混凝土材料剪切強(qiáng)度的試驗(yàn)分析

萬(wàn)后林

（江蘇東辰建材有限公司，江蘇 淮安 223405 ）

在工程項(xiàng)目建設(shè)中，混凝土結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。隨著混凝土材料發(fā)展不斷深入，混凝土結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)試驗(yàn)方式逐漸增多。在混凝土結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度測(cè)試、抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)、彈性模量檢測(cè)等方面，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中均有明確規(guī)定，而抗剪強(qiáng)度作為混凝土結(jié)構(gòu)基本力學(xué)性能指標(biāo)，相關(guān)研究資料比較少。因此，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)剪切試驗(yàn)方式進(jìn)行分析迫在眉睫。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 矩形梁直接剪切試驗(yàn)。該試驗(yàn)最早由Morseh 提出，是混凝土結(jié)構(gòu)剪切試驗(yàn)中應(yīng)用最早的試驗(yàn)方式，試驗(yàn)操作簡(jiǎn)單。破壞剪切面是由鋸齒狀裂縫所組成的，在鋸齒兩個(gè)方向上，由混凝土抗壓（fc）以及抗拉強(qiáng)度（ft）控制，對(duì)于平均抗剪強(qiáng)度，可根據(jù)以下公式進(jìn)行計(jì)算：

在上述公式中，k 指的是修整系數(shù)，可取0.75。

在該試驗(yàn)方法的實(shí)際應(yīng)用中，所得混凝土抗剪強(qiáng)度比較高：

1.2 Z 形柱單剪面試驗(yàn)。在混凝土結(jié)構(gòu)剪切傳遞試驗(yàn)分析中，可應(yīng)用“Z”形試件，在試驗(yàn)過(guò)程中合理布置鋼筋材料。這類(lèi)試件所產(chǎn)生的垂直應(yīng)力比較大，可對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生較大影響，試驗(yàn)結(jié)果如下：

（三）薄壁圓筒受扭試驗(yàn)。當(dāng)混凝土試件的薄壁厚度比較小時(shí)，能夠達(dá)到均勻、純剪應(yīng)力狀態(tài)。混凝土試件可沿45°螺旋線破壞，對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)剪切強(qiáng)度，可根據(jù)破壞扭矩（ρT ）進(jìn)行計(jì)算：

在上述公式中，D、t 分別為圓筒試件的外徑和壁厚，mm

2 試驗(yàn)概況

（一）試驗(yàn)材料。在本次試驗(yàn)中，選用C30、C40、C50 三種強(qiáng)度不同的混凝土，三種混凝土細(xì)骨料為河砂，粗骨料為碎石粒。試件水泥用料不同，C30 混凝土應(yīng)用PO32.5 級(jí)水泥，而C40、C50 混凝土應(yīng)用PO42.5 級(jí)水泥，另外，C30、C40 混凝土中無(wú)需添加外加劑，而C50 混凝土中則使用外加劑。

（二）試件方案與設(shè)備。為了對(duì)混凝土剪切力學(xué)性能進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，在本次試驗(yàn)中，共設(shè)置3 種加載工況：第一，單軸收拉試驗(yàn)，需應(yīng)用劈拉裝置；第二，單軸受壓試驗(yàn)，需應(yīng)用液壓伺服機(jī)；第二，單軸受拉試驗(yàn)，需應(yīng)用液壓伺服機(jī)。在液壓伺服機(jī)中，需安裝荷載、位移傳感器，需應(yīng)用位移控制和加載方式，加載速率為1mm/min，持續(xù)加載，直至混凝土試件破壞。

在對(duì)混凝土剪切力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)分析時(shí)，需應(yīng)用材料剪切儀，儀器上下部分均為剪力盒，剪力盒剛度大，因此，在剪切過(guò)程中可避免混凝土旋轉(zhuǎn)。在試驗(yàn)過(guò)程中，要求試件緊密貼合剪力盒，其中，上剪力盒需緊密貼合反力桿，而下剪力盒則需在滑槽中移動(dòng)，進(jìn)而完成剪切試驗(yàn)。在試驗(yàn)加載過(guò)程中，對(duì)于試件，采用位移控制加載形式，原剪力盒尺寸為210mm×210mm×210mm，在試驗(yàn)過(guò)程中，需制作相應(yīng)限位夾具，確保試件尺寸和混凝土單軸受壓以及單軸受拉相同。三種不同強(qiáng)度的混凝土試件尺寸均為100mm×100mm×100mm，在本次試驗(yàn)中需要注意，由于混凝土材料具有隨機(jī)性特征，因此，在每一種加載工況試驗(yàn)下，需制作3 個(gè)試件，并取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

（一）破壞形態(tài)。在對(duì)混凝土受力性能進(jìn)行試驗(yàn)分析時(shí)，需研究在不同的加載方式下，混凝土力學(xué)性能以及破壞機(jī)理。很多文獻(xiàn)均對(duì)混凝土受壓以及受壓進(jìn)行深入研究，因此，本文主要對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)情況下，混凝土的剪切受力破壞形式進(jìn)行試驗(yàn)分析。

如果混凝土破壞斷裂與剪切方向相垂直，則平整度比較高，原因在于，在剪力盒之間上下錯(cuò)動(dòng)，因此，在垂直于剪切方向，試件剪切破壞先平整。另外，在于剪切方向平行的方向，混凝土側(cè)向所形成的破壞斷裂線不規(guī)則，混凝土在受剪切荷載的作用下，在剪力盒接觸面首先產(chǎn)生裂縫，即原始截面裂縫，而當(dāng)橫向荷載不斷增加時(shí)，裂縫也會(huì)隨之?dāng)U大，并沿水泥漿與骨料界面最為薄弱的位置不斷發(fā)展，同時(shí)，在水泥砂漿裂縫頂端，可產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。需要注意，混凝土結(jié)構(gòu)為非均質(zhì)復(fù)合材料，因此，薄弱部位可能沒(méi)有展現(xiàn)在剪切面直線上，并且可能在剪切面上下浮動(dòng)，混凝土剪切裂縫可隨薄弱位置發(fā)展。混凝土受拉破壞以及剪切破壞的形態(tài)類(lèi)似，當(dāng)試件受力破壞后，即可形成斷面，即水泥膠凝層發(fā)生破壞，并且能夠展現(xiàn)出脆性破壞。

（二）力—變形曲線分析。經(jīng)過(guò)本次試驗(yàn)，獲得C30、C40 以及C50 混凝土剪切應(yīng)力變化形式。混凝土剪切裝置的使用與液壓裝置為兩種類(lèi)型的試驗(yàn)設(shè)備，因此，在材料直剪儀傳感器的采集過(guò)程中可發(fā)生一定波動(dòng)。

（三）強(qiáng)度參數(shù)分析。

在混凝土受壓、受拉和剪切受力形式下進(jìn)行試驗(yàn)分析，在試驗(yàn)過(guò)程中選擇混凝土抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度特征值，并計(jì)算平均值進(jìn)行分析，如表1 所示。

表1 不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土抗壓、抗拉和剪切強(qiáng)度值（MPa）

在對(duì)混凝土受拉力以及受壓力進(jìn)行試驗(yàn)分析時(shí)，依據(jù)數(shù)學(xué)回歸，即可對(duì)混凝土抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系進(jìn)行分析，計(jì)算公式如式（1），根據(jù)式（1）進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

式（1）中， ft為混凝土劈拉強(qiáng)度； fcu為混凝土抗壓強(qiáng)度。

對(duì)于混凝土抗壓強(qiáng)度與剪切強(qiáng)度之間的關(guān)系，可根據(jù)公式（2）進(jìn)行計(jì)算，在本次試驗(yàn)中，根據(jù)公式（2）計(jì)算分析獲得混凝土抗壓強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度關(guān)系。

式（2）中： fcu為混凝土抗壓強(qiáng)度；τ 為混凝土抗剪強(qiáng)度。

為了保證本次試驗(yàn)所得結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，在試驗(yàn)過(guò)程中，可在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上增加誤差棒，體現(xiàn)出試驗(yàn)數(shù)據(jù)的隨機(jī)性特征?；炷量箟簭?qiáng)度與抗剪強(qiáng)度關(guān)系驗(yàn)證形式如圖1 所示，通過(guò)對(duì)圖1 進(jìn)行分析可見(jiàn)，在本次試驗(yàn)研究中，不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)和公式（1）基本吻合，因此，公式（1）能夠反映出混凝土結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系。

通過(guò)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系進(jìn)行分析，如果根據(jù)公式（2）對(duì)二者之間的關(guān)系進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，相對(duì)比較保守，因?yàn)樵诒敬卧囼?yàn)中，對(duì)于混凝土抗剪強(qiáng)度，可根據(jù)直接剪切的形式獲得，與其他測(cè)量方式相比，測(cè)試結(jié)果比較大。綜合考慮試驗(yàn)過(guò)程中數(shù)據(jù)變化形式與公式（2），即可提出在直接剪切基礎(chǔ)上的混凝土抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度關(guān)系形式，如公式（3）所示：

根據(jù)公式（3），對(duì)本次試驗(yàn)所得結(jié)果進(jìn)行數(shù)字回歸分析，混凝土抗壓強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度關(guān)系驗(yàn)證結(jié)果如圖1 所示，并且可采用公式（4）體現(xiàn)出混凝土抗壓強(qiáng)度與剪切強(qiáng)度之間的關(guān)系。

圖1 混凝土抗壓強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度關(guān)系驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)圖1 以及公式（4）進(jìn)行分析，本文所提出的混凝土抗壓強(qiáng)度與剪切強(qiáng)度關(guān)系式能夠反映出混凝土結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度以及剪切強(qiáng)度。

4 試驗(yàn)討論分析

通過(guò)本次試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，混凝土結(jié)構(gòu)抗拉破壞形式類(lèi)似于剪切破壞形態(tài)，抗剪強(qiáng)度大于抗拉強(qiáng)度，主要原因在于，在混凝土收拉荷載的影響下，混凝土界面化學(xué)膠著力能夠提供反力，產(chǎn)生抗拉強(qiáng)度，同時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)已出現(xiàn)借錢(qián)破壞斷面間的機(jī)械咬合力也會(huì)對(duì)剪切強(qiáng)度產(chǎn)生較大影響，并導(dǎo)致其抗剪強(qiáng)度大于抗拉強(qiáng)度。由此課件，在剪切破壞形態(tài)下，混凝土結(jié)構(gòu)剪切破壞斷面平整度比較差，并且碎渣較多，是由剪切破壞斷面機(jī)械咬合所造成的。

在以往的混凝土抗壓強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度關(guān)系應(yīng)用中，對(duì)于本次試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度預(yù)測(cè)值比較保守，主要原因在于，矩形短梁直接剪切、Z 形柱單剪面和薄壁圓筒受扭等試驗(yàn)方式一般為間接試驗(yàn)測(cè)量方式，在實(shí)際應(yīng)用中，可出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)效應(yīng)以及彎曲效應(yīng)，因此，與本次直接剪切試驗(yàn)相比，所得剪切強(qiáng)度值比較低。

5 總結(jié)

綜上所述，在本次研究中，選用三種強(qiáng)度等級(jí)不同的混凝土作為試驗(yàn)材料，并采用液壓伺服機(jī)以及材料直剪儀進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)不同加載工況下混凝土結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)、強(qiáng)度特征值以及力-變形曲線進(jìn)行試驗(yàn)分析。根據(jù)本次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，混凝土剪切破壞形態(tài)、力-變形曲線發(fā)展形式類(lèi)似于混凝土抗拉，而剪切破壞斷面的平整度較差，破壞斷面中的碎渣比較多。另外，混凝土結(jié)構(gòu)剪切強(qiáng)度大于抗拉強(qiáng)度，主要原因在于，在混凝土結(jié)構(gòu)抗拉強(qiáng)度反力中，不會(huì)受到機(jī)械咬合力影響，而剪切強(qiáng)度反力不僅存在于化學(xué)膠著力中，同時(shí)，在剪切斷面中有機(jī)械咬合力，因此，與抗拉強(qiáng)度相比，剪切強(qiáng)度更大。通過(guò)對(duì)本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可在原有研究基礎(chǔ)上提出新型剪切強(qiáng)度預(yù)測(cè)方程，所得結(jié)果準(zhǔn)確性更高，值得推廣應(yīng)用。