算系数为1.05。国内各类相关现行规范按照国际标准 ISO3893等相关标准也给出了相同的规定[1,2]。

国外 J.R. del Viso 等研究认为立方体试件的测试抗压强度会随着试件尺寸的增加（即边长的增大）而减小，存在着明显的尺寸效应，而对于高径比为2的圆柱体试件，抗压强度随试件大小的变化很小，尺寸效应很小，如图1所示。

在国内，清华大学、哈尔滨建筑大学、中国建筑科学研究院等单位[3,4]就高强度等级混凝土（其强度等级在 C60以上）试件强度的尺寸效应问题进行了大量试验，经过科学的筛选和严密的数理统计绘制出图2。同时，经数值回归分析，建立15cm 立方体抗压强度（fcu,15）与10cm 立方体抗压强度（fcu,10）关系：

计算得出 fcu,15和 fcu,10的相关系数 R2为0.945，表明两者高度相关。由此统计可知对高强度等级混凝土而言，fcu,15/ fcu,10=0.914，略小于普通混凝土的相应转换系数0.95。由于高强混凝土通常具有较高的强度，而随着强度的增大，脆性也会随之增大。相关研究表明，脆性越小的材料，尺寸效应变化越小；反之则表现为强度越高，脆性的影响越显著，因而高强混凝土强度尺寸效应比普通混凝土更加明显。

图1　高强度等级混凝土试件抗压强度的尺寸效应

图2　尺寸效应拟合曲线

高强度等级混凝土的广泛应用还是近十来年的事情，且由于试验条件的限制（目前国内压力机最高吨位普遍为2000kN），使得高强混凝土的强度测试受到限制，因而高强度等级混凝土的尺寸效应仍缺少研究，成为高强度等级混凝土应用和推广的障碍。在工程实践中如果换算系数取值偏大，会导致结构工程可靠度降低；而取值偏小，则会造成资源的无效浪费。因此，需要找出10cm与15cm 立方体试件强度之间的转换关系，即 fcu,15与 fcu,10之间的比值。本文针对强度 C60～C100范围的高强度等级混凝土，通过大量试验研究高强度等级混凝土试件尺寸效应和不同养护条件下高强度等级混凝土的力学性能、耐久性及其相关性能。

1　强度

室内制备 C60～C100高性能混凝土，试件尺寸为10cm和15cm 立方体，标准养护28d 后测试抗压强度，将试验结果绘制到 fcu,15—fcu,10坐标系中，得到图3所示。可以看出15cm立方体抗压强度（fcu,15）和10cm 立方体抗压强度（fcu,10）两者具有很高的相关性，从该图中回归两者的相关关系式为：

图4为尺寸转换系数 fcu,15/fcu,10随15cm 立方体标准试件抗压强度 fcu,15的变化，从总体来看，fcu,15/fcu,10随强度的增大而略有减小，但两者之间的线性相关性较差，如式（3）所示：

图3　高性能混凝土抗压强度 fcu,10和 fcu,15的关系

图5和图6是高强度等级混凝土试件强度分别与标准差和离散系数的关系。从标准差来看，随着试件强度水平的提高，标准差也随之增大，两者的相关关系回归式为（4）。从离散系数来看，总体规律也是随着试件强度的提高，离散系数略有增大趋势，说明更难进行质量控制。而且，10cm 试件的离散系数总体要高于15cm 试件，说明大尺寸试件抗压强度的稳定性更高。

图4　高性能混凝土抗压强度 fcu,15与转换系数 fcu,15/fcu,10的关系

图5　标准差 σ 与高性能混凝土试件强度的关系

图6　离散系数 Cv 与试件强度的关系

从调研和试验结果来看，高强度等级混凝土试件强度的尺寸效应更显著：fcu,15与 fcu,10的转换系数以0.90～0.95为宜。对于试验中的 C60～C100混凝土，由于所有材料、试验环境和测试方法均相同，因而呈现出较好的规律：尺寸效应转换系数 fcu,15/fcu,10随基准尺寸试件抗压强度的提高而略有减小，介于0.86～0.93之间。标准差和离散系数随着试件强度的提高而略有增大，试件越大，离散系数越小，稳定性越高。

为进一步研究不同养护条件高强度等级混凝土的力学性能，针对 C60、C70、C80、C90及 C100分别大批量成型10cm 和15cm 立方体试件，并在标准养护（标养）、同条件养护（同养）、覆盖塑料膜养护（塑养）及覆盖麻袋养护（麻养）等条件下，测试试件28d 抗压强度，对比不同养护条件下高强度等级混凝土的力学性能，结果如表1所示。可以看出，对于10cm 和15cm 两种立方体试件，在不同养护条件下28d 抗压强度差别不大，差值比均控制在5% 以内。就大小次序而言，塑养最大，其次是麻养，同养与标养接近。

表1　C60～C100不同养护条件下的尺寸效应　MPa

2　耐久性

2.1抗渗性

Mehta 于1994年提出混凝土劣化的整体性模型：当结构承载以及外界环境的破坏，例如冷热循环、干湿循环，水泥砂浆与粗骨料间的过渡区原生的微细裂缝就会扩展，导致混凝土失去水密性，对混凝土劣化起决定影响的水和各种离子就很容易侵入。饱水的混凝土由于一种或几种体积膨胀现象（如水结冰、钢筋锈蚀与钙矾石或碱硅凝胶生成），其孔溶液的静水压力上升。同时，由于水泥浆里的氢氧根离子溶蚀，被氯离子或硫酸根离子所取代，硅酸钙水化物就会丧失胶凝性和强度，这两种损伤过程都会使微裂缝扩展，导致水密性进一步丧失，加速了损伤。该模型依据实验室与现场的经验，认为混凝土的饱水程度对膨胀和开裂起主导作用，提高抗渗性是改善结构耐久性的关键[5,6]。

表2　抗渗性的尺寸效应

从表2试验结果来看，试件尺寸变化使得其电量值和氯离子渗透深度均有所变化。随着试件尺寸增大，电量值有增大的趋势，而氯离子渗透深度有降低的趋势。随着试件尺寸增加，单位面积电量值比降低，但不同原材料和配合比其降低数值不同。扣除截面积和厚度的直接影响后，中、小型试件电量值的尺寸效应不明显，而大型试件电量值就具有明显的尺寸效应，使得电量值降低20% 左右。中、小型试件的氯离子渗透深度接近，而大型试件的氯离子渗透深度较低，具有明显的尺寸效应，氯离子渗透深度降低约30%。

为了研究养护温度对混凝土抗渗性影响，将浇筑后的混凝土放置在20℃、50℃、60℃、80℃的水池中养护至测定时间，试件抗压强度测试龄期为28d，渗透性测试龄期为90d，试验结果如表3所示：混凝土在50℃后强度就急速下降；水的渗透系数和 Cl-渗透系数 K 随温度的提高而增大，电阻随养护温度的提高而减小，说明随着养护温度的提高，混凝土的抗渗性降低。

国外[5]曾测试野外成型混凝土及结构芯样的抗渗性，如图7所示。从图可知，相同混凝土配合比，野外养护的混凝土试件和从结构钻取的芯样的渗透系数和劈拉强度有较大差别：芯样的渗透系数是试件的两倍，远高于试件，而芯样劈拉强度则略低于试件。

图7　野外混凝土及芯样的渗透性和劈拉强度

2.2抗冻耐久性

三峡工程设计服役寿命为500年，为此须使用高耐久性的高性能混凝土，混凝土的设计抗冻等级为 F300。三峡公司实验中心[7]进行了不同尺寸试件的抗冻性试验，表3为部分试验结果，由于质量损失较小，此表中只列出不同冻融循环次数后的相对动弹模。

从表3试验结果来看，不管是棱柱体试件还是圆柱体试件，经过相同次数的冻融循环后，小试件的相对动弹模均高于大试件。由此可见，高性能混凝土的抗冻耐久性具有显著的尺寸效应。混凝土试件的尺寸越大，在冻融循环这种温度变化过程中，试件内外温差较大，由此产生的拉应力更大，因而在抗冻试验中更易遭受破坏。

表3　不同尺寸混凝土在多次冻融循环后的相对动弹模量　%

此外，国内两个世人瞩目的工程（三峡工程和青藏铁路）[6]进行的室内成型试件与现场钻取芯样的快速冻融对比试验，试验人员发现：试件无一例外顺利地通过300次以上的冻融循环，而芯样仅经历50次，甚至还不到25次循环就已经破坏，室内试件和现场芯样测试存在很大的差异。产生显著差异的主要原因最初认为是，振捣条件、振捣参数及其影响现场新拌与硬化混凝土的含气量，但经过一番试验比较后，发现差异并不大；随后又进行了不同骨料粒径、试件形状和尺寸、养护条件，以及在室内成型大块试件，然后再从中钻取芯样（以便暴露出骨料与浆体的界面）来进行对比试验，但结果依然没有反映出室内成型试件和现场钻取芯样之间的巨大反差。

混凝土具有高度非均质和动态的微结构，包含骨料、水泥浆基体和10～50μm 厚的界面过渡区。由于温度变形和自身变形，在硬化早期形成内应力（拉应力）、损伤和微裂缝，使其微结构中的界面区进一步削弱。特别是如今的高强度等级混凝土，拌和过程加入的胶凝材料活性高、细度高、用量大，搅拌后出机口混凝土的初温很高，这种混凝土即使浇注成型断面尺寸不很大的构件，也会因放热速率快而到达很高的温峰，使随后降温的幅度明显增大。而在升温与降温阶段，即混凝土膨胀和收缩过程，其弹性模量存在巨大反差，再叠加上期间的自身收缩和水分蒸发引起的收缩，就使混凝土生成较大的拉应力。而且，现场混凝土浇注过程中的泌水、离析使其形成薄弱界面，混凝土在早龄期由于收缩变形受约束形成的弹性拉应力和损伤又将进一步削弱界面；而试件在室内成型时是搅拌完后立即浇注且浇注高度小，不大会出现那么薄弱的界面，且硬化过程出现的温度变形和自身变形由于不受约束，也不会产生拉应力和损伤[7]。

同时，目前评估混凝土耐久性的方法，是针对室内成型没有受过损伤的试件；按照自然界环境变化的速率去进行，获得对不同原材料或配比的试验结果则需很长时间。为了加快试验进度，就要将试验条件设置得比自然环境更严酷，例如快速冻融试验方法中，要将试件置于四周充水的橡胶套里，在几小时里就完成一个冻融循环，混凝土试件的温度在8～-17℃大范围反复变化。在如此严酷的环境里，已经存在损伤的芯样很快饱水，并随着冻融循环的继续，损伤进一步加剧，所以破坏迅速；而室内成型的试件不仅没受损伤，而且表面一层密实的浆体形成“第一道防线”，可以避免周围的水分渗入，在经历尽管十分严酷的冻融循环过程出现损伤的速率大为减慢。因此，试件和芯样的抗冻试验结果存在很大反差，现场钻取的芯样不能用于评估混凝土的抗冻性[8]。

3　结论

（1）高性能混凝土的尺寸转换系数 fcu,15/fcu,10随标准试件抗压强度的增大而呈减小趋势，主要集中在0.85～0.95范围内，约为0.915，但有较大波动。因而，高强度等级混凝土抗压强度宜采用标准试件通过试验测定；使用非标准尺寸试件时，尺寸折算系数应由试验确定。

（2）高强度等级混凝土的耐久性具有显著尺寸效应，随着试件尺寸的增大，抗渗性和抗冻性均大大降低。养护环境对高强度等级混凝土的抗渗性有较大影响，适宜的养护温度和较长的湿养时间有利于提高混凝土的抗渗性。

（3）混凝土芯样可用于评价其强度，而不能评价耐久性。

[1] GBJ10—89．混凝土结构设计规范[S]．

[2] GB50204—292．混凝土结构工程施工及验收规范[S]．

[3] 陈肇元，朱金铨，吴佩钢．高强混凝土及其应用[M]．北京：清华大学出版社，1992．

[4] 冷发光．粉煤灰高性能混凝土试件强度尺寸效应研究[J] ．混凝土，2000(9)：18-19．

[5] Xiang Shu, Baoshan Huang, Hao Wu, Qiao Dong, Edwin G. Burdette. Performance comparison of laboratory and field produced pervious concrete mixtures [J]. Building and Environment.2011(25)：3187-3192.

[6] Lulu Basheer, JoergKropp, David J. Cleland. Assessment of the durability of concrete from its permeation properties: a review [J]. Construction and Building Materials2001(15)：93-103.

[7] Leopoldo Franco, Alberto Noli, Paolo De Girolamo, Martina Ercolani. Concrete strength and durability of prototype tetrapods and dolosse: results of field and laboratory tests [J] Coastal Engineering2000(40):207-219

[8] 覃维祖．混凝土耐久性评估：用试件还是用芯样[J]．混凝土世界，2010.10：25-28．

［通讯地址］湖北省武汉市武汉大学工学部 水资源与水电工程科学国家重点实验室（430072）

Size effect on the strength and durability of high strength concrete

Han Weiwei, Liu Shuhua
(Wuhan university, Water resources and hydropower engineering science and state key laboratory, HubeiWuhan430072)

High performance concrete is a national key promotional technique at present in China, but its strength and durability are affected by its size. There is a significant linear correlation between compressive strength of standard specimens of15cm3and10cm3under the condition of laboratory experiment anddifferent curing condition, and the conversion coefficient of size effect fcu,15/fcu,10decreases with the increase of standard compressive strength. Impermeability and frost-resistance of specimens decrease significantly when sizes of samples increase. Effect of size oncore samples is smaller than that on specimens, but there are more microcracksand defects in core samples which lead to the decrease of impermeability and frost-resistance of samples, so core samples cannot be used to evaluate the durability of concrete.

high strength concrete; specimen; core samples; strength, durability; size effect

韩唯伟（1990—），女，武汉大学水利水电学院在读研究生，主要研究矿渣在不同胶凝体中的水化机制，特别是矿渣在超硫酸盐水泥和碱激发矿渣水泥中的水化机制。