研究背景
由於尚無較為理想的試驗方法,混凝土單軸直接拉伸強度目前大多是通過間接拉伸試驗或通過與抗壓強度的經驗公式換算來獲得的。混凝土間接拉伸試驗方法(如劈裂抗拉強度和抗彎拉強度)雖然較為簡單,但嚴格說來它們並不是混凝土拉伸強度的真實反映。而混凝土拉伸強度與抗壓強度之間的關係,雖然不同研究機構提出了形式各異的經驗公式,但在實際套用中普遍存在相關性差的問題。部分研究者甚至認為,混凝土直接抗拉強度、劈裂抗拉強度與抗壓強度間並不存在直接關係。因此,有必要研究一種簡單、合理的混凝土直接拉伸試驗方法。
試件的夾持方式
在軸向拉伸試驗中,拉伸試件裝卡在試驗機的上、下夾頭中,不同的裝卡方式與試件形狀對測試結果影響很大。軸拉試驗理想的試件形狀及夾持方式應滿足：
(1)荷載應確保軸向施加,使試件斷面上產生均勻拉應力,沿試件長度方向有一應力均勻分布段,並且斷裂在均勻應力段的機率高；
(2)試件形狀應易於製作
(3)試件夾具及與試驗機的裝卡簡單易行,且能重複使用。
單軸拉伸試驗目前採用的混凝土直接拉伸試件,可分為外夾式、內埋式和貼上式三種基類型,試驗過程中不同類型試件的應力分布如圖1所示。大多研究者如GO2PLALARATNAMV.S.和SHAHS.P.等採用的方法是利用磨擦力夾持長條形抗拉試件尾部；此外,在抗拉試件中預埋鋼件的方法也常被採用。 外夾式試件一般在夾持處容易產生應力集中,對於如混凝土類的無機脆性材料,斷裂易於發生在試件夾持部位。為降低試件夾持部位斷裂發生的機率,部分研究者採用變截面試件(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力集中,很難保證斷裂發生在均勻應力段。對於內埋式試件,很難確保試件軸心受力,且試件中應力分布同樣較為複雜。貼上式試件相對來說易於保證軸心受拉,雖然同樣存在著應力分布不均勻現象,但試件中的應力分布較夾持式或埋入式要均勻得多,斷裂發生在均勻應力段的機率較高,是較為理想的夾持方式,但試件製作相對而言較為複雜,有待進一步改進。
試驗方法
單軸拉伸試驗拉伸試驗中採用一種相對簡單的方法來保證試件軸心受力和應力均勻分布尤為重要。相比而言,採用貼上式夾持方法可以在試件中獲得較為均勻的應力分布。最簡單的貼上拉伸試件是在稜柱體或圓柱體混凝土試件的端部各貼上一塊一定厚度的鋼板,然後沿中心軸線施加荷載,但此種試驗方法仍在試件端部存在應力傳遞不均勻的問題(如圖1(d)所示)。在試驗中,我們對常用的貼上型試件進行了改進,採用了“雙鋼板”的夾持設計,在與試件相粘的貼上鋼板上用8個螺栓連結另一夾持鋼板來共同傳遞應力,不僅使試件中的應力傳遞更為均勻(如圖1(e)所示),同時試件的製備和夾持更為簡單方便,試件在製作時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。
直接拉伸試驗裝置示意圖如圖2所示。混凝土試件為稜柱體,截面尺寸為100mm×100mm,試件長度根據所用試驗機可在150mm到750mm的範圍內任意調整。混凝土試件兩個端面先用高強環氧樹脂膠各貼上一塊厚40mm、截面尺寸與混凝土試件相同的貼上鋼板,試驗前再與傳力
鋼板用螺栓連線,並通過球絞與試驗機或力感測器相連。為儘可能避免拉伸試驗時偏心的影響,在製作拉伸試件(端部貼上鋼板)及將試件裝卡至試驗機的操作中,可使用水平尺進行校準。
進行直接拉伸強度試驗時,可使用普通材料萬能試驗機直接讀出破壞荷載並計算出強度值。試驗中,同一混凝土進行3個試件的抗拉強度試驗,取3個試件抗拉強度的算術平均值作為該組試件混凝土抗拉強度值。試件斷裂後,記錄斷口的位置、形貌,當斷裂發生在貼上面時,應視該數據無效,取其餘兩個試件的算術平均值作為該組試件混凝土抗拉強度值。試驗後拆除試驗裝置,將破壞的試件連同貼上鋼板一同放入烘箱內約140℃恆溫一個小時,即可方便地取下貼上鋼板以便重複使用。
受拉試件中應力分布
在混凝土的直接拉伸試驗中,如何儘可能保證試件拉伸過程中應力均勻分布及避免偏心受力,將直接影響到試驗的成功率和準確度,因此試件的形狀及夾持方式的選擇尤其重要。文採用貼上鋼板與傳力鋼板的“雙鋼板”設計並通過球絞傳遞試驗機拉伸荷載,除便於試件製作和測試外,更主要的是保證試件中應力儘可能均勻分布、避免偏心受拉和受彎。
單軸拉伸試驗在設計試驗裝置前,我們對採用貼上鋼板與傳力鋼板的“雙鋼板”設計的混凝土受拉試件中的應力分布進行了有限元分析。理論分析表明,方法對於長度不小於200mm的混凝土拉伸試件,在試件中應力分布非常均勻；即使在混凝土試件的端部也可以得到非常均勻的應力分布。這可通過監測拉伸過程中試件不同部位的變形得到很好證明。編號為1,2,3的應變片與編號為4,5,6的應變片分別貼上於試件兩個相對側面的上、中、下3個不同位置,試驗中安置在不同位置應變片的變形值如圖3所示。從測試結果可以看出,試件上同一側面、不同位置安裝的應變片的變形基相同,說明方法在試件夾持端部能很好地避免應力集中,應力在試件整個長度上均勻分布,試驗方法準確可靠。
無論是軸心抗壓或是軸心抗拉,試驗過程中都不可避免地受偏心的影響,特別是拉伸試驗中試件開裂後偏心更為嚴重。由於試驗裝置的試件兩端都裝有球絞,貼上鋼板的尺寸與試件截面尺寸完全一致且中心帶有定位孔,並在試驗機上安裝時易於對中,因此,採用試驗方法可最大程度上避免偏心受拉。從圖3中我們也可看出,儘管在軸拉過程中仍存在一定的偏心,但在應變較小時(混凝土試件開裂前),試件兩側應變片的變形讀數基一致。
試件斷口位置及形貌
單軸拉伸試驗混凝土試件拉伸斷裂後,試件斷口的位置及形貌在很大程度上反映了試驗裝置的合理性。混凝土直接拉伸試件的破壞過程,實際上是其內部裂紋產生和擴展的過程,由於缺陷或最薄弱區域在混凝土試件內部是隨機均勻分布的,因此,當混凝土試件中拉應力均勻分布時,試件的斷裂位置也應隨機均勻分布；而當試件中存在應力不均勻分布現象時,在試件應力集中處發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力集中現象,試件易在夾持部位發生斷裂；對於變截面的拉伸試件,在變截面處存在應力集中現象,試件易在變截面處發生斷裂。
單軸拉伸試驗在採用裝置進行拉伸試驗時,我們對試件斷口位置進行了記錄分析。試件拉伸斷裂後,用直尺測量斷口距試件下端面的平均高度h(取斷口位置上距下端面最大高度h和最小高度h的算術平均值)。由於試驗中採用了不同尺寸的試件,為了統計方便,我們將斷口距試件下端面高度(hi)與試件長度(l)的比值(h/l)定義為試件斷口相對位置；每組混凝土抗拉強度(f)由3個試件試驗的算術平均值表示(f=(f+f+f)/3),我們將單個混凝土試件抗拉強度(f)與該組混凝土抗拉強度(f)的比值(f/f)定義為單個混凝土試件相對抗拉強度通過對200多個不同規格的稜柱體混凝土拉伸
單軸拉伸試驗試件強度試驗,經統計分析得出的斷口相對位置與出現機率的關係如圖4所示,斷口相對位置與單個試件相對抗拉強度的關係如圖5所示。從機率分布圖上我們可以發現,拉伸試件在不同位置發生斷裂的機率基相等,說明採用裝置進行拉伸試驗時,試件中的拉應力分布均勻,無應力集中現象,試件斷裂位置完全隨機均勻分布。在單個混凝土試件相對抗拉強度與試件斷口相對位置的關係圖上,可以看出,相對抗拉強度始終維持在ft,j/ft=1這一水平線上下波動,不隨斷口相對位置而變化,進一步說明斷口位置完全隨機均勻分布；此外,在此圖上我們還可以發現：雖然普遍認為混凝土抗拉強度測試的波動很大,但採用試驗方法,可使>95%的試件單個拉伸強度與該組試件平均拉伸強度的偏差小於20%,波動很小。試驗中我們觀察到,同一組混凝土的3個拉伸試件,它們的相對斷裂位置雖然可能有較大差別,但它們之間拉伸強度相差卻非常小。
在測量試件斷口位置的同時,我們對試件斷裂面的形貌進行了觀察,混凝土拉伸斷裂後的試件及其斷面如圖6所示。混凝土試件破壞時,斷裂面基上都與試件的長軸線垂直且較為平整,破壞面上及其鄰近的混凝土仍堅實且沒有肉眼可見的裂縫。這表明：採用裝置試驗時,混凝土的裂紋沿垂直於試件長軸線(荷載作用)方向擴展,且斷裂過程中只有一條主裂縫形成,試件受力簡單,表現為典型的單向純拉伸破壞。
以上的數據及觀察都說明：採用拉伸試驗裝置,混凝土試件受力簡單,試件中拉應力分布均勻,斷裂位置在整個試件中完全隨機均勻分布,試件表現為典型的純拉伸破壞。
結論
1)採用拉伸試驗裝置,能避免混凝土試件偏心受拉,試件中拉應力分布均勻、受力簡單,斷裂位置在整個試件中完全隨機均勻分布,試件表現為典型的純拉伸破壞。
2)方法採用的試件規整,製作相對簡單,試件既可水平方向也可垂直方向成型；若試驗中改用圓柱體試件,該方法還可用於現場抽取混凝土芯樣進行拉伸試驗。
3)同組混凝土試件測試強度數據離散較小,測試方法準確、可信。
4)採用試驗方法的試件尺寸效應較小,但仍待進一步研究。
