混凝土强度尺寸效应综述

鲁猛 王昊 刘泽鹏 席君毅

摘 要：混凝土强度尺寸效应是当前混凝土在大型结构应用时亟待解决的问题之一。本文介绍混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度、耐久性以及断裂性能随试样高度、直径、形状变化的规律，并对有关混凝土强度尺寸效应研究的进一步发展提出相关建议。

关键词：混凝土;尺寸效应;抗压强度;劈裂抗拉强度

中图分类号：TU528 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）18-0095-03

Abstract： The size effect of concrete strength is one of the urgent problems to be solved when concrete is applied in large-scale structures. This paper introduces the variation of compressive strength， splitting tensile strength， durability and fracture properties of concrete with the height， diameter and shape of samples. Finally， some suggestions are put forward for the further development of the review on the size effect of concrete strength.

Keywords： concrete;size effect;compressive strength;splitting tensile strength

混凝土尺寸效应是指混凝土性能随其几何尺寸的变化而变化。混凝土强度尺寸效应问题是当下混凝土应用时面临的主要问题。早在15世纪，VINCI就发现了混凝土尺寸效应问题。混凝土的实际强度、承载能力以及耐久性往往随着混凝土试样尺寸的变化而变化，因此对混凝土尺寸效应的研究在当今混凝土性能研究中占据了重要地位。在建筑、水利、桥梁等实际工程中，使用的混凝土实际结构的尺寸相较于实验室尺寸往往要大得多。在实验室中通过小尺寸试样试验得到的数据结论不能准确反映实际工程中结构的力学性能，故混凝土的尺寸效应问题成为当下学者亟待解决的难题。

1 混凝土抗压强度尺寸效应

抗压强度是混凝土结构设计时最基本、最重要的材料性能。然而，在其他因素相同时，不同尺寸、不同形状的混凝土试样在受力破坏时通常表现出不同的抗压强度。

YANG等人分别对不同尺寸的圆柱体、立方体和棱柱体试样进行了抗压强度试验。结果表明，试样尺寸、形状以及受荷时试样放置的方向都会影响混凝土试样的抗压强度[1]。

RAO等人分别对普通混凝土试样和玻璃纤维增强混凝土试样进行抗压强度试验，试样分别为100 mm×100 mm×100 mm、150 mm×150 mm×150 mm的立方体，100 mm×100 mm、100 mm×200 mm、100 mm×300 mm、100 mm×400 mm、150 mm×150 mm、150 mm×300 mm、150 mm×450 mm、100 mm×600 mm的圆柱体，100 mm×100 mm×200 mm、100 mm×100 mm×300 mm、100 mm×100 mm×400 mm、100 mm×100 mm×500 mm、150 mm×150 mm×300 mm、150 mm×150 mm×450 mm的棱柱體[2]。对比分析不同尺寸的圆柱体、立方体和棱柱体的试验数据，结果表明：①两种尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体混凝土试样抗压强度都高于150 mm×150 mm×150 mm的立方体试样;②当试样高径比相同时，直径为100 mm的圆柱体和底边长为100 mm的棱柱体试样抗压强度高于直径和底边长均为150 mm的试样;③混凝土试样的抗压强度随高径比的增加而导致的总体下降非常明显，但与直径为100 mm的圆柱体试样相比，底部宽度为100 mm的棱柱体试样抗压强度下降幅度更大;④直径为150 mm的立方体试样和底部宽度为150 mm的棱柱体试样相比，立方体试样的抗压强度更高。

大量学者的试验研究结果表明：多种混凝土类型都表现出明显的尺寸效应，但混凝土种类、龄期、强度以及养护条件的不同都会影响不同尺寸混凝土试样抗压强度的变化幅度。

2 混凝土劈裂抗拉强度尺寸效应

混凝土的拉伸试验操作较为困难，一般通过劈裂抗拉试验结果来衡量混凝土的抗拉性能。ZHOU等人分别研究了试样尺寸对普通骨料（碎石灰石）高强度混凝土和轻质骨料（烧结粉煤灰）高强度混凝土劈裂拉伸强度的影响。结果表明，普通骨料（碎石灰石）高强度混凝土和轻质骨料（烧结粉煤灰）高强度混凝土劈裂抗拉强度都存在明显的尺寸效应，但轻质骨料（烧结粉煤灰）高强度混凝土的尺寸效应相较于普通骨料（碎石灰石）高强度混凝土更加显著[3]。KANOS共对82个混凝土圆柱试样进行单轴压缩和间接拉伸试验，结果与ZHOU的结论相符，即不同尺寸混凝土试样的劈裂抗拉强度都存在尺寸效应[4]。

2.1 试样直径对混凝土劈裂抗拉强度的影响

国内外学者已经对直径与混凝土劈裂抗拉强度关系进行了大量试验及理论分析，但不同学者使用的试验模型和取得的试验结果均有不同。BAZANT和HASEGAWA的试验结果均表明，劈裂强度随试样直径的增大先减小后增大[5-6]。而ZHOU等人对不同边长的混凝土棱柱体试样进行了试验，结果却表明混凝土劈裂强度随试样直径的增大而增大[3]，与BAZANT和HASEGAWA两位学者的结论不一致。可见，试样直径对劈裂抗拉强度的影响尚需要大量的试验研究来验证。

2.2 试样高度对混凝土劈裂抗拉强度的影响

OSIDZE等人的试验结果表明，圆柱体试样的高度对混凝土劈裂抗拉强度的影响较小[7]。HASEGAWA[6]和CHEN[8]的试验结果均表明，圆柱体试样的高度对混凝土劈裂抗拉强度没有影响[6，8]。张楠的研究结果表明，劈裂抗拉强度与圆柱体试样的直径、高度均有关系，并随着直径或高度的增大而减小[9]。以上试验大多数由外国学者完成且时间较为久远，结论不一致。可见，试样高度对劈裂抗拉强度的影响尚需要大量的试验研究来验证。我国对试样高度与劈裂抗拉强度关系研究较少，国内外学者对棱柱体试样高度与劈裂抗拉强度关系的研究亦较少，今后的试验研究可以偏向这一方面。

2.3 垫条对混凝土劈裂抗拉强度的影响

ROCCO等人分别对不同尺寸的圆柱体混凝土试样和立方体混凝土试样进行了巴西劈裂试验，并根据试验结果对比分析了试样尺寸和垫条相对宽度对混凝土劈裂抗拉强度的影响[10]。结果表明，当垫条尺寸相同时，混凝土劈裂抗拉强度取决于试样的大小。随着尺寸的增大，它接近混凝土轴心抗拉强度设计值。垫条相对宽度对混凝土劈裂抗拉强度的影响较为显著，随着垫条相对宽度的减小，混凝土劈裂抗拉强度尺寸效应将减小。当垫条相对宽度低于4%时，垫条相对宽度对混凝土劈裂抗拉强度的影响几乎可以忽略。TANG的研究亦证明，当垫条相对宽度固定时，不同尺寸试样的混凝土劈裂抗拉强度尺寸效应可以被消除[11]。这一结论在混凝土劈裂抗拉强度试验中已经被广泛应用。

3 混凝土耐久性与断裂性能的尺寸效应

武汉大学韩唯伟等人对高强度等级混凝土进行了抗渗性和抗冻性试验。结果表明，高强混凝土耐久性同普通混凝土一样，也具有显著的尺寸效应，即随着试样尺寸的增大，混凝土试样的抗渗性和抗冻性大大降低[12]。

张东等人认为，尺寸效应的产生是由对荷载-位移曲线尾部的不当处理引起的，与试样的尺寸无关。但这一观点近年来没有新的试验进行验证[13]。

另一种观点已经被海内外学者的大量研究所证实，即实验室测定的小尺寸试样断裂参数存在尺寸效应，当试样尺寸大于某一数值时就不再存在尺寸效应。2014年和2015年，管俊峰等人的试验结论亦验证了小尺寸试样存在断裂参数尺寸效应的结论[14-15]。

4 结论与展望

混凝土试样在混凝土强度、韧度、耐久性以及断裂性能等方面均具有明显的尺寸效应，国内外学者对此进行了大量试验和理论研究，但是对混凝土尺寸效应还有诸多问题需要进一步深入研究。

①国内外针对试样高度对混凝土劈裂抗拉强度影响的研究相对较少且不够深入，目前尚无定论。

②海内外学者的试验大多采用小尺寸试样，而大尺寸混凝土试样的检测方法和技术相对落后，是今后的一个研究方向。

③混凝土试验规程并没有统一的国际标准，因此海内外不同学者的试验结果往往大不相同，需要研究制定一套完善的国际通用试验规程。

参考文献：

[1]YANG E I，JOONG-CHEOL C，YI S T.Effect of specimen sizes and shapes on compressive strength of concrete[J].Journal of the Korea Concrete Institute，2004（3）：416-424.

[2]RAO K，KUMAR R，SRINIVAS B.Effect of size and shape of specimen on compressive strength of Glass Fiber Reinforced Concrete（GFRC）[J].Facta Universitatis，2011（9）：1-9.

[3]ZHOU F P，BALENDRAN R V，JEARY A P.Size effect on flexural，splitting tensile，and torsional strengths of high-strength concrete[J].Cement and Concrete Research，1998（12）：1725-1736.

[4]KANOS A，PERDIKARIS P C.Size effect on concrete splitting tensile strength and modulus of elasticity[C]//Springer Netherlands. Springer Netherlands，2006.

[5]BAZANT Z P，KAZEMI M T，HASEGAWA T，et al.Size effect in brazilian split-cylinder tests：measurement and fracture analysis[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts，1992（1）：A9.

[6]HASEGAWA T，SHIOYA T，OKADA T.Size effect on splitting tensile strength of concrete[C]//Proceedings of the Japan Concrete Institute，1985.

[7]OSIDZE V I，KHOPERIYA D L.Effect of aggregate size on the tensile strength of hydraulic-concrete specimens[J].Hydrotechnical Construction，1979（13）：239-244.

[8]CHEN W F，YUAN R L.Tensile strength of concrete：double-punch test[J].Journal of the Structural Division，1980，106：1673-1693.

[9]张楠.混凝土劈裂抗拉强度尺寸效应及破坏特性[D].大连：大连理工大学，2016：54-64.

[10]ROCCO C，GUINEA G V，PLANAS J.Size effect and boundary conditions in the brazilian test：theoretical analysis[J].Materials and Structures，1999，32：437-444.

[11]TANG T.Effects of load-distributed width on split tension of unnotched and notched cylindrical specimens[J].Journal of Testing & Evaluation，1994，22：401-409.

[12]韩唯伟，刘数华.高强混凝土强度和耐久性测定的尺寸效应[J].商品混凝土，2016（2）：73-77.

[13]张东，刘娟淯，陈兵.关于三点弯曲法确定混凝土断裂能的分析[J].建筑材料学报，1999（3）：206-211.

[14]管俊峰，李庆斌，吴智敏，等.现场浇筑大坝混凝土起裂断裂韧度研究[J].水利学报，2014（12）：1487-1492.

[15]管俊峰，李慶斌，吴智敏，等.现场浇筑大坝混凝土断裂参数与等效成熟度关系研究[J].水利学报，2015（8）：73-81.