当代混凝土已进入高性能时代。高性能混凝土的特征是将矿物掺合料和高效减水剂作为必要组分。矿物掺合料是具有火山灰活性的硅质材料,将矿物掺合料磨细后以混合水泥或者矿物外加剂的形式加入到混凝土中,可以使混凝土的多种性能得到改善。为保护生态环境,在目前工程应用中,工业副产品是矿物掺合料的主要来源。粉煤灰是热电厂煤粉燃烧过程中的工业废料,从20世纪80年代开始,人工磨细粉煤灰已广泛应用到混凝土中。粉煤灰具有火山灰活性,掺入到混凝土中可以与水泥水化物氢氧化钙产生二次水化反应。粉煤灰的二次反应物致密、细小,以低密度无定型的形式填充在大孔隙中,使水泥浆体的孔结构细化、毛细孔率降低 ^[1]。与无矿物外加剂的普通混凝土相比,粉煤灰混凝土的水泥浆基体更为细密,粗骨料周边的界面过渡区更为强化,抗渗性和耐久性均得到提高。

　　 传统混凝土的粗骨料周边定向排列着氢氧化钙粗大晶体,界面过渡区的结构疏松,对开裂的阻力小于集料和硬化水泥浆体,形成成了混凝土微观结构中最薄弱的环节 ^[1],也是混凝土脆性的来源。这些薄弱环节出现的概率随试件尺寸的增加而增加,使大尺寸试件抗压强度降低,这种材料强度随机性诱发的尺寸效应是对尺寸效应最早的理论解释,并由此建立了Weibull ^[2]统计尺寸效应理论。20世纪末,在混凝土断裂力学理论的基础上,又出现了基于能量释放引起的尺寸效应理论 ^[3]以及微裂纹或断裂的分形特性引起的尺寸效应理论 ^[4]。Carpinteri指出尺寸效应是由于混凝土试件中存在一个或多个奇异应力源造成的,而这些奇异应力源可能来源于界面 ^[5]。上述对混凝土试件尺寸效应的力学解释均与混凝土的缺陷有关。

　　 对于矿物改性混凝土,由于火山灰的二次水化效应起到了孔径细化和粒径细化的作用,改善了界面过渡区,使混凝土更为致密均匀,这对于建立在缺陷和脆性基础上的混凝土尺寸效应会有哪些影响是一个值得关注的理论与现实问题。

　　 试件制作及养护期的温度也会诱发尺寸效应,特别是大尺寸试件 ^[6,7]。混凝土的温度主要来自水化放热和环境温度。内维尔指出,混凝土的质量取决于其本身的温度,试件尺寸的大小会影响水泥水化引起的温度改变,从而产生尺寸效应 ^[8]。水化热会使大尺寸试件温度分布不均匀,从而可能导致混凝土开裂,抗压强度降低。另一方面,环境温度、水化放热以及试件尺寸相互关联,会对混凝土浇筑和最初养护温度产生影响,尤其是在冬季施工时。寒冷天气浇筑时,混凝土的强度发展缓慢,此时水化放热可以给混凝土提供适宜的内部温度 ^[1,7],防止新浇筑的混凝土毛细孔水冻结并促进水化 ^[8],试件尺寸越大热量散失越慢,有利于使混凝土维持适当的养护温度 ^[9]。粉煤灰的火山灰反应具有延迟性,一方面可以减小水泥混凝土的早期水化热,提高大体积混凝土的抗温差开裂性能;另一方面,初期水化热缓慢释放 ^[6,9,10],可以使冬季施工的混凝土在一定时间内保持温度,提高火山灰反应的活性。因此,大体积粉煤灰混凝土的力学性能有可能不同于室温养护小截面尺寸试件的 ^[9]。近年已有越来越多文献通过混凝土强度试验得到和以往试件尺寸越大强度越低的规律不完全一致甚至是相反的趋势 ^{[11,12,13,14,15,16]},试验中不仅有小尺寸试件 ^[12,13,15],也有中、大尺寸试件 ^[9,11,14,16]。

　　 尺寸效应是脆性材料和准脆性材料特有的力学特征。试件尺寸会影响到混凝土材料强度和变形指标的试验结果,这也是尺寸效应受到普遍关注的重要原因。本文为考察温度以及尺寸效应对粉煤灰混凝土性能的影响,特别选定寒冷冬季制作混凝土棱柱试件,以粉煤灰掺量、养护条件、试件尺寸为变量,考察粉煤灰混凝土力学性质有关变化规律。

　　 混凝土采用P.O42.5R普通硅酸盐水泥和Ⅱ级粉煤灰拌制,粗骨料为粒径5～25mm的天然碎石,细骨料为天然中砂。粉煤灰混凝土为在基准混凝土的基础上,用粉煤灰替代部分水泥配置而成。表1给出了混凝土抗压强度和设计配合比。

　　 棱柱截面边长a取100,150,200,300,400,500mm共6种,高宽比均为2。每种配合比的每种截面尺寸各制作6个棱柱,室内、外养护各3个。棱柱模板由钢侧模和木底模组成,混凝土浇筑方向与加载方向相同。每种配合比的室、内外养护对比棱柱一次浇筑成型,3种配合比分3次浇筑。由于模板周转的需要,每次浇筑间隔时间为8d左右。

　　 试件委托北京某构件厂制作,制作时间为2014年底,试件平均试验龄期为570d。试件在无暖气的生产车间浇筑,成型后覆盖塑料薄膜和棉被存放5d后运至养护地点拆模并覆盖塑料薄膜养护。室内养护场地为北京建筑大学结构实验室,冬季室内温度约为(20±3)℃。室外养护场地为构件厂厂区,为保水和防止试件受冻,在试件下面铺树叶并覆盖棉被养护。具体养护情况以及养护初期的室、内外平均裸露温度见表2。由于试验机量程的原因, 截面边长200mm以下的小尺寸试件用5 000kN压力试验机加载,大尺寸试件采用20 000kN长柱微机控制电液伺服压力试验机加载。试验为连续加载,加载速度控制在0.3MPa/s。试验时,用贴在试件中部的竖向电阻应变片记录变形,并控制单轴受力状态。为消除环箍效应突出尺寸因素和防止局部不平整,加载时在试件上、下承压面铺15mm厚细砂找平层。

　　 混凝土弹性模量参照《普通混凝土力学性质试验方法标准》(GB/T 50081—2002) ^[17]取f_c/3和其对应的竖向应变之比(f_c为混凝土轴心抗压强度),竖向应变取对面两面应变的平均值。试验数据按照3倍均方差原则剔除奇异值后取平均。试件轴心抗压强度f_c及弹性模量E_c的试验结果见表3。

　　 图1反映了棱柱截面边长a和粉煤灰替代率FA/B与棱柱轴心抗压强度f_c的关系。可以看出,当a从100mm增加到400mm时,f_c均呈现出随a的增加而增加的趋势,截面边长100mm的棱柱抗压强度最小,a等于400mm时抗压强度最大(除试件组I-0外)。当a从400mm增加到500mm时, f_c不再增加。室外养护时,抗压强度随尺寸变化的改变幅度更为明显。粉煤灰的火山灰效应和二次水化反应令混凝土在长龄期时保持了强度的增长,试验结果也表明掺入粉煤灰后在长龄期条件下粉煤灰混凝土抗压强度高于普通混凝土。

　　 图2给出了粉煤灰替代率、截面边长以及养护条件对粉煤灰混凝土试件轴心抗压强度f_c,FA与基准混凝土试件轴心抗压强度f_c,0比的影响。可以看出,FA/B=0.25时,对于室外养护试件,f_c,FA/f_c,0均大于1,对于室内养护试件,f_c,FA/f_c,01有1/3大于1。FA/B=0.5时,对于室外养护试件,f_c,FA/f_c,0有2/3大于1;对于室内养护试件,则f_c,FA/f_c,0均小于1。室内养护时,截面边长100mm小尺寸试件粉煤灰混凝土试件的抗压强度较基准混凝土有较大降低。室外低温养护时,粉煤灰对混凝土抗压强度发展有利,替代率FA/B=0.25粉煤灰混凝土的抗压强度高于FA/B=0.5粉煤灰混凝土的。

　　 图3为室外养护试件的轴心抗压强度f_c^O与室内养护试件的轴心抗压强度f_c^I之比随粉煤灰替代率的变化。对于基准混凝土试件,f_c^O/f_c^I均小于1。对于粉煤灰混凝土棱柱,FA/B=0.25时,f_c^O/f_c^I有2/3小于1;FA/B=0.5时,f_c^O/f_c^I有1/6小于1。FA/B等于0,0.25,0.5时,各尺寸试件的f_c^O/f_c^I平均值分别为0.87,0.99,1.02。表明,低温养护对无外掺粉煤灰的混凝土强度发展不利,而粉煤灰对冬季施工低温环境养护的混凝土强度发展有利;增加试件尺寸总体上对室外寒冷环境养护混凝土的强度发展有利。

　　 弹性模量E_c的试验结果见表3和图4。可以看出,室外养护时,弹性模量有明显的尺寸效应,即E_c随试件截面尺寸a的增加而增加。室外养护小尺寸试件的弹性模量明显偏低。室内养护时弹性模量受试件尺寸影响不明显。

　　 图5为粉煤灰混凝土与基准混凝土试件的弹性模量比E_c,FA/E_c,0随试件截面尺寸a的变化。室内养护时,FA/B=0.25和FA/B=0.5的粉煤灰混凝土弹性模量E_c,FA各有2/3低于基准混凝土弹性模量E_c,0;室外养护时,FA/B=0.25和FA/B=0.5的粉煤灰混凝土弹性模量E_c,FA各有1/6低于基准混凝土弹性模量E_c,0。

　　 图6为室外养护试件的弹性模量E_c^O与室内养护试件的弹性模量E_c^I之比随粉煤灰替代率的变化。可以明显看出,对于基准混凝土试件,室外养护环境可使其弹性模量有较大幅度的降低,尺寸越小降低幅度越大。对粉煤灰混凝土试件,室外养护时其弹性模量的降低幅度小于基准混凝土,FA/B=0.25时弹性模量降低最少。

　　 图7为同尺寸试件弹性模量E_c与轴心抗压强度f_c的关系。可以看出,同尺寸试件的E_c随f_c的增加而呈现出较好的线性增加趋势,E_c/f_c对基准混凝土和粉煤灰混凝土棱柱可分别取0.74和0.77。

　　 图8为室、内外养护时,峰值压应变ε₀与截面边长a和粉煤灰取代率FA/B的关系。可以看出,大部分ε₀低于2 000με,基准混凝土试件和FA/B为0.25,0.5的粉煤灰混凝土试件对应的ε₀平均值为2 000,1 900,1 800με。总体上,大尺寸试件ε₀小于小尺寸试件,室外养护试件的ε₀随截面边长a的增加有明显降低趋势。

　　 从图9可以看到,ε₀随弹性模量E_c的增加呈现出近似线性降低的趋势。

　　 峰值割线模量E₀等于混凝土抗压强度f_c与峰值压应变ε₀之比,E₀与a和FA/B的关系见图10。对比图4,10可以看出,E₀随a的变化关系与E_c随a的变化关系类似,但尺寸效应更为明显。

　　 粉煤灰混凝土试件与基准混凝土试件的峰值割线模量比E_0,FA/E_0,0见图11。室外养护粉煤灰混凝土试件的峰值割线模量均大于基准混凝土试件,室内养护时大尺寸试件的E_0,FA/E_0,0大于1。

　　 图12 为峰值割线模量E₀随弹性模量E_c的变化。室内、外养护的试件试验结果均表现出,E₀随E_c增加而呈现线性增加的规律。对室内养护试件,回归关系式为E₀=0.729E_c(相关系数R²=0.544),对室外养护试件,回归关系式为E₀=0.710E_c(R²=0.773)。此外,对粉煤灰混凝土试件,有E₀=0.727E_c,对基准混凝土试件,有E₀=0.708E_c,两者的R²均为0.69。

　　 图13 为弹性模量与峰值割线模量比E_c/E₀随试件截面边长a的变化关系。可以看出,E_c/E₀随a增加而降低。E_c/E₀的最小值为1.17,最大值为2.12。a等于100,150,200,300,400,500mm时,E_c/E₀平均值分别为1.67,1.6,1.43,1.33,1.23,1.3,回归关系式为E_c/E₀=3.75a^-0.18,此关系式可以较好地描述E_c/E₀平均值随a的变化关系,但粉煤灰对E_c/E₀没有趋势性影响。

　　 E_c/E₀随a的增加而降低的现象说明,峰值割线模量E₀随试件尺寸增加而增加的幅度大于弹性模量E_c随试件尺寸增加而增加的趋势幅度,试件尺寸越大,其受压极限变形能力越差。这与试验得到的峰值应变ε₀随试件截面边长a的增加而降低的结果是一致的(图8)。

　　 图14为室外养护时,基准混凝土试件(图14(a))和FA/B=0.25的粉煤灰混凝土试件(图14(b))的应力-应变关系曲线。可以看出,大尺寸试件曲线初始斜率大、峰值应力高,试件截面尺寸越小则峰值应变ε₀越大,峰值割线模量越小。比较图14(a)和图14 (b)还可以看出,FA/B=0.25的粉煤灰混凝土试件比基准混凝土试件的应力-应变曲线陡,即峰值应力高,弹性模量大,而峰值压应变ε₀小。

　　 从上述试验结果的分析可以得出以下主要结论:

　　 (1)室外低温养护时,基准混凝土试件的长期轴心抗压强度、弹性模量和峰值割线模量均低于室内常温养护的。对于外掺粉煤灰混凝土试件,室外低温养护和室内常温养护两种情况下上述力学指标的差异减小。

　　 (2)室外低温养护时,除个别试件外,外掺粉煤灰混凝土试件的轴心抗压强度、弹性模量和峰值割线模量明显高于基准混凝土试件的,且试件尺寸越大,增加幅度越明显。室内常温养护时,外掺粉煤灰混凝土试件的轴心抗压强度、弹性模量和峰值割线模量有2/3以上低于基准混凝土试件。

　　 (3)试件轴心抗压强度、弹性模量和峰值割线模量均随其截面边长a的增加而增加。峰值压应变ε₀以及E_c/E₀随a的增加而降低,截面边长400,500mm试件的ε₀平均值为1 700με。

　　 (4)峰值割线模量E₀与弹性模量E_c成正比,E₀/E_c平均值为0.72。

　　 在冬季低温浇筑、初期低温养护、570d养护龄期以及对抗压强度试验采取了端部减磨措施(试件上、下表面有细砂层)的特定条件下得出如下结论:

　　 (1)寒冷环境对无外掺矿物掺合料混凝土的长期强度的发展有不利影响,且试件尺寸越小越不利。

　　 (2)寒冷季节浇筑和养护混凝土时,小尺寸试件的抗压强度较标准尺寸试件的有较大幅度的降低,增加试件尺寸有防止水化热散失和保温的作用,对混凝土强度发展有利。

　　 (3)室外低温环境下,外掺粉煤灰混凝土试件的强度高于基准混凝土试件的,而室内常温环境下外掺粉煤灰混凝土试件的强度则有一定降低。外掺粉煤灰对冬季施工、低温养护的混凝土抗压强度发展有利。

　　 (4)混凝土试件峰值压应变随试件尺寸增加有降低的趋势。

　　 (5)混凝土试件的温度与水化热和环境温度有关,对混凝土的力学性质有较大影响。