混凝土三軸受壓試驗(yàn)研究綜述

蘇 捷, 莫 衍, 黃政宇

(湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082)

混凝土是一種以水泥為主要膠結(jié)材料，以各種礦物成分的粗骨料為基體與水、細(xì)骨料等拌和而成的人工復(fù)合材料[1]。在大多數(shù)結(jié)構(gòu)中的混凝土往往處于多軸復(fù)合應(yīng)力作用下的。1902年法國(guó)工程師Armand Considère第一次報(bào)道了混凝土在側(cè)向液壓作用下的三軸力學(xué)性能。隨后， RICHART[2]等通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)圓柱體試件的強(qiáng)度隨側(cè)向應(yīng)力增加而顯著增大。到20世紀(jì)五六十年代，隨著工程實(shí)際的需要以及試驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步，混凝土在多向壓應(yīng)力下的性能得到越來(lái)越多研究者的關(guān)注，并在70年代形成了一股研究的熱潮[3]。西方各國(guó)的研究機(jī)構(gòu)研制成了各自的三軸試驗(yàn)裝置，完成了大量的混凝土多軸受壓試驗(yàn)研究，建立了多種強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則[4-6]。國(guó)內(nèi)在1984年清華大學(xué)研制成國(guó)內(nèi)首臺(tái)真三軸壓-拉試驗(yàn)裝置，隨后相繼完成了混凝土在各種壓-拉應(yīng)力組合下的二軸和三軸力學(xué)性能試驗(yàn)[7-8]。幾年后，大連理工大學(xué)也擁有了自行設(shè)計(jì)制造的三軸試驗(yàn)裝置，他們對(duì)普通混凝土[9-11]、輕骨料混凝土[12]、鋼纖維混凝土[13-14]進(jìn)行了常規(guī)三軸和真三軸的試驗(yàn)研究。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著新型混凝土材料的發(fā)展和試驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)混凝土三軸受壓性能的研究有了一些新的進(jìn)展，相繼完成了再生混凝土[15-18]、塑性混凝土[19-20]和惡劣環(huán)境下混凝土(高溫[21-24]、凍融[25-27]等)不同特性(靜、動(dòng)態(tài)性能等)的真三軸和常規(guī)三軸受壓試驗(yàn)研究。本文通過(guò)查閱大量文獻(xiàn)資料，對(duì)混凝土的三軸受壓試驗(yàn)研究展開(kāi)論述。

1 三軸試驗(yàn)方法

1.1 三軸試驗(yàn)機(jī)

三軸試驗(yàn)機(jī)一般都由加載裝置、應(yīng)力和應(yīng)變量測(cè)裝置、控制裝置和數(shù)據(jù)采集裝置4部分組成。按照試件所受應(yīng)力的不同可分為常規(guī)三軸和真三軸。

1.1.1常規(guī)三軸試驗(yàn)機(jī)

常規(guī)三軸試驗(yàn)機(jī)常利用現(xiàn)有的大型材料試驗(yàn)裝置然后配備一個(gè)帶有獨(dú)立的油泵和油路系統(tǒng)的圍壓室制成。試件多為實(shí)心圓柱體或空心圓柱體，試驗(yàn)時(shí)將試件置于圍壓室的活塞上，側(cè)向荷載利用圍壓室內(nèi)的液體施加，豎向荷載由試驗(yàn)機(jī)通過(guò)加載板傳到試件上。試件在加載前表面需用橡膠薄膜包裹，防止施加側(cè)向壓力的液體通過(guò)試件表面的缺陷和裂縫滲入試件內(nèi)部，膨脹試件，降低強(qiáng)度。

1.1.2真三軸試驗(yàn)機(jī)

真三軸試驗(yàn)機(jī)較常規(guī)三軸試驗(yàn)機(jī)更加復(fù)雜，且無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。目前一般在3個(gè)垂直的方向都設(shè)立相互獨(dú)立的活塞、液壓缸、供油管路和控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)真三軸加載。試件一般為立方體，試驗(yàn)時(shí)通過(guò)3個(gè)方向分設(shè)絲桿和橫梁組成的加載架施加應(yīng)力或利用試驗(yàn)機(jī)施加豎向應(yīng)力而側(cè)向(橫向)應(yīng)力則通過(guò)置于一剛性承載框內(nèi)的兩對(duì)活載和油缸施加。

1.2 減摩方法

從開(kāi)始三軸受壓試驗(yàn)研究以來(lái)，各國(guó)研究者采用了各種各樣的方法來(lái)消除加載板與試件之間的摩擦對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。其中，KOTSOVOS[28]、GERSTLE[29]等采用不同的剛性和柔性加載板來(lái)消除摩擦，MIER[30]則采用刷型加載板進(jìn)行減摩，后來(lái)西德材料研究中心改進(jìn)了刷型加載板并研制出了剛活塞加載墊板。上述幾種減摩方法能得到較好的試驗(yàn)結(jié)果，但構(gòu)造過(guò)于復(fù)雜。國(guó)內(nèi)的研究者在進(jìn)行三軸壓試驗(yàn)時(shí)常采用在加載板與試件之間加上一層或多層軟墊層中間夾入某種潤(rùn)滑物來(lái)減小摩擦。

1.3 應(yīng)力測(cè)量方法

應(yīng)力測(cè)量方法主要有2種：間接測(cè)量方法和直接測(cè)量方法。間接測(cè)量方法采用測(cè)得的油壓乘以一個(gè)換算系數(shù)來(lái)確定加載的應(yīng)力值；直接測(cè)量方法則通過(guò)在加載活塞和加載板之間設(shè)置荷載傳感器來(lái)測(cè)量應(yīng)力值。

1.4 應(yīng)變測(cè)量方法

1.4.1真三軸

真三軸試驗(yàn)中一般采用以下2類方法測(cè)量應(yīng)變。直接測(cè)量法，通過(guò)在試件表面預(yù)留或者用砂輪打磨成的淺槽內(nèi)粘貼電阻應(yīng)變片，或者在打磨過(guò)的試件棱邊上粘貼電阻應(yīng)變片，來(lái)測(cè)量應(yīng)變。間接測(cè)量法，使用電阻式或電感式變形傳感器測(cè)量試件同方向兩塊加載板的相對(duì)位移，扣除事先通過(guò)預(yù)壓的方法標(biāo)定的柔性減摩墊層的變形后，得到試件應(yīng)變。

1.4.2常規(guī)三軸

常規(guī)三軸試驗(yàn)常在試件的中部粘貼兩個(gè)橫向和一個(gè)豎向電阻應(yīng)變片，同時(shí)在上下加載板之間安裝豎向的位移傳感器來(lái)測(cè)量應(yīng)變。其布置的基本形式如圖1所示。

圖1 應(yīng)變測(cè)量示意圖[31]Figure 1 Diagram of strain measurement[31]

2 混凝土三軸受壓力學(xué)性能

2.1 普通混凝土

普通混凝土試件3個(gè)方向所受應(yīng)力分別為σ1、σ2、σ3，其中σ3為最大主應(yīng)力，則其真三軸受壓性能有如下規(guī)律。

a.隨著試件加載應(yīng)力比σ1/σ3的增大，其三軸抗壓強(qiáng)度f(wàn)3成倍的增長(zhǎng)。σ2/σ3對(duì)f3也有顯著影響。當(dāng)σ1/σ3不變時(shí)，最大f3發(fā)生在σ2/σ3=0.3～0.6，且最大與最小f3之間差20%～25%。若σ1/σ3<0.15且為常數(shù)，則σ1=σ2時(shí)的強(qiáng)度低于σ2=σ3時(shí)的f3；若σ1/σ3>0.15，則正好相反。

b.三軸抗壓時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線相較單軸時(shí)表現(xiàn)出更顯著的軟化和非線性特征，當(dāng)應(yīng)力較低時(shí)曲線近似為直線，然后隨著應(yīng)力的增長(zhǎng)曲線斜率逐漸減小，峰值點(diǎn)不再明顯。

c.σ3方向峰值應(yīng)變?chǔ)?p隨σ1/σ3的增大而出現(xiàn)較快增長(zhǎng)，σ2/σ3的變化規(guī)律與f3的變化規(guī)律相似。σ2方向峰值應(yīng)變?chǔ)?p隨σ2/σ3的變化，由σ1/σ3=σ1/σ2=0.15時(shí)的拉伸漸漸變?yōu)閴嚎s，至σ2=σ3時(shí)達(dá)到最大壓應(yīng)變。σ1方向峰值應(yīng)變?chǔ)?p與應(yīng)力比有關(guān),且一般為拉伸應(yīng)變。

d.各應(yīng)力比下試件的破壞形態(tài)如表1所示。

表1 真三軸受壓破壞形態(tài)Table 1 True triaxial compression failure mode主導(dǎo)應(yīng)力σ3σ2, σ3σ1, σ3σ1, σ2, σ3,應(yīng)力比σ1/σ3?0.1σ1/σ3?0.15σ1/σ3=0.15～0.2σ1/σ3≥0.2σ2/σ3?0.1σ2/σ3?0.15σ2/σ3≥0.2破壞類型柱狀破壞片狀破壞斜剪破壞擠壓流變?cè)嚰茐男螒B(tài)圖例

普通混凝土的常規(guī)三軸受壓性能有如下規(guī)律。

a.隨側(cè)向應(yīng)力的增長(zhǎng)，三軸抗壓強(qiáng)度呈線性增大，而σ3方向峰值應(yīng)變?chǔ)?p的增長(zhǎng)幅度更大。

b.常規(guī)三軸壓縮時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出與單軸受壓時(shí)曲線不一樣的特征。剛開(kāi)始加載時(shí)，σ3方向的應(yīng)變?chǔ)?很小，應(yīng)力-應(yīng)變曲線近似為直線上升；此后，隨著加載的繼續(xù)側(cè)向應(yīng)力的存在限制了試件的橫向變形，并阻止了軸向裂縫的產(chǎn)生和開(kāi)展，試件的塑性變形能力有了很大擴(kuò)展，曲線變得平緩，過(guò)峰值應(yīng)力點(diǎn)后，試件的殘余強(qiáng)度緩慢地降低，出現(xiàn)平緩的下降段。隨著側(cè)向應(yīng)力的增大，曲線的峰值點(diǎn)逐步升高，變得平緩和豐滿，當(dāng)側(cè)向應(yīng)力σ1/σ3=σ2/σ3≥0.15時(shí)，破壞前ε3方向應(yīng)變很大，峰部近乎一平曲線，峰值點(diǎn)已不明顯。

c.側(cè)向應(yīng)力的增加將導(dǎo)致試件破壞形態(tài)的改變，在零或較低的側(cè)向應(yīng)力作用下，試件破壞時(shí)表面出現(xiàn)分布裂紋和若干大的裂紋；而在高的側(cè)向應(yīng)力作用下，側(cè)向應(yīng)力限制了試件中微裂紋的擴(kuò)展，試件表面無(wú)分布裂紋內(nèi)部的孔隙被壓實(shí)。

2.2 鋼纖維混凝土

鋼纖維混凝土三軸受壓力學(xué)性能的變化規(guī)律如下。

a.三軸抗壓強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)隨鋼纖維體積百分比的增加而增大，最佳摻入量為1.0%～1.5%。應(yīng)力比σ2/σ3對(duì)三軸抗壓強(qiáng)度的影響程度與鋼纖維摻入量有關(guān)；鋼纖維摻入量在0.5%～2.5%之間，當(dāng)σ1/σ3=0.1,σ2/σ3=0.5時(shí)，三軸抗壓強(qiáng)度最大。其三軸抗壓強(qiáng)度的增大倍數(shù)較普通混凝土低。

b.軸向峰值應(yīng)變也隨摻入量的增大而增長(zhǎng)，且應(yīng)力比σ2/σ3越小其增長(zhǎng)的幅度越大。當(dāng)鋼纖維摻入量一定時(shí)，應(yīng)力比σ1/σ3和σ2/σ3對(duì)軸向峰值應(yīng)變和峰值體積應(yīng)變的影響規(guī)律與普通混凝土相似。

c.三軸壓縮時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征點(diǎn)隨鋼纖維摻入量的變化而存在差異。

2.3 再生混凝土

再生骨料的外部形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)都與天然骨料存在明顯差異，使得其力學(xué)性能也與普通混凝土不同。張家興[16]的試驗(yàn)研究表明：在相同骨料代替率下，再生混凝土強(qiáng)度越高試件出現(xiàn)斜裂縫越早；而強(qiáng)度等級(jí)相同時(shí)，骨料代替率越大的試件越早出現(xiàn)斜裂縫；且其塑性變形能力較普通混凝土好。潘秀英[17]和楊海峰[18]等認(rèn)為再生混凝土的三軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線線性上升段斜率較普通混凝土大；此外，通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)再生混凝土和普通混凝土的骨料破壞形態(tài)也存在差異，普通混凝土試件的破壞面處骨料被剪切成粉末狀，而前者試件的破壞則均發(fā)生在骨料與水泥砂漿基體之間的界面或骨料先天裂紋處，如圖2所示。

(a) 普通混凝土骨料破碎成粉末

(b) 再生骨料沿先天裂紋破碎

2.4 塑性混凝土

塑性混凝土的彈性模量低，變形性能好，在水利工程防滲中應(yīng)用廣泛[19]。王四巍[19]對(duì)塑性混凝土做了系統(tǒng)的研究：在真三軸試驗(yàn)中，恒定側(cè)向應(yīng)力時(shí)試件的體積應(yīng)變隨軸向壓力的增大先增加后減小，而試件的體積則先縮小后變大，存在增容情況，應(yīng)力-應(yīng)變曲線過(guò)峰值點(diǎn)后的變形表現(xiàn)出完全塑性或近似塑性的特點(diǎn)，試件發(fā)生雙向剪切破壞；恒定側(cè)向應(yīng)變時(shí)，試件的體積應(yīng)變的變化與恒定側(cè)向應(yīng)力時(shí)正好相反，未出現(xiàn)增容的情況，試件的破壞形態(tài)表現(xiàn)為軸向過(guò)大的壓縮變形；在常規(guī)三軸試驗(yàn)中得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與單軸壓時(shí)的曲線特征存在明顯不同，表現(xiàn)為更長(zhǎng)的上升段、不明顯的峰值點(diǎn)和更加平緩的下降段。

高丹盈[20]等則通過(guò)對(duì)比固定圍壓和固定圍壓比值兩種情況下塑性混凝土的性能發(fā)現(xiàn)固定圍壓比值下的粘聚力比固定圍壓下高而內(nèi)摩擦角則要小。

2.5 輕骨料混凝土

輕骨料混凝土是采用頁(yè)巖陶粒、珊瑚礁等質(zhì)量較輕的粗骨料制成的混凝土。宋玉普[12]對(duì)輕骨料混凝土在常規(guī)三軸和真三軸受壓狀態(tài)下的力學(xué)特性與普通混凝土進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)當(dāng)σ1/σ3≥0.3，σ2/σ3≥0.5時(shí)，前者的應(yīng)力-應(yīng)變曲線將出現(xiàn)應(yīng)力平臺(tái)流塑區(qū)，即在此區(qū)域應(yīng)力基本不出現(xiàn)增長(zhǎng)或增長(zhǎng)幅度很小，而應(yīng)變卻快速增加，過(guò)此平臺(tái)后，曲線再次上升，出現(xiàn)同普通低碳鋼拉伸曲線相似的“應(yīng)力強(qiáng)化”現(xiàn)象。

楊建輝[32]對(duì)全輕頁(yè)巖陶?；炷吝M(jìn)行試驗(yàn)得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線也有相同的特征，他認(rèn)為出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)樵诟咻S壓應(yīng)力作用下試件內(nèi)部的砂漿骨架首先被破壞，隨后骨料也被壓碎，試件發(fā)生很大的壓縮變形，而應(yīng)力卻沒(méi)有增長(zhǎng)，在骨料內(nèi)部的孔隙被擠壓密實(shí)后，試件的極限承載力進(jìn)一步提高，曲線出現(xiàn)上升的“應(yīng)力強(qiáng)化”現(xiàn)象。

張鵬[33]對(duì)比全輕頁(yè)巖陶粒混凝土和鋼纖維陶?；炷恋娜S受壓力學(xué)性能發(fā)現(xiàn)后者的三軸抗壓強(qiáng)度的增大倍數(shù)要低。這與鋼纖維混凝土三軸受壓得到的結(jié)論一致。

3 惡劣條件下混凝土的三軸受壓力學(xué)性能

3.1 高溫或火災(zāi)

高溫或火災(zāi)后結(jié)構(gòu)中混凝土的強(qiáng)度和耐久性將發(fā)生劣變，結(jié)構(gòu)的可靠度將降低。何振軍[21]、張眾[22]、姚偉[23]等對(duì)經(jīng)受高溫后的普通和高強(qiáng)混凝土進(jìn)行了三軸受壓試驗(yàn)，結(jié)果表明：經(jīng)受溫度越高，混凝土在3個(gè)主應(yīng)力方向的峰值應(yīng)力越小，應(yīng)力-應(yīng)變曲線線性上升段的斜率也越?。桓邷厥够炷羻屋S抗壓強(qiáng)度的降低幅度大于三軸抗壓強(qiáng)度的降低幅度，三軸抗壓強(qiáng)度主要受應(yīng)力比的影響。而蘇益聲[24]則認(rèn)為高溫后再生混凝土三軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線與普通混凝土基本相似。

3.2 凍融循環(huán)作用

處于水位變化區(qū)的水工建筑物和浪濺區(qū)的海工建筑物中的混凝土，受凍融循環(huán)作用，其力學(xué)性能將發(fā)生變化。于長(zhǎng)江[25]，高懷帥[26]，覃麗坤[27]等通過(guò)試驗(yàn)研究了凍融循環(huán)作用對(duì)普通混凝土真三軸受壓力學(xué)性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明：經(jīng)受凍融循環(huán)后單軸抗壓強(qiáng)度和三軸抗壓強(qiáng)度都有所降低；凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)三軸抗壓強(qiáng)度的影響更大，即使經(jīng)受了凍融循環(huán)的作用，因側(cè)向應(yīng)力的約束作用，三軸抗壓強(qiáng)度仍遠(yuǎn)強(qiáng)于單軸強(qiáng)度；此外，隨作用次數(shù)的增加三軸抗壓峰值應(yīng)力處所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變隨之變大。

4 結(jié)論與展望

各種混凝土組成材料力學(xué)特性不同，導(dǎo)致他們的三軸受壓力學(xué)性能存在差異。惡劣環(huán)境會(huì)使混凝土的三軸受壓性能惡化，在研究上需得到越來(lái)越多的重視。

盡管對(duì)混凝土的三軸受壓力學(xué)性能已經(jīng)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，但仍然存在一些待突破的研究方向。

a.在以往的三軸受壓試驗(yàn)研究中，受試驗(yàn)裝置的限制，按應(yīng)力路徑加載的試驗(yàn)很多，而按應(yīng)變或應(yīng)力應(yīng)變復(fù)合路徑加載的試驗(yàn)還比較少。

b.不同尺寸的混凝土試件在單軸受壓時(shí)存在尺寸效應(yīng)現(xiàn)象，在三軸受壓時(shí)是否存在尺寸效應(yīng)需要通過(guò)試驗(yàn)研究去確定。

c.粗骨料粒徑、形狀、性能等對(duì)混凝土在三軸受壓下的性能的影響如何，尚需通過(guò)試驗(yàn)去探究。