[科普中国]-单轴拉伸试验

研究背景

由于尚无较为理想的试验方法,混凝土单轴直接拉伸强度目前大多是通过间接拉伸试验或通过与抗压强度的经验公式换算来获得的。混凝土间接拉伸试验方法(如劈裂抗拉强度和抗弯拉强度)虽然较为简单,但严格说来它们并不是混凝土拉伸强度的真实反映。而混凝土拉伸强度与抗压强度之间的关系,虽然不同研究机构提出了形式各异的经验公式,但在实际应用中普遍存在相关性差的问题。部分研究者甚至认为,混凝土直接抗拉强度、劈裂抗拉强度与抗压强度间并不存在直接关系。因此,有必要研究一种简单、合理的混凝土直接拉伸试验方法。1

试件的夹持方式在轴向拉伸试验中,拉伸试件装卡在试验机的上、下夹头中,不同的装卡方式与试件形状对测试结果影响很大。轴拉试验理想的试件形状及夹持方式应满足：

(1)荷载应确保轴向施加,使试件断面上产生均匀拉应力,沿试件长度方向有一应力均匀分布段,并且断裂在均匀应力段的概率高；

(2)试件形状应易于制作

(3)试件夹具及与试验机的装卡简单易行,且能重复使用。

目前采用的混凝土直接拉伸试件,可分为外夹式、内埋式和粘贴式三种基类型,试验过程中不同类型试件的应力分布如图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夹持长条形抗拉试件尾部；此外,在抗拉试件中预埋钢件的方法也常被采用。2外夹式试件一般在夹持处容易产生应力集中,对于如混凝土类的无机脆性材料,断裂易于发生在试件夹持部位。为降低试件夹持部位断裂发生的概率,部分研究者采用变截面试件(增加夹持部位截面尺寸)或带缺口试件,但试件在变截面处或切口处仍然存在应力集中,很难保证断裂发生在均匀应力段。对于内埋式试件,很难确保试件轴心受力,且试件中应力分布同样较为复杂。粘贴式试件相对来说易于保证轴心受拉,虽然同样存在着应力分布不均匀现象,但试件中的应力分布较夹持式或埋入式要均匀得多,断裂发生在均匀应力段的概率较高,是较为理想的夹持方式,但试件制作相对而言较为复杂,有待进一步改进。1

试验方法拉伸试验中采用一种相对简单的方法来保证试件轴心受力和应力均匀分布尤为重要。相比而言,采用粘贴式夹持方法可以在试件中获得较为均匀的应力分布。最简单的粘贴拉伸试件是在棱柱体或圆柱体混凝土试件的端部各粘贴一块一定厚度的钢板,然后沿中心轴线施加荷载,但此种试验方法仍在试件端部存在应力传递不均匀的问题(如图1(d)所示)。在试验中,我们对常用的粘贴型试件进行了改进,采用了“双钢板”的夹持设计,在与试件相粘的粘贴钢板上用8个螺栓连结另一夹持钢板来共同传递应力,不仅使试件中的应力传递更为均匀(如图1(e)所示),同时试件的制备和夹持更为简单方便,试件在制作时水平或竖直方向都可成型(圆柱体试件只能竖直方向成型),避免试件成型方向可能造成的较大影响。

直接拉伸试验装置示意图如图2所示。混凝土试件为棱柱体,截面尺寸为100mm×100mm,试件长度根据所用试验机可在150mm到750mm的范围内任意调整。混凝土试件两个端面先用高强环氧树脂胶各粘贴一块厚40mm、截面尺寸与混凝土试件相同的粘贴钢板,试验前再与传力

钢板用螺栓连接,并通过球绞与试验机或力传感器相连。为尽可能避免拉伸试验时偏心的影响,在制作拉伸试件(端部粘贴钢板)及将试件装卡至试验机的操作中,可使用水平尺进行校准。

进行直接拉伸强度试验时,可使用普通材料万能试验机直接读出破坏荷载并计算出强度值。试验中,同一混凝土进行3个试件的抗拉强度试验,取3个试件抗拉强度的算术平均值作为该组试件混凝土抗拉强度值。试件断裂后,记录断口的位置、形貌,当断裂发生在粘贴面时,应视该数据无效,取其余两个试件的算术平均值作为该组试件混凝土抗拉强度值。试验后拆除试验装置,将破坏的试件连同粘贴钢板一同放入烘箱内约140℃恒温一个小时,即可方便地取下粘贴钢板以便重复使用。1

受拉试件中应力分布在混凝土的直接拉伸试验中,如何尽可能保证试件拉伸过程中应力均匀分布及避免偏心受力,将直接影响到试验的成功率和准确度,因此试件的形状及夹持方式的选择尤其重要。文采用粘贴钢板与传力钢板的“双钢板”设计并通过球绞传递试验机拉伸荷载,除便于试件制作和测试外,更主要的是保证试件中应力尽可能均匀分布、避免偏心受拉和受弯。

在设计试验装置前,我们对采用粘贴钢板与传力钢板的“双钢板”设计的混凝土受拉试件中的应力分布进行了有限元分析。理论分析表明,方法对于长度不小于200mm的混凝土拉伸试件,在试件中应力分布非常均匀；即使在混凝土试件的端部也可以得到非常均匀的应力分布。这可通过监测拉伸过程中试件不同部位的变形得到很好证明。编号为1,2,3的应变片与编号为4,5,6的应变片分别粘贴于试件两个相对侧面的上、中、下3个不同位置,试验中安置在不同位置应变片的变形值如图3所示。从测试结果可以看出,试件上同一侧面、不同位置安装的应变片的变形基相同,说明方法在试件夹持端部能很好地避免应力集中,应力在试件整个长度上均匀分布,试验方法准确可靠。

无论是轴心抗压或是轴心抗拉,试验过程中都不可避免地受偏心的影响,特别是拉伸试验中试件开裂后偏心更为严重。由于试验装置的试件两端都装有球绞,粘贴钢板的尺寸与试件截面尺寸完全一致且中心带有定位孔,并在试验机上安装时易于对中,因此,采用试验方法可最大程度上避免偏心受拉。从图3中我们也可看出,尽管在轴拉过程中仍存在一定的偏心,但在应变较小时(混凝土试件开裂前),试件两侧应变片的变形读数基一致。1

试件断口位置及形貌混凝土试件拉伸断裂后,试件断口的位置及形貌在很大程度上反映了试验装置的合理性。混凝土直接拉伸试件的破坏过程,实际上是其内部裂纹产生和扩展的过程,由于缺陷或最薄弱区域在混凝土试件内部是随机均匀分布的,因此,当混凝土试件中拉应力均匀分布时,试件的断裂位置也应随机均匀分布；而当试件中存在应力不均匀分布现象时,在试件应力集中处发生断裂的几率明显增加。如夹持拉伸试件,在试件夹持部位存在应力集中现象,试件易在夹持部位发生断裂；对于变截面的拉伸试件,在变截面处存在应力集中现象,试件易在变截面处发生断裂。1

在采用装置进行拉伸试验时,我们对试件断口位置进行了记录分析。试件拉伸断裂后,用直尺测量断口距试件下端面的平均高度hi(取断口位置上距下端面最大高度hi,max和最小高度hi,min的算术平均值)。由于试验中采用了不同尺寸的试件,为了统计方便,我们将断口距试件下端面高度(hi)与试件长度(li)的比值(hi/li)定义为试件断口相对位置；每组混凝土抗拉强度(ft)由3个试件试验的算术平均值表示(ft=(ft,1+ft,2+ft,3)/3),我们将单个混凝土试件抗拉强度(ft,j)与该组混凝土抗拉强度(ft)的比值(ft,j/ft)定义为单个混凝土试件相对抗拉强度通过对200多个不同规格的棱柱体混凝土拉伸

试件强度试验,经统计分析得出的断口相对位置与出现概率的关系如图4所示,断口相对位置与单个试件相对抗拉强度的关系如图5所示。从概率分布图上我们可以发现,拉伸试件在不同位置发生断裂的概率基相等,说明采用装置进行拉伸试验时,试件中的拉应力分布均匀,无应力集中现象,试件断裂位置完全随机均匀分布。在单个混凝土试件相对抗拉强度与试件断口相对位置的关系图上,可以看出,相对抗拉强度始终维持在ft,j/ft=1这一水平线上下波动,不随断口相对位置而变化,进一步说明断口位置完全随机均匀分布；此外,在此图上我们还可以发现：虽然普遍认为混凝土抗拉强度测试的波动很大,但采用试验方法,可使>95%的试件单个拉伸强度与该组试件平均拉伸强度的偏差小于20%,波动很小。试验中我们观察到,同一组混凝土的3个拉伸试件,它们的相对断裂位置虽然可能有较大差别,但它们之间拉伸强度相差却非常小。

在测量试件断口位置的同时,我们对试件断裂面的形貌进行了观察,混凝土拉伸断裂后的试件及其断面如图6所示。混凝土试件破坏时,断裂面基上都与试件的长轴线垂直且较为平整,破坏面上及其邻近的混凝土仍坚实且没有肉眼可见的裂缝。这表明：采用装置试验时,混凝土的裂纹沿垂直于试件长轴线(荷载作用)方向扩展,且断裂过程中只有一条主裂缝形成,试件受力简单,表现为典型的单向纯拉伸破坏。

以上的数据及观察都说明：采用拉伸试验装置,混凝土试件受力简单,试件中拉应力分布均匀,断裂位置在整个试件中完全随机均匀分布,试件表现为典型的纯拉伸破坏。1

结论1)采用拉伸试验装置,能避免混凝土试件偏心受拉,试件中拉应力分布均匀、受力简单,断裂位置在整个试件中完全随机均匀分布,试件表现为典型的纯拉伸破坏。

2)方法采用的试件规整,制作相对简单,试件既可水平方向也可垂直方向成型；若试验中改用圆柱体试件,该方法还可用于现场抽取混凝土芯样进行拉伸试验。

3)同组混凝土试件测试强度数据离散较小,测试方法准确、可信。

4)采用试验方法的试件尺寸效应较小,但仍待进一步研究。1