硬化混凝土的拉伸试验

像混凝土这样的脆性复合材料的拉伸能力 (f_t) 通常在其压缩能力的1/10 范围内 (f ' c)。这种行为是由一个非常薄弱的层的存在驱动的, 称为界面过渡区 (界面), 在砂浆和骨料之间。这个非常薄的层 (只有大约40微米左右) 含有较少的中未水化水泥和钙硅酸盐水合物 (c-S h) 比砂浆, 但更大的定向氢氧化钙 (c h) 以及 trisulfate 水合物 (或钙矾石, 长针状结构)。这两个因素都导致了这个层内的孔隙度的增大, 从而降低了强度。此外, 事实上, 总粒子之间的平均间距仅为界面厚度的2到2.5 倍, 这意味着大量的砂浆, 由一些估计高达 40%, 是由这种较弱的材料组成。

混凝土的脆性行为是由聚合体和砂浆之间的应力集中引起的微裂纹的生长驱动的。从概念上讲, 在理想的圆形骨料颗粒周围的应力状态是如何被应用的？当压缩试图在粒子周围 "流动", 力向量变得倾斜时, 拉伸力在水平方向上发展。由于应力集中, 这些力在界面上更高。大拉力和弱界面的结合导致了这一地区的优先开裂。

随着圆筒试验中压缩应力的增加, 这些裂缝开始随着横向拉伸应力、存在的初始微裂纹和弱界面的存在而增大和传播。随着混凝土的最大强度的增加, 裂缝的增长将变得不稳定, 随着裂缝的快速传播, 混凝土将松散地保持强度的能力。这导致混凝土的整体脆性行为, 以及许多类似的陶瓷材料与弱界面区。

混凝土的低抗拉强度也使得直接拉伸试验很难进行, 因为传统的拉伸试样往往由于应力集中而在手柄上失效。围绕这个问题的一个优雅的解决方案是测试他们身边的气缸。此方法称为拆分气缸或巴西测试。在这项试验中, 当你离开加载头, 那里有一个复杂的应力状态, 一个统一的水平拉应力场将发展。由于混凝土在张力较弱, 这将导致垂直裂缝和分裂的圆筒。从统计研究中, 预计劈裂缸试验将给出 6√f ' c '的拉伸能力。

另一种间接的测试混凝土张力的方法是在四点弯曲试验配置中使用短梁试样。梁的中心部分在恒定力矩和零切变下, 通过弹性理论原理, 可以推导出梁的破坏荷载、几何性质和抗拉强度之间的简单关系。在底部出现裂纹时, 光束会突然失效, 并且没有残余强度。虽然众所周知, 在失败的情况下, 混凝土梁的深度分布并不完全遵循弹性理论, 这种不一致通常被认为对最终结果影响不大。从统计研究中, 光束拉伸试验预计会给出 7.5√f ' c '的拉伸能力。

在混凝土梁试验中观察到的突然和脆性破坏在任何实际应用中都是不可接受的, 在这种情况下, 需要进行至少重力载荷的延性和残余强度。在梁的底部 (或拉伸侧) 加钢筋以防止这种突然的故障;当混凝土开始开裂时, 钢将开始占去拉力。只要有表面变形帮助他们从混凝土中转移力量的钢筋, 这种技术就能有效地锚定。如果像在这里测试的短光束, 这将通过在条形末端提供一个钩子来完成。此外, 由于斜剪裂纹可能发生在梁的中深附近, 一般提供垂直箍筋。最后, 由于钢筋混凝土结构的不确定性质, 很难确切地知道在某一组荷载作用下, 梁的张力和压缩情况。由于这个原因, 酒吧也将被放置在顶部, 导致典型的钢笼, 在大多数梁在钢筋混凝土结构中看到。

在劈裂拉伸试验过程中达到的最大压缩载荷的抗拉强度由以下公式给出:
f_t = 2 pmax/(πDL)
其中 D 为直径 (英寸), L 为长度 (英寸), Pmax 是拉伸试验期间达到的最大压缩载荷 (磅)。对于这些测试, 平均值为 388 psi, 标准偏差为 22.2 psi (表 1)。

测试	psi	P (磅)	psi
1	4780	18456	367.17	5.31
2	4780	20678	411.38	5.95
3	4780	19385	385.65	5.58
		平均 =	388.07	5.61
		圣开发。	22.20	0.32

表1。劈裂拉伸试验结果。

通过以下公式给出了在梁拉伸试验期间达到的最大压缩载荷的拉伸强度:
f_t = P_最大L/(bd²)
其中 d 为深度 (英寸), b 为宽度, L 为长度 (英寸), P_max是拉伸试验期间达到的最大压缩载荷 (磅)。对于在第三点应用负载的情况, 此公式有效。对于这些测试, 平均值为 522.9 psi (表 2)。

测试	psi	P (磅)	psi
1	4780	2675	501。6	7。3
2	4780	2903	544。3	7。9
		平均 =	522。9	7。6
		圣开发。	30.23	0.44

表2。结果进行了光束拉伸试验。

未加筋混凝土梁的荷载挠度曲线如图1 所示。未加筋梁最初可能遵循相同的加载路径, 但一旦发生初始开裂, 就失败了。当初始开裂发生时, 加筋件出现轻微的不连续现象, 当它在开裂的情况下又开始回升时, 刚度略低。当曲线开始平坦时, 负载持续增加直到混凝土开始屈服。但是, 由于钢是非常韧性和应变硬化, 负载将继续轻微增加, 失败将发生在非常大的变形时, 混凝土顶部粉碎。

图 1: 在 (a) 小荷载和 (b) 大载荷 (全曲线) 的无筋 (蓝色) 和增强 (红色) 混凝土梁的荷载挠度曲线的比较。

试验表明, 混凝土的拉伸破坏具有脆性性质, 且抗拉强度仅为抗压强度的1/8 至1/12。这种类型的脆性失效可能会对人类安全造成灾难性后果, 因此所有混凝土结构都需要用钢 (或类似的) 钢筋加固以获得拉力。对未加筋梁的荷载-变形曲线进行比较, 不仅表明后者具有较大的强度, 而且具有较大的变形能力。

混凝土结构的安全和长期性能的关键是在高拉伸和剪切应力的地区提供钢筋。一般而言, 达到这个目标所需的钢材量很小, 按混凝土截面面积的 1%-1.5% 计算。这一小部分意味着混凝土结构可以经济, 安全, 并提供良好的可维护性。此外, 将混凝土投射到任何理想形式的能力给建筑师在开发美观美观的结构上有很大的回旋余地。