混凝土材料剪切強度的試驗分析

萬后林

（江蘇東辰建材有限公司，江蘇 淮安 223405 ）

在工程項目建設(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)性能指標試驗方式逐漸增多。在混凝土結(jié)構(gòu)抗壓強度測試、抗拉強度試驗、彈性模量檢測等方面，在國家標準中均有明確規(guī)定，而抗剪強度作為混凝土結(jié)構(gòu)基本力學性能指標，相關(guān)研究資料比較少。因此，對混凝土結(jié)構(gòu)剪切試驗方式進行分析迫在眉睫。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 矩形梁直接剪切試驗。該試驗最早由Morseh 提出，是混凝土結(jié)構(gòu)剪切試驗中應(yīng)用最早的試驗方式，試驗操作簡單。破壞剪切面是由鋸齒狀裂縫所組成的，在鋸齒兩個方向上，由混凝土抗壓（fc）以及抗拉強度（ft）控制，對于平均抗剪強度，可根據(jù)以下公式進行計算：

在上述公式中，k 指的是修整系數(shù)，可取0.75。

在該試驗方法的實際應(yīng)用中，所得混凝土抗剪強度比較高：

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

（三）薄壁圓筒受扭試驗。當混凝土試件的薄壁厚度比較小時，能夠達到均勻、純剪應(yīng)力狀態(tài)。混凝土試件可沿45°螺旋線破壞，對于混凝土結(jié)構(gòu)剪切強度，可根據(jù)破壞扭矩（ρT ）進行計算：

在上述公式中，D、t 分別為圓筒試件的外徑和壁厚，mm

2 試驗概況

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

（二）試件方案與設(shè)備。為了對混凝土剪切力學性能進行檢測試驗，在本次試驗中，共設(shè)置3 種加載工況：第一，單軸收拉試驗，需應(yīng)用劈拉裝置；第二，單軸受壓試驗，需應(yīng)用液壓伺服機；第二，單軸受拉試驗，需應(yīng)用液壓伺服機。在液壓伺服機中，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。

在對混凝土剪切力學性能進行試驗分析時，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，在剪切過程中可避免混凝土旋轉(zhuǎn)。在試驗過程中，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，進而完成剪切試驗。在試驗加載過程中，對于試件，采用位移控制加載形式，原剪力盒尺寸為210mm×210mm×210mm，在試驗過程中，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。三種不同強度的混凝土試件尺寸均為100mm×100mm×100mm，在本次試驗中需要注意，由于混凝土材料具有隨機性特征，因此，在每一種加載工況試驗下，需制作3 個試件，并取平均值作為試驗結(jié)果。

3 試驗結(jié)果分析

（一）破壞形態(tài)。在對混凝土受力性能進行試驗分析時，需研究在不同的加載方式下，混凝土力學性能以及破壞機理。很多文獻均對混凝土受壓以及受壓進行深入研究，因此，本文主要對不同強度等級情況下，混凝土的剪切受力破壞形式進行試驗分析。

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動，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，而當橫向荷載不斷增加時，裂縫也會隨之擴大，并沿水泥漿與骨料界面最為薄弱的位置不斷發(fā)展，同時，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)復合材料，因此，薄弱部位可能沒有展現(xiàn)在剪切面直線上，并且可能在剪切面上下浮動，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)類似，當試件受力破壞后，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)過本次試驗，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型的試驗設(shè)備，因此，在材料直剪儀傳感器的采集過程中可發(fā)生一定波動。

（三）強度參數(shù)分析。

在混凝土受壓、受拉和剪切受力形式下進行試驗分析，在試驗過程中選擇混凝土抗壓強度、抗拉強度和剪切強度特征值，并計算平均值進行分析，如表1 所示。

表1 不同強度等級混凝土抗壓、抗拉和剪切強度值（MPa）

在對混凝土受拉力以及受壓力進行試驗分析時，依據(jù)數(shù)學回歸，即可對混凝土抗拉強度與抗壓強度之間的關(guān)系進行分析，計算公式如式（1），根據(jù)式（1）進行計算，同時對計算結(jié)果進行對比驗證。

式（1）中， ft為混凝土劈拉強度； fcu為混凝土抗壓強度。

對于混凝土抗壓強度與剪切強度之間的關(guān)系，可根據(jù)公式（2）進行計算，在本次試驗中，根據(jù)公式（2）計算分析獲得混凝土抗壓強度與抗剪強度關(guān)系。

式（2）中： fcu為混凝土抗壓強度；τ 為混凝土抗剪強度。

為了保證本次試驗所得結(jié)果的準確性和可靠性，在試驗過程中，可在試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上增加誤差棒，體現(xiàn)出試驗數(shù)據(jù)的隨機性特征。混凝土抗壓強度與抗剪強度關(guān)系驗證形式如圖1 所示，通過對圖1 進行分析可見，在本次試驗研究中，不同強度等級混凝土抗壓強度與抗拉強度試驗數(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)抗壓強度與抗拉強度之間的關(guān)系。

通過對混凝土結(jié)構(gòu)抗壓強度和抗拉強度之間的關(guān)系進行分析，如果根據(jù)公式（2）對二者之間的關(guān)系進行預(yù)測分析，相對比較保守，因為在本次試驗中，對于混凝土抗剪強度，可根據(jù)直接剪切的形式獲得，與其他測量方式相比，測試結(jié)果比較大。綜合考慮試驗過程中數(shù)據(jù)變化形式與公式（2），即可提出在直接剪切基礎(chǔ)上的混凝土抗壓強度、抗剪強度關(guān)系形式，如公式（3）所示：

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

圖1 混凝土抗壓強度與抗剪強度關(guān)系驗證

通過對圖1 以及公式（4）進行分析，本文所提出的混凝土抗壓強度與剪切強度關(guān)系式能夠反映出混凝土結(jié)構(gòu)抗壓強度以及剪切強度。

4 試驗討論分析

通過本次試驗研究發(fā)現(xiàn)，混凝土結(jié)構(gòu)抗拉破壞形式類似于剪切破壞形態(tài)，抗剪強度大于抗拉強度，主要原因在于，在混凝土收拉荷載的影響下，混凝土界面化學膠著力能夠提供反力，產(chǎn)生抗拉強度，同時，混凝土結(jié)構(gòu)已出現(xiàn)借錢破壞斷面間的機械咬合力也會對剪切強度產(chǎn)生較大影響，并導致其抗剪強度大于抗拉強度。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械咬合所造成的。

在以往的混凝土抗壓強度和剪切強度關(guān)系應(yīng)用中，對于本次試驗抗剪強度預(yù)測值比較保守，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方式一般為間接試驗測量方式，在實際應(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相比，所得剪切強度值比較低。

5 總結(jié)

綜上所述，在本次研究中，選用三種強度等級不同的混凝土作為試驗材料，并采用液壓伺服機以及材料直剪儀進行試驗，對不同加載工況下混凝土結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)、強度特征值以及力-變形曲線進行試驗分析。根據(jù)本次試驗發(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)剪切強度大于抗拉強度，主要原因在于，在混凝土結(jié)構(gòu)抗拉強度反力中，不會受到機械咬合力影響，而剪切強度反力不僅存在于化學膠著力中，同時，在剪切斷面中有機械咬合力，因此，與抗拉強度相比，剪切強度更大。通過對本次試驗數(shù)據(jù)進行分析，可在原有研究基礎(chǔ)上提出新型剪切強度預(yù)測方程，所得結(jié)果準確性更高，值得推廣應(yīng)用。