全轻混凝土尺寸效应研究

李潇雅 ,陈卫峰

(1.河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作 454003；2.中通钢构股份有限公司，山东 聊城 252000)

混凝土是现代工程结构的主要材料[1]，随着建筑技术的不断深入发展，普通混凝土材料的强度不断提升，但其自重也较大。由轻粗集料、轻砂(普通砂)、水泥和水配制而成的混凝土称为轻骨料混凝土[2]，相对于普通混凝土，轻骨料混凝土具有轻质高强、保温隔热、耐火抗震等优良性能[3-4]，能够提高混凝土工程的质量，具有显著的社会经济效益[5],特别是对于有特殊需求的人防建筑、水利大坝等具有重要的工程应用价值。

在建筑结构设计过程中，除了考虑日常的静力荷载对建筑物产生的影响，还需要考虑建筑物在抗冲击爆炸性能方面的力学行为响应。SHPB实验装置是研究各类工程材料动态力学性能的最基本实验手段[6]，对轻骨料混凝土而言，研究其在动态冲击性能下的力学响应对于深入了解材料的性质、破坏形态具有十分重要的意义。

大量试验表明：SHPB动态冲击压缩试验测得的混凝土动态抗压强度与试件尺寸有关，试件的长径比越大，影响越大[7]。为了研究轻骨料混凝土试件长径比对动态峰值强度和动态峰值应变的影响，确定全轻混凝土的最优长径比，需要深入了解全轻混凝土的尺寸效应。

本文采用页岩陶砂和页岩陶粒制作强度等级分别为LC30、LC40全轻混凝土，利用SHPB试验系统，对直径为50 mm，长径比分别为0.4、0.5、0.6的全轻混凝土试块进行冲击压缩试验，研究全轻混凝土的尺寸效应，以确定全轻混凝土SHPB试验的最优长径比。

1 全轻混凝土配合比设计

本试验水泥采用焦作坚固水泥厂生产的P·O 42.5R 级早强型普通硅酸盐水泥，粉煤灰采用焦作电厂生产的Ⅱ级粉煤灰。页岩陶粒、页岩陶砂均为洛阳正全实业有限公司生产。其中，根据量级影响及泵送混凝土的要求，挑选粒径为5～15 mm的不规则碎石型页岩陶粒，密度等级为700级，表观密度为950～1 000 kg/m3，堆积密度为570～770 kg/m3，24 h 吸水率为4.0%；页岩陶砂颗粒粒径≤ 5 mm，堆积密度为600～770 kg/m3，密度等级为600～800级，颗粒级配连续，细度模数为2.31～3.36，24 h吸水率为12.5%，陶砂颗粒级配见表1。试验采用河南美亚公司生产的聚羧酸系高效减水剂，减水剂的减水性高达35%，且掺量为胶凝材料质量的0.4%～2.0%。

表1 陶砂颗粒级配

根据《轻集料混凝土技术规程》(JGJ51-90)中相关规定，考虑实际工程中对于混凝土材料的泵送要求，依据三水平、四因素的正交实验，得到LC30、LC40两种不同强度下的全轻混凝土最优配合比，具体参数如表2所示。

表2 全轻混凝土最优配合比

注：mc表示水泥质量/kg；ma表示粉煤灰质量/kg；W/B表示水胶比；Sp表示砂率/%。

2 试验方案

依据LC30、LC40全轻混凝土的最优配合比，依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)中的相关测试方法，制作试件尺寸均为100 mm×100 mm×100 mm的非标准试件，每种强度制作试件两组，其中一组测试全轻混凝土的立方体抗压强度，另一组进行取芯打磨并切割，制作直径为50 mm，长度分别为20 mm、25 mm、30 mm的圆柱体试块，即长径比分别为0.4、0.5、0.6，在冲击强度为0.3 MPa的条件下进行SHPB试验。

3 试验结果及结果分析

3.1 全轻混凝土的立方体抗压强度

混凝土材料的立方体抗压强度是验证混凝土材料是否合格的重要指标，同时，为了进一步研究全轻混凝土抗冲击性能与立方体抗压强度之间的关系，根据表1的配合比对制作好的试件进行立方体抗压强度试验。试验结果见表3。

表3 不同强度等级的全轻混凝土抗压强度及表观密度

注：(1)fcu28d表示混凝土的28 d抗压强度/MPa；(2)下文中相关强度指标不标注28 d的，均为28 d强度；(3)ρd表示混凝土试块的表观密度/(kg/m3)；(4)SS表示比强度/(kN·m3/kg)，即SS=fcu28d/ρd。

3.2 SHPB试验基本原理

试验采用直径为50 mm的霍普金森压杆(SHPB)冲击试验系统，通过压力阀控制压缩氮气的输出压力作为动力装置，杆件材质为钢杆，密度(ρ)为7 800 kg/m3，弹性模量(E)为210 GPa，子弹冲击入射杆后，脉冲信号在杆件中的传播速度(C)为5.19 km/s。

考虑到应变率过高会导致试块的不均匀性，从而影响试验结果，本试验将冲击强度设置为0.3 MPa，应变率变化范围控制在0～150 s-1。

在满足SHPB试验的一维应力波假定和试样均匀性假定基础上，根据一维应力波和应力均匀假设理论[8-9]，利用两组分别对称粘贴在入射杆、透射杆上的电阻式应变片采集数据，导出的试件平均应力(σ)、平均应变率(εs)及平均应变(ε)分别如式(1)～(3)所示。

(1)

(2)

(3)

式中：A0、l0—分别表示试件的初始截面积(m2)、长度(m)；

E、C、A—分别表示压杆的弹性模量(GPa)、波速(m/s)、横截面面积(m2)；

3.3 尺寸效应

按照上述试验方案进行动态冲击试验试块的制作并编号，见表4。随后对强度等级为LC30、LC40的全轻混凝土，进行冲击强度为0.3 MPa时，不同长径比的试块进行动态冲击压缩试验，根据公式(1)～(4)计算出的动态应力应变曲线如图1、图2所示。

表4 不同强度等级的全轻混凝土动态冲击试验编号

图1 LC30全轻混凝土的动态应力应变曲线图2 LC40全轻混凝土的动态应力应变曲线

由图1、图2可知：在冲击强度相同的情况下，两种不同强度的全轻混凝土的动态力学响应与静力学响应完全不同。在冲击强度相同的情况下，无论LC30还是LC40，其动态峰值强度较立方体抗压强度均有提高，其强度增长系数在1.12～1.50，但LC40全轻混凝土的强度增长系数略大于LC30全轻混凝土。两种强度的混凝土在弹性阶段的变化趋势基本一致，且随着全轻混凝土强度的提高，峰值应变也随之增大。

在冲击强度相同的条件下，直径相同，长度不同(分别为20 mm、25 mm和30 mm)的全轻混凝土试块的应力应变曲线却不相同，设计强度等级分别为LC30、LC40的全轻混凝土均表现出尺寸效应。两种强度的全轻混凝土试块在受到冲击压缩时，随着试块长径比的增大，全轻混凝土的动态峰值强度却下降，其强度比值在0.70～1.05；当试块的长度为25 mm时，两者的动态峰值应变均达到最大值；长径比的变化对于全轻混凝土试块吸收能量的能力也产生影响，长径比越大，材料的吸收能力越低。表明全轻混凝土材料在一定长径比范围内，尺寸效应对于其动态应力应变曲线的影响有限制效果。

试块长径比越小，其峰值强度越大，分析其原因：试块尺寸较小时，入射杆与试块、试块与透射杆之间产生摩擦效应，对于杆件在试块上产生的横向效应有一定约束作用，同时会产生三维加载波，进一步提高全轻混凝土的动态抗压强度。在试验过程中，还需要考虑应力波在试块中传播需要的时间，试块厚度越厚，应力波传播需要的时间越长，对材料达到应力均匀将产生影响，综合考虑动态峰值强度、峰值应变以及一维应力波理论，本试验最终确定全轻混凝土材料SHPB试验的最优长径比为0.5，即试块直径为50 mm，长度为25 mm。

4 结论

(1) LC30、LC40全轻混凝土的SHPB试验表明：全轻混凝土材料的动态抗压强度较立方体抗压强度明显提高，且随着全轻混凝土强度的提高，动态峰值应变增大。

(2) 在冲击强度相同的情况下，随着长径比的增加，全轻混凝土表现出尺寸效应，长径比越大，其动态峰值强度越低。

(3) 在一定的尺寸范围内，尺寸效应对于动态应力应变曲线的影响有限制作用，根据一维应力波理论，最终确定全轻混凝土SHPB试验的最优长径比为0.5。

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[5] 郑吉卉. 陶粒轻质高强混凝土的试验研究[J]. 洛阳理工学院学报(自然科学版), 2016, 26(4): 1-5.

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