摘要：试验研究了水灰比、龄期、骨料品种等因素对混凝土剪切强度的影响。结果表明：骨料品种对混凝土剪切强度影响较大，碎石混凝土剪切强度与龄期正相关，而与水灰比负相关；
卵石混凝土剪切强度在不同水灰比区间随水灰比的变化规律不同，在水灰比较小时，龄期对卵石混凝土剪切强度的影响较小。
关键词：混凝土；剪切强度；抗压强度；影响因素
Analysis of Factors Affecting Unconfined Shear Strength of Concrete
（College of Civil Engineering and Architecture，Chang’an University，Xi’an 710061，ShaanXi）
Abstract：The influence factors on shear strength of concrete，which include water cemete ratio，age，aggregate’s quality，have been investigated by experiment.The results show that the aggregate’s quality strongly impacts the shear strength of concrete.The shear strength of crushed stone concrete has a positive correlation with the age，and a negative correlation with the water cemete ratio. The shear strength of boulder concrete is not in line with the water cemete ratio at a certain range of water cemete ratio.At a low water cemete ratio，the age which has a low effect on the shear strength of boulder concrete.
Key words：concrete；shear strength；compressive strength；influence factor
0.前言
随着混凝土材料应用领域的不断扩大和研究工作的不断深入[1]，混凝土的剪切强度作为混凝土的基本力学性能指标以及剪切强度与抗压、抗拉强度关系越来越受到广泛重视。在隧道、地下结构采用盾构法施工地裂缝处对混凝土结构构件局部受力状态和处于软硬岩石、土过渡地带结构构件受力状态的研究课题中均提出了混凝土剪切强度性能指标的要求[2]。通过试验研究分析混凝土剪切强度的影响因素，以及强度变化规律，为混凝土结构设计与施工提供依据。
1.混凝土性能分析、试验材料及配合比
1.1 混凝土性能影响因素
混凝土强度性能主要取决于水泥强度与水灰比。由于水泥强度、骨料强度相对于混凝土强度较高，一般不会发生水泥石和骨料破坏，主要在水泥石和骨料的界面发生破坏[3]。通过现代观察技术已发现，混凝土在凝结硬化过程中，由于骨料的约束，水泥胶结料的体积改变是不均匀的，水泥石将产生很大的拉应力，当拉应力较大时，在水泥石与骨料界面上就会形成
微裂缝，这些微裂缝在混凝土未受到荷载之前就已存在。当混凝土受到荷载后，这些微裂缝处就会产生应力集中，裂缝就开始延伸与发展，并且互相连通，导致混凝土结构破坏[4]。这是普通混凝土的破坏机理。但现在水泥强度提高较多，水泥石与骨料粘结力则相应提高；高效外加剂和矿物细粉的应用水胶比大大下降，水泥石收缩减小，微裂缝数量随之减少，从而混凝土破坏的影响因素发生一定变化。
1.2试验材料
根据现代混凝土相关工程结构、工程要求选用以下材料配制混凝土。
1.2.1水泥：秦岭水泥股份有限公司生产的P.O32.5 R普通硅酸盐水泥，强度值见表1。
表1 水泥强度
1.2.2 砂：中砂，细度模数2.74，级配合格，含泥量0.8%。
1.2.3石子：石灰石，规格5-16mm，压碎指标6.5%，级配合格；西安泾河产卵石，规格5-16mm，压碎指标5.6%，级配合格。
1.2.4 外加剂：氨基磺酸盐高效减水剂。
1.3混凝土配合比
表2 混凝土配合比
2.试验数据
根据上述混凝土配合比制作混凝土抗剪试件，试件采用局部增强S形直剪方式（见图1），经有限元模型分析收敛性较好，剪切面上剪应力分布比较均匀，试验方法简单。采用机械搅拌、机械成型、标准养护，分别测定7、14、28天混凝土抗压、抗剪、抗拉强度，试验数据见表3。
图1 试件破坏原型 图2碎石破坏界面 图3 卵石破坏界面
表3 试验数据
3.试验分析
3.1水灰比影响
3.1.1混凝土抗压强度变化符合混凝土基本规律，在原材料不变的情况下，与灰水比成正比，随着水灰比增大，混凝土强度下降（图4、图5）。
图4 水灰比对卵石混凝土抗压强度的影响 图5水灰比对碎石混凝土抗压强度的影响
3.1.2混凝土剪切强度、劈裂抗拉强度变化规律较复杂，随着原材料的变化、水灰比变化，强度变化发生较大差异。
图6 水灰比对卵石混凝土抗剪强度的影响 图7水灰比对碎石混凝土抗剪强度的影响
图8 水灰比对卵石混凝土抗拉强度的影响 图9 水灰比对碎石混凝土抗拉强度的影响
对于卵石混凝土，当水灰比大于0.36时，随着水灰比的降低，混凝土的抗剪强度逐渐提高，但当混凝土的水灰比为0.33时，其28d抗剪强度却比水灰比较高时有所下降（图6）。碎石混凝土与灰水比呈现正相关，随着水灰比减小，混凝土剪切强度、劈裂抗拉强度增加，当水灰比降至0.33时，混凝土28d的抗剪强度有显著提高（图7）。
3.2龄期
3.2.1混凝土抗压强度随着龄期增长而增大；早期强度增长较明显，后期强度增长较小，符合混凝土强度变化规律。
3.2.2抗剪强度：卵石混凝土与碎石混凝土随龄期增长变化较大。碎石混凝土的抗剪强度随龄期的变化符合混凝土强度变化规律；卵石混凝土的抗剪强度随龄期的变化规律较复杂，当水灰比不同时，抗剪强度随龄期的变化规律各不同。笔者认为卵石混凝土早期抗剪强度主要取决于水泥石自身强度及其与粗骨料之间的粘结力，而早期水泥石强度增长较快，所以卵石混凝土早期抗剪强度增长较快，而后期抗剪强度则主要依赖于粗骨料与水泥石的协同作用；但卵石表面光滑，水泥石强度增长速率远大于粘结力，单一因素对卵石混凝土抗剪强度的影响作用下降，故对于卵石混凝土，很难用龄期的早晚来描述其抗剪强度的增长规律。
3.3骨料影响
3.3.1卵石混凝土和碎石混凝土的立方体抗压强度变化规律符合混凝土强度变化规律，卵石混凝土的立方体抗压强度低于碎石混凝土的立方体抗压强度，且均与水灰比反相关。
图10 粗骨料对立方体抗压强度的影响 图11 粗骨料对混凝土抗剪强度的影响
3.3.2对于混凝土抗剪强度，考虑到混凝土是由粗骨料和水泥石协同作用的二相复合材料，当试件破坏时，其剪切力传递及裂缝扩展可能由水泥石垂直进入骨料[5][6]，穿过骨料垂直扩展，也可能绕过骨料沿骨料界面扩展，两种扩展方式对混凝土的剪切强度影响较大。因此，在混凝土内部，不同类型的骨料会影响到裂缝的传递路径，进而影响混凝土的抗剪能力，下面分析不同骨料品种对混凝土抗剪强度影响情况。
通过观察试件的破坏界面（图1，图2），发现卵石混凝土试件中卵石自身并未破坏，而是沿着卵石界面破坏，说明水泥石强度对卵石混凝土剪切强度影响较大。卵石自身强度虽然较大，但卵石自身强度并未在试件抵抗剪切破坏中发挥较大作用，而是随着水泥石的强度变化，同时强度较低的卵石自身也会发生破坏，因此其受力情况较为复杂，试验数据的离散性也说明了这一点。
碎石混凝土试件破坏时碎石均被剪断，碎石强度对混凝土剪切强度影响较大。由此可知：碎石在混凝土试件中能够较好的发挥其作用，与水泥石形成良好的整体，使得试件的抵抗剪切破坏的能力提高，其强度变化规律与立方体抗压强度的变化规律较一致。
4.结语
无侧限混凝土剪切强度的研究较准确的反应结构真实的剪切状态。试验结果表明：混凝土抗剪强度值随水灰比、龄期及粗骨料类型的不同差异较大。碎石混凝土的抗剪强度随水灰比、龄期的变化符合混凝土强度变化的基本规律。而卵石混凝土的抗剪强度与水灰比、龄期的关联性较低，说明卵石与水泥石之间的协同作用较差。建议工程实际中剪切力较大的构件，优先考虑粗骨料粒形及表面状态的选择，以提高结构整体抵抗剪切破坏的能力。
参考文献：
[1] 张琦，过镇海.混凝土剪切强度和剪切变形的研究[J].建筑结构学报，1997.13（5）；17-24
[2] 石国柱，马彦飞，徐晓勇 混凝土剪切强度指标研究。安阳师范学院学报. 2006，（5）；140-143
[3] Sidney Mindess，J.Francis Young，David Darwin.Concrete .Second Edition.Pretice-Hall Inc，2002
[4] 沈新普，黄志强，鲍文博，陈四利著，混凝土断裂的理论与实验研究.
[5] 郝彩哲.骨料对混凝土剪切断裂性能影响的数值分析及实验研究.
[6] 贾艳东.不同粗骨料及强度等级混凝土的断裂性能及其试验方法研究.
论文作者:邱飞
论文发表刊物:《基层建设》2019年第17期
论文发表时间:2019/9/12
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