混凝土劈裂抗拉試驗方法變化對測試結(jié)果的影響分析

王少江，沈元信，陳改新，張峰華

(1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.水利部水工程建設(shè)與安全重點實驗室，北京 100038；3.青海黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司工程建設(shè)分公司，青海 西寧 810000)

測試混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的目的在于推算軸心抗拉強(qiáng)度。由于方法簡單易行，試驗結(jié)果比較可靠，劈裂試驗方法得到了廣泛的使用。有關(guān)文獻(xiàn)表明[1]，軸心抗拉強(qiáng)度σl在理論上應(yīng)為劈裂抗拉強(qiáng)度σpl的(1+3μ)或(1+μ)(1+2μ)倍，μ為混凝土泊松比。但是，由于具體測試方法的差異和其他因素的影響，導(dǎo)致σl/σpl在0.7～1.3之間變化[1-8]。

文獻(xiàn)[1]表明，采用不同的墊條對σl的影響相當(dāng)大。墊條尺寸越大，測得的劈裂抗拉強(qiáng)度越大。一般認(rèn)為，墊條尺寸和形狀不應(yīng)影響劈裂試驗的加荷假定——對試塊施加均勻的線性荷載。墊條尺寸過大時，試塊可能不是劈裂破壞而是在墊條下面產(chǎn)生“壓力柱”或剪切應(yīng)力導(dǎo)致壓柱破壞或剪切破壞。

在SL 352—2006《水工混凝土試驗規(guī)程》的修訂過程中，發(fā)現(xiàn)DL/T 5150—2001《水工混凝土試驗規(guī)程》[9]劈裂試驗采用截面5mm的方墊條，修訂后的DL/T 5150—2017[10](2018年3月1日實施)的劈裂方法基本與GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[11](2019年12月1日實施)相同，采用半徑75 mm弧形墊塊，并增加木質(zhì)三合板或硬質(zhì)纖維板墊板(條)。該項改動使得進(jìn)行劈拉試驗時，墊塊與混凝土試塊的接觸形式完全改變。這些改變對劈拉抗拉強(qiáng)度試驗過程和結(jié)果會造成什么樣的影響呢？我們對此進(jìn)行了驗證試驗，以決定是否對SL 352—2006的劈裂試驗方法進(jìn)行修改。

1 試驗原材料和設(shè)備

(1)混凝土原材料：采用某水電工程的中熱硅酸鹽水泥、Ⅰ級粉煤灰、萘系高效減水劑、引氣劑、河砂、二級配碎卵石等。

(2)混凝土試塊：強(qiáng)度等級C30，含氣量5%～6%。檢測3d、7d、28d、90d四個齡期，每個齡期成型5個邊長150 mm的標(biāo)準(zhǔn)尺寸立方體試塊。

(3)試驗機(jī)：采用日本島津UH-FX1000kN高精度液壓萬能試驗機(jī)。

(4)墊條和墊塊：采用含5mm寬墊條的夾具，和半徑75 mm弧形墊塊。

2 試驗過程

到達(dá)測試齡期后，從一批試塊中，隨機(jī)選取5個用5mm寬方墊條、5個用半徑75mm墊塊分別進(jìn)行劈裂試驗。設(shè)定試驗機(jī)的加載速度統(tǒng)一為0.08MPa/s，荷載、位移采樣時間間隔為10ms。

首先按標(biāo)準(zhǔn)要求在待測試塊上畫線，準(zhǔn)確定出劈裂面的位置，然后將試塊裝載到試驗機(jī)上。由于兩種墊塊均不能直接將試塊放平，在壓實前，需手扶試塊對準(zhǔn)，當(dāng)上壓頭與試塊接近時，調(diào)整球座使試塊受壓均勻，壓實后即可松手。

在每個試塊的試驗結(jié)束后，記錄裂縫情況，用卡尺測量壓痕深度、寬度等。采用墊塊和墊條在試塊上的典型壓痕和破壞情況如圖1所示。相對而言，采用5mm寬方墊條時，更容易將試塊劈開為兩半，而采用弧形墊塊時試塊出現(xiàn)裂縫即自動結(jié)束試驗。

圖1 劈裂試驗試塊破壞情況

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 測試數(shù)據(jù)均勻性

為了減少混凝土不均勻性對試驗結(jié)果的影響，每個齡期成型了5個邊長150 mm的標(biāo)準(zhǔn)尺寸立方體試塊，對每組5個測試數(shù)據(jù)的均勻性分析見表1。

表1 劈裂測試結(jié)果均勻性分析表

從表1測試結(jié)果均勻性分析結(jié)果可見，5mm方墊條的測試結(jié)果離散性比較大，劈拉強(qiáng)度變異系數(shù)為10%左右。而半徑75mm墊塊的測試結(jié)果離散性隨混凝土強(qiáng)度提高而降低。這應(yīng)該與兩種劈裂方式導(dǎo)致的混凝土破壞形式不同有關(guān)，壓劈破壞的數(shù)據(jù)離散性小于純劈裂破壞。

3.2 劈拉強(qiáng)度

在計算劈拉強(qiáng)度時，去掉測試值的最大值、最小值后，取其余3個數(shù)據(jù)的平均值作為試驗結(jié)果，劈拉強(qiáng)度試驗結(jié)果見表2。

由表2劈拉強(qiáng)度試驗結(jié)果可以看出，使用半徑75mm墊塊測得的劈拉強(qiáng)度比使用邊長5mm方墊條測得的劈拉強(qiáng)度平均高約20%，差別明顯。

表2 劈拉強(qiáng)度計算結(jié)果

3.3 加荷時間、壓頭行程及平均速度

試驗時采用恒應(yīng)力加荷方式，試驗機(jī)設(shè)定的加載速度為0.05MPa/s，對150mm邊長立方體時間加荷速度約為1.15kN/s。由于試塊強(qiáng)度的不同，劈裂件在試驗機(jī)壓頭作用下侵入混凝土的速度是不同的。選取的試驗機(jī)入口力1kN以上的、每組5個試塊的平均加荷時間、平均壓頭行程及平均速度統(tǒng)計結(jié)果見表3。

加荷過程中，試驗機(jī)壓頭行程隨加荷時間的變化如圖2所示(以下各圖均取90d齡期一個試塊的自動記錄數(shù)據(jù))。壓頭行程為壓力機(jī)上下壓板間距離變化的總行程。在不考慮混凝土試塊本身壓縮變形的條件下，對邊長5mm方墊條而言，上下墊條侵入混凝土試塊的深度為壓頭行程的一半；對半徑75 mm弧形墊塊而言，壓頭行程由于包含了墊片的變形，壓板頂部壓入混凝土試塊的深度應(yīng)稍小于壓頭行程的一半。

由表3 和圖2可見，采用半徑75mm墊塊的加荷時間、壓頭行程明顯長于采用邊長5mm方墊條的加荷時間和壓頭行程，平均多用時24%，侵入混凝土的深度也多24%。如圖3所示，加荷早期，壓頭行程1.5、1.9mm以前施加在混凝土試塊上的荷載增加很慢，其后荷載—壓頭行程基本以正比關(guān)系增加，直至試塊開裂破壞。

圖3 試驗機(jī)加荷隨壓頭行程的變化

表3 劈裂試驗加荷時間、壓頭行程及平均速度統(tǒng)計

圖2 試驗機(jī)壓頭行程隨加荷時間的變化

3.4 壓痕深度、寬度及接觸面積

每個試塊劈裂試驗后，都觀測和記錄了壓痕深度、寬度等，結(jié)合試驗機(jī)自動記錄的壓頭行程數(shù)據(jù)，分析了壓痕深度、寬度及接觸面積等，匯總見表4。其中壓痕深度取壓頭行程的一半。

表4 劈裂試驗壓痕深度、寬度及接觸面積

對于5mm方墊條，其與混凝土試塊的接觸寬度是不變的，與壓痕深度無關(guān)；而對于半徑75 mm弧形墊塊，接觸面寬度、接觸面面積隨著壓痕深度增大而增加，墊片(膠合板或硬質(zhì)纖維板)的影響不大，尤其是混凝土強(qiáng)度較高時。墊塊、墊條與混凝土試塊接觸面積隨加荷時間的變化如圖4所示。

圖4 墊塊、墊條與混凝土試塊接觸面積隨加荷時間的變化

由圖4可知，邊長5mm方墊條與混凝土試塊的接觸面積恒定為750mm2，在試驗過程中，上下墊條之間處于雙向受壓狀態(tài)的混凝土體積不變，施加在劈裂面上的力是基本恒定的。而半徑75mm弧形墊塊在加荷后1s左右接觸面積急速增加到3100mm2；1.3s時增加到3500mm2；其后增加緩慢，最終達(dá)到5300mm2以上。

如圖5所示，在絕大部分加荷過程中，墊塊與混凝土試塊的接觸面積是5mm墊條的6倍多，因此同樣荷載時接觸面壓強(qiáng)只有1/6，導(dǎo)致了表3中的較長加荷時間和較大壓頭行程等情況。

圖5 墊塊、墊條與混凝土試塊接觸面壓強(qiáng)隨荷載的變化

4 結(jié)論

(1)使用半徑75mm墊塊測得的劈拉強(qiáng)度比使用邊長5mm方墊條測得的劈拉強(qiáng)度高20%左右，差別明顯。

(2)在對SL 352—2006的修訂中，繼續(xù)使用5mm墊條形式，試驗人員應(yīng)注意所得劈裂試驗結(jié)果與DL/T 5150—2017、GB/T 50081—2019有較大的差異。

(3)采用墊塊進(jìn)行劈裂試驗時，應(yīng)重新對比測定劈裂抗拉強(qiáng)度與軸心抗拉強(qiáng)度的轉(zhuǎn)換系數(shù)。相關(guān)從業(yè)人員需注意到劈裂方法變化對混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計尤其是質(zhì)量評定的影響。