摘要：砼内部结构原理相同，都遵循结构力学原理。波全元砼理论引入结构力学原理，将砼内部网状结构的节点看做网点，将三个相邻砼网点与三个砼网点之间的主传力区域形成的空间三角形几何结构体看做骨架，来解决砼相关技术问题，解释砼相关特性。
关键词：网点；空间骨架；骨架单元；传力区域
The Structural Model of Concrete and Principle of Force Transfer in the BoQuanYuan concrete theory
LONG feng-quan1，XXX1，CHU Yun-peng，2，HAN qing2
（1.Portland company of SanTai county，SiChuan 621010，china；2.Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010 China.）
Summary：The principle of internal structure of concrete is the same，and it follows the principle of structural mechanics.The BoQuanYuan concrete theory introduces the principle of structural mechanics.The nodes of the internal network structure of the concrete are treated as mesh points，and the spatial triangular geometric structure formed by the main transmission area between three adjacent concrete mesh points and three concrete mesh points is seen as Skeletons to solve concrete related technical problems and explain concrete related properties.
Keywords：mesh；space skeleton；skeleton element；main transmission
0.引言
1824年英国发明了“波特兰”水泥，开启了砼作为新兴结构材料的历史。随着社会的发展，环保节能、绿色建筑、海绵城市等市场需求对砼的性能提出了更高的需求，促进砼产品设计与应用技术的创新，砼产品已由原来单一强度要求向轻质量、高强度、高性能、更环保、降能耗、多功能等方向发展。目前对砼内部结构还缺乏较深入的研究与分析，导致对砼内部结构的认识还不够客观与科学，针对目前砼市场需求与砼技术的现状，四川省三台县波特兰商品砼有限公司从砼生产与技术实践中不断总结与完善，提出了一种对砼质量全面控制与创新配合比的理论——波全元砼理论。
波全元砼理论的核心内容：一是砼质量全面控制主要有四个环节：设计环节，设计使用是龙头，解决怎么合理使用；生产环节，配合比设计是核心，解决怎么科学配制；施工环节，施工控制是关键，解决怎么作得好；使用环节，使用维护是保障，解决怎么持久使用。二是把结构力学融入砼技术中，发现砼内部结构与砼特性完全遵循结构力学原理，从而创新砼配合比设计理论与方法，科学的解释与认识砼各种特性，准确研究与处理砼相关技术问题。三是把砼按内部结构分为密实砼和孔隙砼。常用的密实砼包括普通砼，高强砼，高性能砼，抗渗砼，细石砼，自密实砼等，特殊密实砼的理解：砂浆定义为无粗骨料的密实砼，轻骨料砼是由轻质颗粒（或气泡）全部或部分代替骨料的砼；常用的孔隙砼主要是透水砼。
本文就波全元砼理论关于砼的结构模型与传力原理进行了简单的介绍。
1.砼内部结构模型
1.1网点定义及网点净距
1.1.1网点
网点定义：是砼内部组成网状结构的交节点。网点材料则是指作砼主网点材料有两种：粗骨料（通称石）和细骨料（通称砂）。以粗骨料作网点材料又叫粗网点或主网点。以细骨料网点材料又叫细网点或次网点。
砼网点材料的力学功能，如下图1。
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图1 网点功能
首先网点是砼内部作用力相互传递的重要转换点。有三大功能，吸收力，承受力和辐射传力。网点辐射传力范围是沿受力方向，按砼网点材料的有效外形尺寸一般按45度刚性角向外扩散的辐射范围。通常情况下，沿力的方向，网点材料垂直于力的方向有效粒径越大，吸收力越广，承受力越大，辐射传力范围越大。所以粗网点转换传力功能远高于次网点。
其次，砼网点材料作为砼内部作用力相互传递的重要转换点，作用力方向不同，其转换传力效果不同。作为砼网点的材料受自身外形与自身刚度（特别是针片性）的影响非常大，所以应对砼骨料特别是粗骨料的针片状含量限制，它不只影响泵送性，更重要影响砼内部转换传力性能。
最后，胶凝材料颗粒与粗细骨料相比，因颗粒较细其力学性能与骨料相比不是很明显，但也遵循微力学传力原理，能改善砼浆体的微密实性。通过合理的级差搭配，单方砼采用相同的浆体用量，能大大改善砼的工作性与强度等特性。砼整体骨架构成还是以粗细骨料为主，所以波全元砼理论主要以骨料作为主要网点材料进行力学分析与计算。
1.1.2网点净距
网点净距是相邻的主网点材料之间净距叫主网点净距，相邻的次网点材料之间净距叫次网点净距，相邻的主次网点之间净距叫主次网点净距。如图2所示。
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图2 网点净距
力学性能在通常情况下，砼网点净距越小，受力变形越小，传力效果越好。过小导致粘结效果欠差，在转换传力过程中因应力集中造成局部先破坏可能性就越大。砼网点净距越大，受力变形越大，传力效果越差。
1.2浆体定义及砼孔隙性能
浆体定义：是砼内部将砼网节点连接或粘结成整体的胶凝体。形成砼浆体的材料主要包括水，胶凝材料（主用水泥），掺合料，外加剂的固体颗粒，空气等。
浆体的性能：还是三大功能，吸收力，承受力和传递力。通常情况下，砼浆体固化后，强度越高，承载力越大，受力变形越小，但是，强度越高其脆性也越大。砼浆体的体积量越少，砼干缩变形越小，受力变形越小，热胀冷缩变形也越小。浆体越少粘结效果越差，在转换传力的过程中，易因集中受力而造成局部先破坏的可能性越大。根据砼现行配合比的设计方法：在其它条件相同前提下，浆体强度与水胶（灰）比成反比，按此推理：在其它条件相同前提下，砂浆体与砼的整体强度与水胶（灰）比也成反比。
1.3砼孔隙定义及性能
砼孔隙的解释是针对特殊砼产品功能满足砼工作性前提下在砼内部留出一定的孔隙。
砼孔隙的作用主要包含以下几个方面，减轻自重，透水，透气或供其它功能使用，比如环保透水砼产品需要孔隙率透水，绿色环保砼作草种子等生长通道。
砼孔隙的性能是指在进行特殊砼产品配制时，以砼骨料为网点与砼胶体形成内部带孔隙的空间网状结构，孔隙的空间网状结构应具有空间拱的效应。
2.主传力区域与次传力区域
砼网点主传力区域与次传力区域，如图3。
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图3 骨架单元
2.1主传力区域
砼网点主传力区域定义：是两个相邻的粗或细砼网点材料之间，按两个网点材料最外周边连线围成的空间区域。砼网点主传力区域的分类包括粗网点主传力区域，细网点主传力区域，和粗细网点主传力区域。
砼网点主传力区域的构成：粗网点主传力区域是由次网点材料与砼胶体构成，细网点主传区域与粗细网点主传力区域是由砼胶体构成。
砼网点主传力区域的力学性能：在砼网点净距与砂浆体强度一定前提下，砼网点主传力区域截面面积越大，承载力越高，变形越小。过小易受力破坏。
2.2次传力区域
砼网点次传力区域定义：是砼内部空间除了砼网点主传力区域外的区域。砼网点次传力区域可分为粗网点次传力区域，细网点次传力区域两类。
砼网点次传力区域的构造：由砼胶体或部分胶体与砼孔隙构成。砼网点次传力区域的力学性能因次传力区域无法与最近的网点材料形成力的转换传递，所以主起辅助受力与传力，只能按力的方向被动传力，传至途径较远的相邻网点区域或网点上。砼空间内部的次传力区域越小，砼的受力性能越好。砼骨料级配越好，主传力区域相互交织后形成的砼网点次传力区域越少。相反，砼骨料级配越差（比如采用单粒级粗骨料），形成砼网点次传力区域越大。
2.3主传力区域与次传力区域的力学特性
砼网点内主传力区域与次传力区域的力学特性如图4。
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图4 传力区域
主传力区域与次传力区域的表现条件：当作用力的方向和作用点一定，作用力达到一定值，必然表现出来，且随着作用力的加大，表现会越明显。所以主传力区域是主动传力，是网点间传递力的主要途径，而次传力区域是被动传力，是网点间传递力的次要途径。
砼内部主传力区域与次传力区域的传力规律：在砼网点受力后必然按力的作用方向辐射传递，当力达到一定值，主传力区域因网点材料的净距较短，变形较小而传力较大，次传力区域因净距较长，变形较大而传力较小，导致主传力区域变形增大，与次传力区域变形一致时，次传力区域的辅助传力作用又继续发挥，所以主次传力区域是相辅相成的关系。当主次区域因变形不一致，多次交叉导致砼内部产生微裂缝，这就是为什么砼内部总是带微裂缝还正常工作的原因之一。
3.骨架单元
3.1骨架单元定义、分类及构成
（1）砼骨架单元的定义：是砼内部任一方向的任一平面上，由三个相邻砼网点与三个砼网点之间的主传力区域，以砼网点净距为净边长围成的空间三角形几何结构体。砼骨架单元是构成砼内部结构网架的最基本单元。
（2）砼骨架单元的分类：按其使用的网点材料分为二类，粗骨架单元（又叫主骨架单元），细骨架单元（又叫次骨架单元）。
（3）砼骨架单元的构成：是由三个相邻的砼网点，砼网点净距与主传力区域三个要素构成一个基本的三角形空间结构体，如图5。
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图5 骨架单元
3.2砼骨架单元的传力原理
砼作为结构主材使用一般主用来承担压力，当压力的作用传递到某个骨架单元的某个砼网点时，由该砼网点沿力的方向辐射，在多个与之形成不同平面方向的三角形砼骨架单元内进行力的转换传递。在某个单一的三角形砼骨架单元平面内，受力的砼网点按力的方向，大小和作用点，向与之相连的两个主传力区域按传力角度进行力的分解和传递，剩余一个主传区域起固定砼骨架单元的作用。砼内部骨架单元在承受拉力作用时，内部传力原理与压力相同，只是作用方向相反。
砼内部粗细网点分布越均匀，骨架单元呈三角形的形状越规则，传力的均匀性越好，砼整体承载力越高。
4.砼空间骨架
4.1砼空间骨架定义、构成及传力原理
砼空间骨架的定义：砼内部杂乱无序的主次骨架单元以砼网点材料为连接点相互交织形成的空间结构传力体系。砼空间骨架的分类分为两类，一类是以主网点为连接点形成的空间骨架叫主空间骨架。另一类以次网点为连接点形成的空间骨架叫次空间骨架。
砼内部空间骨架的构成：密实砼（例如：普通砼，高强砼，高性能砼）内部首先是以主空间骨架形成砼的主空间结构体系，主空间骨架的主次传力区域以次空间骨架形成的次空间结构体系。透水砼内部是以主空间骨架形成的主空间结构体系，而砂浆以次空间骨架形成的次空间结构体系，如图6，7所示。
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图6 主空间结构体系
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图7 次空间结构体系
特别说明：取代部分或全部骨料的轻骨料砼是以不规则的轻质颗粒（或气泡）与包裹在其外围一定厚度壳体来构成“外实内虚”的砼空间网点，从而形成其特殊的砼空间骨架。
砼空间骨架的传力原理：砼内部在力的作用下，沿力的方向，以砼各主次网点进行力的转换传递，以三角形砼骨架单元为基本传力单元，相互交织构成砼的主次空间骨架，形成砼内部空间传力体系，由近及远进行作用力传递。
4.2以空间结构体系解释与认识砼特性
（1）主空间骨架传力性能高于次空间骨架，次空间骨架传力性能高于胶体。可以解释为什么砼内部粗骨料分层或不均匀时，砼实体检测各测区强度差异大的原因。可以解释配制同强度等级砼，普通砼的水胶比大于透水砼的主要结构原因，是透水砼少了次空间骨架。可以解释为什么同水胶比砂浆强度低于砼强度。
（2）为什么砼抗压强度高于抗剪强度，抗剪强度高于抗拉强度：根据波全元砼的空间结构体系理论，抗压性能当然最好。在拉力的作用下，空间结构体系的抗压性能无法体现，主靠胶体与网点的粘结性去传递拉力，所以抗拉性能最低。在剪力作用下，通过网点与骨架单元进行力的转换传递，砼内部空间结构体系部分形成抗压结构体系，所以其抗剪强度高于抗拉强度，低于抗压强度。
（3）砼内部结构形成良好空间结构体系后，其整体抗压性能必然大大提高，可以解释为什么能配制高于组成砼原材料自身强度的高强度等级砼。
5.结论
砼产品无论作为工程的结构材料还是装饰材料使用，都是由粗细不同粒径的松散原材料粘结而成，必须具有一定的结构刚度，因产品不同其内部构造就有不同，但砼的内部结构原理却完全相同，都遵循结构力学原理。波全元砼理论引入结构力学原理来解决砼相关技术问题，解释与认识砼相关特性，凡砼产品都遵循波全元砼提出的结构模型与传力原理。
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作者简介：
龙凤全：男，出生于1969年1月23日，汉族，四川省绵阳市三台县人，1991年毕业于四川工业学院工民建专业，专科学历，职称为建筑类工程师以及国家二级注册结构工程师，现任四川省三台县波特兰商品砼有限公司总工程师，兼三台县工程勘测设计咨询有限责任公司总经理。主要从事砼技术及砼产品生产，建筑及结构设计，结构加固处理等工作。
论文作者:龙凤全
论文发表刊物:《基层建设》2019年第28期
论文发表时间:2020/1/16
标签：网点论文; 骨架论文; 区域论文; 骨料论文; 单元论文; 空间结构论文; 空间论文; 《基层建设》2019年第28期论文;