混凝土軸心抗拉試驗方法研究

許家文 山西省建筑科學研究院，太原 030001

基于普通混凝土衍生出較多的新型混凝土，如鋼纖維混凝土、保溫混凝土、再生混凝土、輕骨料混凝土等高性能混凝土。在對這些新型混凝土的力學性能進行研究時，需對其抗壓強度、抗拉強度及抗壓、抗拉彈性模量和其他性能進行測試及分析。在實際試驗過程中，并未有相關(guān)規(guī)范要求使用某種軸心抗拉試驗方法及相關(guān)指導供試驗者參考。因此國內(nèi)外相關(guān)試驗人員自發(fā)進行研究，得到一系列軸心抗拉試驗方法，本文即對大多數(shù)軸心抗拉試驗方法進行介紹，并對其優(yōu)缺點進行分析。

1 素混凝土軸心抗拉試驗的方法

目前在國內(nèi)外素混凝土軸心抗拉試驗中使用率較高的方法主要有混凝土端部粘鋼法、混凝土端部側(cè)面鋼板夾持法、混凝土端部預埋鋼棒法、混凝土變截面法和混凝土支架法等。

1.1 端部粘鋼法

（1）全截面粘鋼法

端部全截面粘鋼法是在混凝土棱柱體或圓柱體端部粘貼一定厚度鋼板的方法，粘鋼法示意圖如圖1（a）所示。粘貼鋼板時將混凝土試件端部鑿毛處理，并對鑿毛后的部位進行清除浮漿處理，在鋼板與混凝土接觸面之間涂抹粘鋼膠或其他高強度膠，有效連接鋼板與混凝土。一端加載端粘合凝固后粘貼另一加載端，粘貼時將鋼板上部加載端鋼棒與下部鋼棒嚴格對中，確保上下加載端鋼棒位于同一直線內(nèi)，使其加載時構(gòu)件受力均勻，使用萬能試驗機或拉力試驗機進行抗拉性能試驗。

圖1 端部粘鋼法示意圖

（2）變截面粘鋼法

變截面粘鋼法是將混凝土試件中部一段范圍內(nèi)截面變小處理（如圖1（b）所示），以免鋼板與混凝土粘結(jié)力小于混凝土抗拉力而在粘膠位置處拉開，試驗方法同全截面粘鋼法相同。

1.2 側(cè)面鋼板夾持法

側(cè)面鋼板夾持法是使用三個鋼板和鋼棒焊接，在側(cè)面鋼板兩側(cè)開孔貫穿螺栓。制作完成后將所焊接好的鋼箍套在混凝土上下加載端，使用高強螺栓將混凝土與鋼箍固定，加載受力時通過螺栓的緊固力和鋼板與混凝土的摩擦力進行傳遞，鋼箍與混凝土的連接及加載示意圖如圖2所示。固定鋼箍時，上下鋼箍的加載端鋼棒應確保在同一直線上，使用萬能試驗機或拉力試驗機進行抗拉性能試驗。

圖2 側(cè)面鋼板夾持法示意圖

1.3 八字模法

八字模法是使用鑄鐵制作成兩個開口橢圓形加載、緊固端，同樣試塊制作時將試塊兩端制作呈橢圓形端部，如圖3所示。試驗時，將制作好的加載、緊固端套在特制試塊端頭，將兩端加載用鋼棒對中后即可使用萬能試驗機或拉力試驗機進行抗拉性能試驗。

1.4 內(nèi)埋法

內(nèi)埋法是在混凝土試塊內(nèi)預埋螺紋鋼筋的方法，具體制作時是在混凝土試塊入模時，在模具兩端中心預留孔洞，將鋼筋預埋在試塊內(nèi)，鋼筋另一端伸出模具作為加載端使用，具體如圖4所示。待混凝土試塊達到齡期后使用萬能試驗機或拉力試驗機對其進行抗拉性能試驗。

1.5 變截面法

變截面法是指在進行抗拉性能試驗時，無需配套使用其他附加設(shè)施而根據(jù)試塊形狀直接進行試驗的方法。具體制作時，根據(jù)萬能試驗機或拉力試驗機的上下加載端的鍥型形狀而將抗拉試塊的形狀設(shè)計成與試驗機形狀相同的形狀進行試驗。試驗時，將拉力試驗機夾持端的緊固設(shè)備拆除，將根據(jù)鍥型形狀及大小相同的混凝土試件安裝于鍥型槽內(nèi)，直接對其進行加載試驗。

圖3 八字模法示意圖

圖4 內(nèi)埋法示意圖

圖5 變截面法示意圖

2 各試驗方法的優(yōu)缺點及適用范圍分析

2.1 端部粘鋼法

（1）全截面粘鋼法

使用端部粘鋼法進行混凝土軸心抗拉試驗時，經(jīng)常遇到混凝土試件在鋼板與混凝土膠界面斷裂，從而導致試驗失敗。進行鋼板與混凝土粘合時，由于需對鋼板上下端部所焊接鋼棒進行對中，而在實際操作過程中由于人為因素極易使上下鋼棒發(fā)生錯動?；蛟谠囼灂r由于試驗機上下夾持端不在同一豎向平面內(nèi)，導致試驗時混凝土試塊受到鋼棒不對中或試驗機夾持端不對中影響而產(chǎn)生相應的剪應力，此時所測到的抗拉強度可能比混凝土實際軸心抗拉強度低，最終導致所測得的試驗數(shù)據(jù)離散性較大。這種試驗方法所使用的附加設(shè)備較少，因此進行試驗時花費較少，所使用的加載端鋼板可重復使用，制作方法簡單，加載時試塊受力均勻，但試驗成功率較低，適用于大學本科教學中演練混凝土軸心抗拉試驗。

（2）變截面粘鋼法

變截面粘鋼法是對全截面粘鋼法中的混凝土試塊的形狀進行改變，將棱柱體試塊改為啞鈴型試塊。在制作試塊時需對試塊模具進行設(shè)計，可將變截面位置處設(shè)計為突變截面和緩坡變截面，圖1（b）示意圖中的變截面試塊即為突變截面試塊，在對這種變截面試塊進行軸心抗拉試驗時，經(jīng)常在變截面處發(fā)生斷裂，并未達到理想狀態(tài)。這是由于在加載時綜合上下加載端鋼棒不對中和試塊截面突變因素，加載時易在變截面位置處產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，并且變截面位置混凝土不僅受軸向拉應力，同時還產(chǎn)生部分剪切分應力，導致在此部位發(fā)生斷裂。緩坡變截面法是變截面處增加一段呈坡度變化的混凝土，此時加載受力時混凝土變截面處的剪應力相對減小，可減少加載時在變截面處發(fā)生破壞，試驗效果較好。

2.2 側(cè)面鋼板夾持法

側(cè)面鋼板夾持法是在混凝土試塊的兩個非澆筑面用焊接好的鋼板進行加持，兩側(cè)鋼板使用螺栓對混凝土進行緊固，施加荷載時要通過螺栓的緊固力和鋼板與混凝土的摩擦力進行傳遞。使用這種方法進行混凝土軸心抗拉試驗時，關(guān)鍵技術(shù)點在于上下加載端鋼板與鋼棒完全相同，安裝混凝土試塊時試塊與兩側(cè)鋼板的縫隙＜1mm，并且試塊位于鋼板的幾何中心位置，對焊接鋼板的制作精度要求較高。進行實驗時，試塊受力均勻，荷載從混凝土上部通過試塊長度方向向下傳遞，大多數(shù)試塊破壞時斷裂位置在試塊中部，可達到良好的試驗效果，適合高校及科研單位進行非纖維類混凝土抗拉強度及受拉彈性模量曲線上升段測試，對纖維類混凝土的殘余抗拉強度及受拉彈性模量全曲線進行測試，并且測試結(jié)果較為理想。

2.3 八字模法

八字模法進行混凝土抗拉性能試驗的方法是根據(jù)砂漿抗拉強度所用的八字模法衍生而來，這種方法的原理同側(cè)面鋼板夾持法類似，受力時均通過側(cè)面鋼板將荷載從混凝土試塊側(cè)面向下傳遞。施加荷載后試塊與模具呈拉扯狀，當試塊受到向下的運動趨勢時，模具側(cè)面鋼板由于自身抵抗剛度變化而產(chǎn)生反向推力。使用這種方法測試混凝土軸心抗拉強度效果良好，適合高校及科研單位進行非纖維類混凝土抗拉強度及受拉彈性模量曲線上升段測試，對纖維類混凝土的殘余抗拉強度及受拉彈性模量全曲線進行測試，并且測試結(jié)果較為理想。制作八字模和試塊用模具時，由于其外形不規(guī)則，因此制作時需在相關(guān)鋼材廠進行預定和澆筑，小批量單獨制作這種模具的成本較高。

2.4 內(nèi)埋法

內(nèi)埋法是在混凝土兩端預埋鋼筋進行試驗。預埋鋼筋時，鋼筋在混凝土內(nèi)的長度應根據(jù)該直徑鋼筋在混凝土內(nèi)的錨固力進行計算，當鋼筋在混凝土中一定長度內(nèi)的錨固力大于混凝土抗拉強度時則可使用此長度作為鋼筋在混凝土內(nèi)預埋的長度。而在實際試驗時，對于新型混凝土的錨固力進行計算時，需根據(jù)混凝土的抗壓強度推定錨固力，從而才能確定錨固長度。因此對新型混凝土進行抗拉性能試驗首先需對抗壓強度和鋼筋粘結(jié)錨固性能試驗后才能進行下一步抗拉性能試塊的制作和試驗，從而影響試驗周期。制作軸心抗拉試塊預埋鋼筋時，上下鋼筋應嚴格對中和位于同一水平面上，從而確保試驗結(jié)果的精確性，以免由于偏心受拉而導致混凝土內(nèi)產(chǎn)生部分剪應力。

2.5 變截面法

變截面法是將混凝土試塊端部制作成異形端部，對試驗機夾持端夾緊部位拆除，恰好將異形端部放在試驗機卡槽內(nèi)進行拉力試驗，若試驗機卡槽與試塊接觸不嚴密時，使用補平砂漿進行填補。使用這種方式試驗時，試驗成本最低，無需在試塊端部施加其他裝備，僅需制作特制模具澆筑異形試塊。加載時通過試驗機的加載端向上移動而使混凝土試塊產(chǎn)生拉應力，最終使混凝土試塊達到受拉破壞而斷裂。

3 配筋類混凝土軸心抗拉試驗方法

配筋類混凝土由于在混凝土內(nèi)配置縱向鋼筋，因此在進行抗拉性能試驗時，鋼筋混凝土內(nèi)有鋼筋和混凝土共同受力，因此其抗拉強度遠高于素混凝土強度。此時，若采用端部粘鋼法進行抗拉性能試驗，則粘貼鋼板與混凝土端部膠結(jié)面由于強度遠小于鋼筋混凝土試件的抗拉強度而在膠結(jié)面或偏下部素混凝土位置處開裂，而導致試驗失效；使用側(cè)面鋼板夾持法進行試驗時，螺栓緊固強度和摩擦力小于鋼筋混凝土試件的抗拉強度時，則需對鋼板進行加厚和螺栓直徑增大處理，避免試驗時試件在模具內(nèi)滑出；使用八字模法對鋼筋混凝土試件進行抗拉性能試驗時的處理方法同側(cè)面鋼板夾持法基本相同；使用內(nèi)埋法對鋼筋混凝土進行抗拉性能試驗時需將加載端鋼筋與鋼筋混凝土試件內(nèi)部鋼筋進行有效焊接，同時增加加載端鋼筋直徑，以免加載時鋼筋混凝土試件不破壞，而加載端鋼筋達到屈服直至破壞；使用變截面法對鋼筋混凝土進行抗拉性能試驗時需增加加載端頭處混凝土的配筋率，以免端頭處混凝土因側(cè)向分力較大而被壓裂或壓碎，從而影響鋼筋混凝土軸心抗拉數(shù)據(jù)的準確性；當混凝土部分因受拉而失效時混凝土內(nèi)鋼筋還可繼續(xù)受力，因此對鋼筋混凝土進行抗拉性能測試時無需使用支架法進行試驗。