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混凝土試件單軸拉伸試驗(yàn)概述

返回列表來(lái)源:天氏庫(kù)力 發(fā)布日期 2021-03-16 瀏覽:

混凝土試件的單軸拉伸實(shí)驗(yàn)即:在棱柱體或圓柱體混凝土試件的端部各粘貼一塊一定厚度的鋼板,然后沿中心軸線施加荷載的一種試驗(yàn)方法。
 
無(wú)論是軸心抗壓或是軸心抗拉,試驗(yàn)過(guò)程中都不可避免地受偏心的影響,特別是拉伸試驗(yàn)中試件開(kāi)裂后偏心更為嚴(yán)重。由于試驗(yàn)裝置的試件兩端都裝有球絞,粘貼鋼板的尺寸與試件截面尺寸完全一致且中心帶有定位孔,并在試驗(yàn)機(jī)上安裝時(shí)易于對(duì)中,因此,采用試驗(yàn)方法可最大程度上避免偏心受拉。
混凝土單軸拉伸試驗(yàn)
混凝土單軸拉伸試驗(yàn)

試驗(yàn)背景:
由于尚無(wú)較為理想的試驗(yàn)方法,混凝土單軸直接拉伸強(qiáng)度大多是通過(guò)間接拉伸試驗(yàn)或通過(guò)與抗壓強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)公式換算來(lái)獲得的?;炷灵g接拉伸試驗(yàn)方法(如劈裂抗拉強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度)雖然較為簡(jiǎn)單,但嚴(yán)格說(shuō)來(lái)它們并不是混凝土拉伸強(qiáng)度的真實(shí)反映。而混凝土拉伸強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系,雖然不同研究機(jī)構(gòu)提出了形式各異的經(jīng)驗(yàn)公式,但在實(shí)際應(yīng)用中普遍存在相關(guān)性差的問(wèn)題。部分研究者甚至認(rèn)為,混凝土直接抗拉強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度間并不存在直接關(guān)系。因此,有必要研究一種簡(jiǎn)單、合理的混凝土直接拉伸試驗(yàn)方法。

試件夾持方式:

在軸向拉伸試驗(yàn)中,拉伸試件裝卡在試驗(yàn)機(jī)的上、下夾頭中,不同的裝卡方式與試件形狀對(duì)測(cè)試結(jié)果影響很大。軸拉試驗(yàn)理想的試件形狀及夾持方式應(yīng)滿足:
 
(1)荷載應(yīng)確保軸向施加,使試件斷面上產(chǎn)生均勻拉應(yīng)力,沿試件長(zhǎng)度方向有一應(yīng)力均勻分布段,并且斷裂在均勻應(yīng)力段的概率高;
 
(2)試件形狀應(yīng)易于制作;
 
(3)試件夾具及與試驗(yàn)機(jī)的裝卡簡(jiǎn)單易行,且能重復(fù)使用。
 
圖1:拉伸試驗(yàn)中混凝土試件應(yīng)力分布示意圖
圖1:拉伸試驗(yàn)中混凝土試件應(yīng)力分布示意圖
 
采用的混凝土直接拉伸試件,可分為外夾式、內(nèi)埋式和粘貼式三種基類型,試驗(yàn)過(guò)程中不同類型試件的應(yīng)力分布如圖1所示。大多研究者如GO2PLALARATNAMV.S.和SHAHS.P.等采用的方法是利用磨擦力夾持長(zhǎng)條形抗拉試件尾部;此外,在抗拉試件中預(yù)埋鋼件的方法也常被采用。外夾式試件一般在夾持處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中,對(duì)于如混凝土類的無(wú)機(jī)脆性材料,斷裂易于發(fā)生在試件夾持部位。為降低試件夾持部位斷裂發(fā)生的概率,部分研究者采用變截面試件(增加夾持部位截面尺寸)或帶缺口試件,但試件在變截面處或切口處仍然存在應(yīng)力集中,很難保證斷裂發(fā)生在均勻應(yīng)力段。對(duì)于內(nèi)埋式試件,很難確保試件軸心受力,且試件中應(yīng)力分布同樣較為復(fù)雜。粘貼式試件相對(duì)來(lái)說(shuō)易于保證軸心受拉,雖然同樣存在著應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象,但試件中的應(yīng)力分布較夾持式或埋入式要均勻得多,斷裂發(fā)生在均勻應(yīng)力段的概率較高,是較為理想的夾持方式,但試件制作相對(duì)而言較為復(fù)雜,有待進(jìn)一步改進(jìn)。 

試驗(yàn)方法:
拉伸試驗(yàn)中采用一種相對(duì)簡(jiǎn)單的方法來(lái)保證試件軸心受力和應(yīng)力均勻分布尤為重要。相比而言,采用粘貼式夾持方法可以在試件中獲得較為均勻的應(yīng)力分布。最簡(jiǎn)單的粘貼拉伸試件是在棱柱體或圓柱體混凝土試件的端部各粘貼一塊一定厚度的鋼板,然后沿中心軸線施加荷載,但此種試驗(yàn)方法仍在試件端部存在應(yīng)力傳遞不均勻的問(wèn)題(如圖1(d)所示)。在試驗(yàn)中,我們對(duì)常用的粘貼型試件進(jìn)行了改進(jìn),采用了“雙鋼板”的夾持設(shè)計(jì),在與試件相粘的粘貼鋼板上用8個(gè)螺栓連結(jié)另一夾持鋼板來(lái)共同傳遞應(yīng)力,不僅使試件中的應(yīng)力傳遞更為均勻(如圖2所示),同時(shí)試件的制備和夾持更為簡(jiǎn)單方便,試件在制作時(shí)水平或豎直方向都可成型(圓柱體試件只能豎直方向成型),避免試件成型方向可能造成的較大影響。
 
圖2:拉伸試驗(yàn)裝置
圖2:拉伸試驗(yàn)裝置
 
直接拉伸試驗(yàn)裝置示意圖如圖2所示?;炷猎嚰槔庵w,截面尺寸為100mm×100mm,試件長(zhǎng)度根據(jù)所用試驗(yàn)機(jī)可在150mm到750mm的范圍內(nèi)任意調(diào)整?;炷猎嚰蓚€(gè)端面先用高強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂膠各粘貼一塊厚40mm、截面尺寸與混凝土試件相同的粘貼鋼板,試驗(yàn)前再與傳力鋼板用螺栓連接,并通過(guò)球絞與試驗(yàn)機(jī)或力傳感器相連。為盡可能避免拉伸試驗(yàn)時(shí)偏心的影響,在制作拉伸試件(端部粘貼鋼板)及將試件裝卡至試驗(yàn)機(jī)的操作中,可使用水平尺進(jìn)行校準(zhǔn)。
 
進(jìn)行直接拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí),可使用普通材料萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)直接讀出破壞荷載并計(jì)算出強(qiáng)度值。試驗(yàn)中,同一混凝土進(jìn)行3個(gè)試件的抗拉強(qiáng)度試驗(yàn),取3個(gè)試件抗拉強(qiáng)度的算術(shù)平均值作為該組試件混凝土抗拉強(qiáng)度值。試件斷裂后,記錄斷口的位置、形貌,當(dāng)斷裂發(fā)生在粘貼面時(shí),應(yīng)視該數(shù)據(jù)無(wú)效,取其余兩個(gè)試件的算術(shù)平均值作為該組試件混凝土抗拉強(qiáng)度值。試驗(yàn)后拆除試驗(yàn)裝置,將破壞的試件連同粘貼鋼板一同放入烘箱內(nèi)約140℃恒溫一個(gè)小時(shí),即可方便地取下粘貼鋼板以便重復(fù)使用。

受拉試件中應(yīng)力分布:
在混凝土的直接拉伸試驗(yàn)中,如何盡可能保證試件拉伸過(guò)程中應(yīng)力均勻分布及避免偏心受力,將直接影響到試驗(yàn)的成功率和準(zhǔn)確度,因此試件的形狀及夾持方式的選擇尤其重要。文采用粘貼鋼板與傳力鋼板的“雙鋼板”設(shè)計(jì)并通過(guò)球絞傳遞試驗(yàn)機(jī)拉伸荷載,除便于試件制作和測(cè)試外,更主要的是保證試件中應(yīng)力盡可能均勻分布、避免偏心受拉和受彎。
 
在設(shè)計(jì)試驗(yàn)裝置前,我們對(duì)采用粘貼鋼板與傳力鋼板的“雙鋼板”設(shè)計(jì)的混凝土受拉試件中的應(yīng)力分布進(jìn)行了有限元分析。理論分析表明,方法對(duì)于長(zhǎng)度不小于200mm的混凝土拉伸試件,在試件中應(yīng)力分布非常均勻;即使在混凝土試件的端部也可以得到非常均勻的應(yīng)力分布。這可通過(guò)監(jiān)測(cè)拉伸過(guò)程中試件不同部位的變形得到很好證明。編號(hào)為1,2,3的應(yīng)變片與編號(hào)為4,5,6的應(yīng)變片分別粘貼于試件兩個(gè)相對(duì)側(cè)面的上、中、下3個(gè)不同位置,試驗(yàn)中安置在不同位置應(yīng)變片的變形值如圖3所示。從測(cè)試結(jié)果可以看出:試件上同一側(cè)面、不同位置安裝的應(yīng)變片的變形基相同,說(shuō)明方法在試件夾持端部能很好地避免應(yīng)力集中,應(yīng)力在試件整個(gè)長(zhǎng)度上均勻分布,試驗(yàn)方法準(zhǔn)確可靠。
 
圖3:不同位置應(yīng)變片的變形值
圖3:
不同位置應(yīng)變片的變形值
 
無(wú)論是軸心抗壓或是軸心抗拉,試驗(yàn)過(guò)程中都不可避免地受偏心的影響,特別是拉伸試驗(yàn)中試件開(kāi)裂后偏心更為嚴(yán)重。由于試驗(yàn)裝置的試件兩端都裝有球絞,粘貼鋼板的尺寸與試件截面尺寸完全一致且中心帶有定位孔,并在試驗(yàn)機(jī)上安裝時(shí)易于對(duì)中,因此,采用試驗(yàn)方法可最大程度上避免偏心受拉。從圖3中我們也可看出,盡管在軸拉過(guò)程中仍存在一定的偏心,但在應(yīng)變較小時(shí)(混凝土試件開(kāi)裂前),試件兩側(cè)應(yīng)變片的變形讀數(shù)基一致。
 
試件斷口位置及形貌:
混凝土試件拉伸斷裂后,試件斷口的位置及形貌在很大程度上反映了試驗(yàn)裝置的合理性?;炷林苯永煸嚰钠茐倪^(guò)程,實(shí)際上是其內(nèi)部裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的過(guò)程,由于缺陷或最薄弱區(qū)域在混凝土試件內(nèi)部是隨機(jī)均勻分布的,因此,當(dāng)混凝土試件中拉應(yīng)力均勻分布時(shí),試件的斷裂位置也應(yīng)隨機(jī)均勻分布;而當(dāng)試件中存在應(yīng)力不均勻分布現(xiàn)象時(shí),在試件應(yīng)力集中處發(fā)生斷裂的幾率明顯增加。如夾持拉伸試件,在試件夾持部位存在應(yīng)力集中現(xiàn)象,試件易在夾持部位發(fā)生斷裂;對(duì)于變截面的拉伸試件,在變截面處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象,試件易在變截面處發(fā)生斷裂。
 
在采用裝置進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí),我們對(duì)試件斷口位置進(jìn)行了記錄分析。試件拉伸斷裂后,用直尺測(cè)量斷口距試件下端面的平均高度hi(取斷口位置上距下端面最大高度hi,max和最小高度hi,min的算術(shù)平均值)。由于試驗(yàn)中采用了不同尺寸的試件,為了統(tǒng)計(jì)方便,我們將斷口距試件下端面高度(hi)與試件長(zhǎng)度(li)的比值(hi/li)定義為試件斷口相對(duì)位置;每組混凝土抗拉強(qiáng)度(ft)由3個(gè)試件試驗(yàn)的算術(shù)平均值表示(ft=(ft,1+ft,2+ft,3)/3),我們將單個(gè)混凝土試件抗拉強(qiáng)度(ft,j)與該組混凝土抗拉強(qiáng)度(ft)的比值(ft,j/ft)定義為單個(gè)混凝土試件相對(duì)抗拉強(qiáng)度。
 
圖4:斷口相對(duì)位置與出現(xiàn)概率的關(guān)系
圖4:
斷口相對(duì)位置與出現(xiàn)概率的關(guān)系

圖5:斷口相對(duì)位置與單個(gè)試件相對(duì)抗拉強(qiáng)度的關(guān)系
圖5:斷口相對(duì)位置與單個(gè)試件相對(duì)抗拉強(qiáng)度的關(guān)系
 
通過(guò)對(duì)200多個(gè)不同規(guī)格的棱柱體混凝土拉伸試件強(qiáng)度試驗(yàn),經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析得出的斷口相對(duì)位置與出現(xiàn)概率的關(guān)系如圖4所示,斷口相對(duì)位置與單個(gè)試件相對(duì)抗拉強(qiáng)度的關(guān)系如圖5所示。從概率分布圖上我們可以發(fā)現(xiàn),拉伸試件在不同位置發(fā)生斷裂的概率基相等,說(shuō)明采用裝置進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí),試件中的拉應(yīng)力分布均勻,無(wú)應(yīng)力集中現(xiàn)象,試件斷裂位置完全隨機(jī)均勻分布。在單個(gè)混凝土試件相對(duì)抗拉強(qiáng)度與試件斷口相對(duì)位置的關(guān)系圖上,可以看出,相對(duì)抗拉強(qiáng)度始終維持在ft,j/ft=1這一水平線上下波動(dòng),不隨斷口相對(duì)位置而變化,進(jìn)一步說(shuō)明斷口位置完全隨機(jī)均勻分布;此外,在此圖上我們還可以發(fā)現(xiàn):雖然普遍認(rèn)為混凝土抗拉強(qiáng)度測(cè)試的波動(dòng)很大,但采用試驗(yàn)方法,可使>95%的試件單個(gè)拉伸強(qiáng)度與該組試件平均拉伸強(qiáng)度的偏差小于20%,波動(dòng)很小。試驗(yàn)中我們觀察到,同一組混凝土的3個(gè)拉伸試件,它們的相對(duì)斷裂位置雖然可能有較大差別,但它們之間拉伸強(qiáng)度相差卻非常小。
 
圖6:拉伸斷裂后的試件及其斷面照片
圖6:拉伸斷裂后的試件及其斷面照片
 
在測(cè)量試件斷口位置的同時(shí),我們對(duì)試件斷裂面的形貌進(jìn)行了觀察,混凝土拉伸斷裂后的試件及其斷面如圖6所示?;炷猎嚰茐臅r(shí),斷裂面基上都與試件的長(zhǎng)軸線垂直且較為平整,破壞面上及其鄰近的混凝土仍堅(jiān)實(shí)且沒(méi)有肉眼可見(jiàn)的裂縫。這表明:采用裝置試驗(yàn)時(shí),混凝土的裂紋沿垂直于試件長(zhǎng)軸線(荷載作用)方向擴(kuò)展,且斷裂過(guò)程中只有一條主裂縫形成,試件受力簡(jiǎn)單,表現(xiàn)為典型的單向純拉伸破壞。
 
以上的數(shù)據(jù)及觀察都說(shuō)明:采用拉伸試驗(yàn)裝置,混凝土試件受力簡(jiǎn)單,試件中拉應(yīng)力分布均勻,斷裂位置在整個(gè)試件中完全隨機(jī)均勻分布,試件表現(xiàn)為典型的純拉伸破壞。
 
結(jié)論:
1)采用拉伸試驗(yàn)裝置,能避免混凝土試件偏心受拉,試件中拉應(yīng)力分布均勻、受力簡(jiǎn)單,斷裂位置在整個(gè)試件中完全隨機(jī)均勻分布,試件表現(xiàn)為典型的純拉伸破壞。
2)方法采用的試件規(guī)整,制作相對(duì)簡(jiǎn)單,試件既可水平方向也可垂直方向成型;若試驗(yàn)中改用圓柱體試件,該方法還可用于現(xiàn)場(chǎng)抽取混凝土芯樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。
3)同組混凝土試件測(cè)試強(qiáng)度數(shù)據(jù)離散較小,測(cè)試方法準(zhǔn)確、可信。
4)采用試驗(yàn)方法的試件尺寸效應(yīng)較小,但仍待進(jìn)一步研究。

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