混凝土轴心抗拉试验方法研究

许家文 山西省建筑科学研究院，太原 030001

基于普通混凝土衍生出较多的新型混凝土，如钢纤维混凝土、保温混凝土、再生混凝土、轻骨料混凝土等高性能混凝土。在对这些新型混凝土的力学性能进行研究时，需对其抗压强度、抗拉强度及抗压、抗拉弹性模量和其他性能进行测试及分析。在实际试验过程中，并未有相关规范要求使用某种轴心抗拉试验方法及相关指导供试验者参考。因此国内外相关试验人员自发进行研究，得到一系列轴心抗拉试验方法，本文即对大多数轴心抗拉试验方法进行介绍，并对其优缺点进行分析。

1 素混凝土轴心抗拉试验的方法

目前在国内外素混凝土轴心抗拉试验中使用率较高的方法主要有混凝土端部粘钢法、混凝土端部侧面钢板夹持法、混凝土端部预埋钢棒法、混凝土变截面法和混凝土支架法等。

1.1 端部粘钢法

（1）全截面粘钢法

端部全截面粘钢法是在混凝土棱柱体或圆柱体端部粘贴一定厚度钢板的方法，粘钢法示意图如图1（a）所示。粘贴钢板时将混凝土试件端部凿毛处理，并对凿毛后的部位进行清除浮浆处理，在钢板与混凝土接触面之间涂抹粘钢胶或其他高强度胶，有效连接钢板与混凝土。一端加载端粘合凝固后粘贴另一加载端，粘贴时将钢板上部加载端钢棒与下部钢棒严格对中，确保上下加载端钢棒位于同一直线内，使其加载时构件受力均匀，使用万能试验机或拉力试验机进行抗拉性能试验。

图1 端部粘钢法示意图

（2）变截面粘钢法

变截面粘钢法是将混凝土试件中部一段范围内截面变小处理（如图1（b）所示），以免钢板与混凝土粘结力小于混凝土抗拉力而在粘胶位置处拉开，试验方法同全截面粘钢法相同。

1.2 侧面钢板夹持法

侧面钢板夹持法是使用三个钢板和钢棒焊接，在侧面钢板两侧开孔贯穿螺栓。制作完成后将所焊接好的钢箍套在混凝土上下加载端，使用高强螺栓将混凝土与钢箍固定，加载受力时通过螺栓的紧固力和钢板与混凝土的摩擦力进行传递，钢箍与混凝土的连接及加载示意图如图2所示。固定钢箍时，上下钢箍的加载端钢棒应确保在同一直线上，使用万能试验机或拉力试验机进行抗拉性能试验。

图2 侧面钢板夹持法示意图

1.3 八字模法

八字模法是使用铸铁制作成两个开口椭圆形加载、紧固端，同样试块制作时将试块两端制作呈椭圆形端部，如图3所示。试验时，将制作好的加载、紧固端套在特制试块端头，将两端加载用钢棒对中后即可使用万能试验机或拉力试验机进行抗拉性能试验。

1.4 内埋法

内埋法是在混凝土试块内预埋螺纹钢筋的方法，具体制作时是在混凝土试块入模时，在模具两端中心预留孔洞，将钢筋预埋在试块内，钢筋另一端伸出模具作为加载端使用，具体如图4所示。待混凝土试块达到龄期后使用万能试验机或拉力试验机对其进行抗拉性能试验。

1.5 变截面法

变截面法是指在进行抗拉性能试验时，无需配套使用其他附加设施而根据试块形状直接进行试验的方法。具体制作时，根据万能试验机或拉力试验机的上下加载端的锲型形状而将抗拉试块的形状设计成与试验机形状相同的形状进行试验。试验时，将拉力试验机夹持端的紧固设备拆除，将根据锲型形状及大小相同的混凝土试件安装于锲型槽内，直接对其进行加载试验。

图3 八字模法示意图

图4 内埋法示意图

图5 变截面法示意图

2 各试验方法的优缺点及适用范围分析

2.1 端部粘钢法

（1）全截面粘钢法

使用端部粘钢法进行混凝土轴心抗拉试验时，经常遇到混凝土试件在钢板与混凝土胶界面断裂，从而导致试验失败。进行钢板与混凝土粘合时，由于需对钢板上下端部所焊接钢棒进行对中，而在实际操作过程中由于人为因素极易使上下钢棒发生错动。或在试验时由于试验机上下夹持端不在同一竖向平面内，导致试验时混凝土试块受到钢棒不对中或试验机夹持端不对中影响而产生相应的剪应力，此时所测到的抗拉强度可能比混凝土实际轴心抗拉强度低，最终导致所测得的试验数据离散性较大。这种试验方法所使用的附加设备较少，因此进行试验时花费较少，所使用的加载端钢板可重复使用，制作方法简单，加载时试块受力均匀，但试验成功率较低，适用于大学本科教学中演练混凝土轴心抗拉试验。

（2）变截面粘钢法

变截面粘钢法是对全截面粘钢法中的混凝土试块的形状进行改变，将棱柱体试块改为哑铃型试块。在制作试块时需对试块模具进行设计，可将变截面位置处设计为突变截面和缓坡变截面，图1（b）示意图中的变截面试块即为突变截面试块，在对这种变截面试块进行轴心抗拉试验时，经常在变截面处发生断裂，并未达到理想状态。这是由于在加载时综合上下加载端钢棒不对中和试块截面突变因素，加载时易在变截面位置处产生应力集中现象，并且变截面位置混凝土不仅受轴向拉应力，同时还产生部分剪切分应力，导致在此部位发生断裂。缓坡变截面法是变截面处增加一段呈坡度变化的混凝土，此时加载受力时混凝土变截面处的剪应力相对减小，可减少加载时在变截面处发生破坏，试验效果较好。

2.2 侧面钢板夹持法

侧面钢板夹持法是在混凝土试块的两个非浇筑面用焊接好的钢板进行加持，两侧钢板使用螺栓对混凝土进行紧固，施加荷载时要通过螺栓的紧固力和钢板与混凝土的摩擦力进行传递。使用这种方法进行混凝土轴心抗拉试验时，关键技术点在于上下加载端钢板与钢棒完全相同，安装混凝土试块时试块与两侧钢板的缝隙＜1mm，并且试块位于钢板的几何中心位置，对焊接钢板的制作精度要求较高。进行实验时，试块受力均匀，荷载从混凝土上部通过试块长度方向向下传递，大多数试块破坏时断裂位置在试块中部，可达到良好的试验效果，适合高校及科研单位进行非纤维类混凝土抗拉强度及受拉弹性模量曲线上升段测试，对纤维类混凝土的残余抗拉强度及受拉弹性模量全曲线进行测试，并且测试结果较为理想。

2.3 八字模法

八字模法进行混凝土抗拉性能试验的方法是根据砂浆抗拉强度所用的八字模法衍生而来，这种方法的原理同侧面钢板夹持法类似，受力时均通过侧面钢板将荷载从混凝土试块侧面向下传递。施加荷载后试块与模具呈拉扯状，当试块受到向下的运动趋势时，模具侧面钢板由于自身抵抗刚度变化而产生反向推力。使用这种方法测试混凝土轴心抗拉强度效果良好，适合高校及科研单位进行非纤维类混凝土抗拉强度及受拉弹性模量曲线上升段测试，对纤维类混凝土的残余抗拉强度及受拉弹性模量全曲线进行测试，并且测试结果较为理想。制作八字模和试块用模具时，由于其外形不规则，因此制作时需在相关钢材厂进行预定和浇筑，小批量单独制作这种模具的成本较高。

2.4 内埋法

内埋法是在混凝土两端预埋钢筋进行试验。预埋钢筋时，钢筋在混凝土内的长度应根据该直径钢筋在混凝土内的锚固力进行计算，当钢筋在混凝土中一定长度内的锚固力大于混凝土抗拉强度时则可使用此长度作为钢筋在混凝土内预埋的长度。而在实际试验时，对于新型混凝土的锚固力进行计算时，需根据混凝土的抗压强度推定锚固力，从而才能确定锚固长度。因此对新型混凝土进行抗拉性能试验首先需对抗压强度和钢筋粘结锚固性能试验后才能进行下一步抗拉性能试块的制作和试验，从而影响试验周期。制作轴心抗拉试块预埋钢筋时，上下钢筋应严格对中和位于同一水平面上，从而确保试验结果的精确性，以免由于偏心受拉而导致混凝土内产生部分剪应力。

2.5 变截面法

变截面法是将混凝土试块端部制作成异形端部，对试验机夹持端夹紧部位拆除，恰好将异形端部放在试验机卡槽内进行拉力试验，若试验机卡槽与试块接触不严密时，使用补平砂浆进行填补。使用这种方式试验时，试验成本最低，无需在试块端部施加其他装备，仅需制作特制模具浇筑异形试块。加载时通过试验机的加载端向上移动而使混凝土试块产生拉应力，最终使混凝土试块达到受拉破坏而断裂。

3 配筋类混凝土轴心抗拉试验方法

配筋类混凝土由于在混凝土内配置纵向钢筋，因此在进行抗拉性能试验时，钢筋混凝土内有钢筋和混凝土共同受力，因此其抗拉强度远高于素混凝土强度。此时，若采用端部粘钢法进行抗拉性能试验，则粘贴钢板与混凝土端部胶结面由于强度远小于钢筋混凝土试件的抗拉强度而在胶结面或偏下部素混凝土位置处开裂，而导致试验失效；使用侧面钢板夹持法进行试验时，螺栓紧固强度和摩擦力小于钢筋混凝土试件的抗拉强度时，则需对钢板进行加厚和螺栓直径增大处理，避免试验时试件在模具内滑出；使用八字模法对钢筋混凝土试件进行抗拉性能试验时的处理方法同侧面钢板夹持法基本相同；使用内埋法对钢筋混凝土进行抗拉性能试验时需将加载端钢筋与钢筋混凝土试件内部钢筋进行有效焊接，同时增加加载端钢筋直径，以免加载时钢筋混凝土试件不破坏，而加载端钢筋达到屈服直至破坏；使用变截面法对钢筋混凝土进行抗拉性能试验时需增加加载端头处混凝土的配筋率，以免端头处混凝土因侧向分力较大而被压裂或压碎，从而影响钢筋混凝土轴心抗拉数据的准确性；当混凝土部分因受拉而失效时混凝土内钢筋还可继续受力，因此对钢筋混凝土进行抗拉性能测试时无需使用支架法进行试验。