混凝土平台巴西圆盘静态力学性能研究

摘要：本试验采用液压万能材料试验机对圆柱体混凝土试件进行静态压缩试验，得出不同混凝土强度圆柱体试块的静态抗压强度平均值。采用SUNS微机控制电子万能试验机对混凝土平台巴西圆盘试件进行静态劈裂拉伸试验，得到了不同强度混凝土荷载-加载点位移（P-U）曲线。根据试验结果，圆柱体混凝土的静态抗压强度越高，试件端的加载载荷越高，静态劈裂抗拉强度以及弹性模量也随之增加。分析平台巴西圆盘在静态加载下的破坏模式，可以看出圆盘中心由于劈裂拉力首先起裂，裂纹分别向上、下加载平台扩展，由此可见平台巴西圆盘避免了圆盘施力点处的高度应力集中而引起试件压碎的不合理破坏模式。

关键词：平台巴西圆盘；抗压强度；抗拉强度；荷载-位移曲线（P-U）

1.引言

混凝土的静态力学性能是混凝土的主要性能指标，是结构设计和施工中的重要依据，它决定着建筑物本身的承载能力。抗拉强度和抗压强度是表征混凝土力学性能的基本参数，但是静态抗拉强度比抗压强度低大约一个数量级，因此在混凝土在实际工程检测应用中，结构构件都是带裂缝工作的或被破坏产生裂缝，而实际裂缝的产生会对结构产生严重的危害，降低建筑物的承载能力，严重者，会影响建筑物的使用寿命。

由于夹持试件困难，测试混凝土的抗拉强度通常采用各种间接方法，巴西试验由于操作简单而被广泛运用[1-3]。国际岩石力学学会（ISRM）推荐巴西圆盘试件测定岩石的抗拉强度，混凝土和岩石同为脆性材料，他们的力学性能测试方法可以相互借鉴。但是该方法会在加载端产生很大的局部压应力而使施力点先被压碎的不合理模式。Guo[4]提出用平台巴西圆盘测定岩石的抗拉强度和断裂韧性，王启智[5]在此基础上进一步提出将两端加载集中力改为均布力以改善加载点的应力集中。本文主要利用平台巴西圆盘对混凝土进行静态压缩试验和劈裂拉伸试验，得出混凝土的劈裂抗拉强度和弹性模量，间接确定混凝土的抗拉强度。为我们在实际结构设计和结构加固工作中提供实验分析。

2.巴西圆盘试件

本文共配制三种不同强度（分别为C25，C35，C45）的混凝土试件，混凝土压缩试验试件尺寸为φ74mm×74mm，劈裂拉伸试验试件尺寸为φ74mm×30mm，图2.1为中心角为20o的混凝土平台巴西圆盘试件几何参数示意图。为了减小试件平面不平整度对试验结果的影响，首先采用大理石切割机将其加工成型，再利用打磨机将试件端面打磨平整。

本文将完成以下试验：圆柱体混凝土的静态压缩试验；平台巴西圆盘静态劈裂试验，为减少试件不平整度和骨料分配不均匀性而导致试验数据的变异性，每种条件下试件的个数取6个。

3 巴西圆盘准静态试验研究

3.1 圆柱体混凝土静态压缩试验

我国采用立方体强度体系，但在实际中检验结构物强度时需要钻取芯样，仍然要测定圆柱体试件的抗压强度，对现场取芯的非标准试件，需利用尺寸修正系數，转化成为标准圆柱体抗压强度。大量试验表明，标准圆柱体试件抗压强度（长径比为2）与标准立方体试件强度基本上是一致的。

本试验采用液压万能材料试验机对圆柱体混凝土试件进行静态压缩试验，每种强度等级的试件数量均为6个，得出不同混凝土强度圆柱体试块的静态抗压强度平均值示于表2.1。

3.2 巴西圆盘静态劈裂拉伸试验

采用SUNS微机控制电子万能试验机对混凝土平台巴西圆盘试件进行静态劈裂拉伸试验，试验加载速率为0.002mm/min，试验装置如图2.2所示。

式中为压缩应力；为拉伸应力；D，T分别为圆盘试件的直径和厚度；r为加载点到微单元的距离；P为圆盘破坏的极限荷载。圆盘拉伸强度可以把试验中所测的最大荷载带入公式（2）中计算得到。本文取拉应力为正。为了改善加载端的应力集中，本文采用中心角为20o的平台巴西圆盘，此圆盘可以避免出现加载点先破坏的不合理模式，并且可以保证试件中心起裂。由于试件的几何形状发生了改变，加载直径上对应点的应力状态也随之改变，文献[6]得到了中心角为20o的平台巴西圆盘的拉伸强度公式：

4 巴西圆盘静态力学性能及破坏模式分析

4.1 静态劈裂拉伸强度及弹性模量

用控制试验机加载平板位移速率的方式，得到了不同强度混凝土荷载-加载点位移（P-U）曲线，如图2.4所示。

将荷载峰值Pc带入公式（3）可以得到圆盘的静态劈裂抗拉强度。由图2.4可以看出，混凝土强度等级越高，P-U曲线中的荷载峰值越大，且荷载峰值对应的位移值也相应增大。

式中P为分布力的合力，T为圆盘厚度，为泊松比，本文取泊松比为0.3，E为弹性模量，为加载角的一半。静态弹性模量和静态抗拉强度计算结果见表2.1所示，表2.1中已经去除了试验中不合格的巴西圆盘试块。由表2.1的数据可以得出，圆柱体混凝土的静态抗压强度越高，试件端的加载载荷越高，静态劈裂抗拉强度以及弹性模量也随之增加。

4.2 巴西圆盘静态破坏模式分析

C45混凝土试件的破坏模式如图2.6所示，圆盘中心由于劈裂拉力首先起裂，裂纹分别向上、下加载平台扩展，由此可见平台巴西圆盘避免了圆盘施力点处的高度应力集中而引起试件压碎的不合理破坏模式。

骨料的分布对裂纹的走向有一定的影响，即裂纹扩展的曲折性是由于材料不均匀性所引起的，这样就增加了裂纹产生及扩展的随机性。另外，试件制作过程中，加载平台要打磨平整，否则对试验结果有很大的影响，试验机加载平板在下移的过程中，上、下端加载平台不平整容易产生应力集中而出现压碎的现象。

5. 结论

本章对三种强度等级的混凝土进行了静态压缩试验和静态劈裂拉伸试验，得到了圆柱体混凝土的静态抗压强度的平均值及荷载-加载点位移（P-U）曲线，由巴西圆盘理论公式计算其劈裂抗拉强度和弹性模量，分析了试验结果中巴西圆盘静态破坏模式。本章得出的结论如下：

（1）本文计算了无切槽平台巴西圆盘静态力学参数，从试验数据中可以得出，混凝土强度等级越高，巴西圆盘试块静态劈裂抗拉强度及弹性模量也越高。

（2）平台巴西圆盘静态劈裂试验破坏模式表现为，试块中心首先出现裂纹，随后裂纹上下延伸，直至完全断裂，另外，骨料分布对裂纹扩展也有一定的影响。

参考文献：

[1] 混凝土结构设计规范《GB50010-2010》

[2]. 张盛， 何江达与王启智， 用圆孔平台巴西圆盘确定岩石拉伸强度的非局部应力方法[J]. 应用力学学报， 2008（03）.

[3]. 尤明庆与苏承东， 平台圆盘劈裂的理论和试验[J]. 岩石力学与工程学报， 2004（01）.

[4]. 苏碧军与王启智， 平台巴西圆盘试样岩石动态拉伸特性的试验研究[J]. 长江科学院院报， 2004（01）.

[5]. Guo H， Aziz NI： A Simple Method of Measuring Rock Fracture-Toughness Using the Brazilian Test Method[J]. 11th International Conference on Ground Control in Mining - Proceedings 1992：600-611.

[6]. Wang QZ， Xing L： Determination of fracture toughness K-IC by using the flattened Brazilian disk specimen for rocks[J]. Engineering Fracture Mechanics 1999， 64（2）：193-201.

[7]. 王启智，贾学明.用平台巴西圆盘试样确定脆性岩石的弹性模量、拉伸强度和断裂韧性—第一部分：解析和数值结果[J].岩石力学与工程学报，2002，21（9）：1285～1289.

【作者简介】 吴渊（1981～） 男（汉族），安徽太和人，工程师， 长期从事结构设计及结构检测工作。