混凝土劈裂抗拉试验方法变化对测试结果的影响分析

王少江，沈元信，陈改新，张峰华

(1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.水利部水工程建设与安全重点实验室，北京 100038；3.青海黄河上游水电开发有限责任公司工程建设分公司，青海 西宁 810000)

测试混凝土劈裂抗拉强度的目的在于推算轴心抗拉强度。由于方法简单易行，试验结果比较可靠，劈裂试验方法得到了广泛的使用。有关文献表明[1]，轴心抗拉强度σl在理论上应为劈裂抗拉强度σpl的(1+3μ)或(1+μ)(1+2μ)倍，μ为混凝土泊松比。但是，由于具体测试方法的差异和其他因素的影响，导致σl/σpl在0.7～1.3之间变化[1-8]。

文献[1]表明，采用不同的垫条对σl的影响相当大。垫条尺寸越大，测得的劈裂抗拉强度越大。一般认为，垫条尺寸和形状不应影响劈裂试验的加荷假定——对试块施加均匀的线性荷载。垫条尺寸过大时，试块可能不是劈裂破坏而是在垫条下面产生“压力柱”或剪切应力导致压柱破坏或剪切破坏。

在SL 352—2006《水工混凝土试验规程》的修订过程中，发现DL/T 5150—2001《水工混凝土试验规程》[9]劈裂试验采用截面5mm的方垫条，修订后的DL/T 5150—2017[10](2018年3月1日实施)的劈裂方法基本与GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》[11](2019年12月1日实施)相同，采用半径75 mm弧形垫块，并增加木质三合板或硬质纤维板垫板(条)。该项改动使得进行劈拉试验时，垫块与混凝土试块的接触形式完全改变。这些改变对劈拉抗拉强度试验过程和结果会造成什么样的影响呢？我们对此进行了验证试验，以决定是否对SL 352—2006的劈裂试验方法进行修改。

1 试验原材料和设备

(1)混凝土原材料：采用某水电工程的中热硅酸盐水泥、Ⅰ级粉煤灰、萘系高效减水剂、引气剂、河砂、二级配碎卵石等。

(2)混凝土试块：强度等级C30，含气量5%～6%。检测3d、7d、28d、90d四个龄期，每个龄期成型5个边长150 mm的标准尺寸立方体试块。

(3)试验机：采用日本岛津UH-FX1000kN高精度液压万能试验机。

(4)垫条和垫块：采用含5mm宽垫条的夹具，和半径75 mm弧形垫块。

2 试验过程

到达测试龄期后，从一批试块中，随机选取5个用5mm宽方垫条、5个用半径75mm垫块分别进行劈裂试验。设定试验机的加载速度统一为0.08MPa/s，荷载、位移采样时间间隔为10ms。

首先按标准要求在待测试块上画线，准确定出劈裂面的位置，然后将试块装载到试验机上。由于两种垫块均不能直接将试块放平，在压实前，需手扶试块对准，当上压头与试块接近时，调整球座使试块受压均匀，压实后即可松手。

在每个试块的试验结束后，记录裂缝情况，用卡尺测量压痕深度、宽度等。采用垫块和垫条在试块上的典型压痕和破坏情况如图1所示。相对而言，采用5mm宽方垫条时，更容易将试块劈开为两半，而采用弧形垫块时试块出现裂缝即自动结束试验。

图1 劈裂试验试块破坏情况

3 试验结果及分析

3.1 测试数据均匀性

为了减少混凝土不均匀性对试验结果的影响，每个龄期成型了5个边长150 mm的标准尺寸立方体试块，对每组5个测试数据的均匀性分析见表1。

表1 劈裂测试结果均匀性分析表

从表1测试结果均匀性分析结果可见，5mm方垫条的测试结果离散性比较大，劈拉强度变异系数为10%左右。而半径75mm垫块的测试结果离散性随混凝土强度提高而降低。这应该与两种劈裂方式导致的混凝土破坏形式不同有关，压劈破坏的数据离散性小于纯劈裂破坏。

3.2 劈拉强度

在计算劈拉强度时，去掉测试值的最大值、最小值后，取其余3个数据的平均值作为试验结果，劈拉强度试验结果见表2。

由表2劈拉强度试验结果可以看出，使用半径75mm垫块测得的劈拉强度比使用边长5mm方垫条测得的劈拉强度平均高约20%，差别明显。

表2 劈拉强度计算结果

3.3 加荷时间、压头行程及平均速度

试验时采用恒应力加荷方式，试验机设定的加载速度为0.05MPa/s，对150mm边长立方体时间加荷速度约为1.15kN/s。由于试块强度的不同，劈裂件在试验机压头作用下侵入混凝土的速度是不同的。选取的试验机入口力1kN以上的、每组5个试块的平均加荷时间、平均压头行程及平均速度统计结果见表3。

加荷过程中，试验机压头行程随加荷时间的变化如图2所示(以下各图均取90d龄期一个试块的自动记录数据)。压头行程为压力机上下压板间距离变化的总行程。在不考虑混凝土试块本身压缩变形的条件下，对边长5mm方垫条而言，上下垫条侵入混凝土试块的深度为压头行程的一半；对半径75 mm弧形垫块而言，压头行程由于包含了垫片的变形，压板顶部压入混凝土试块的深度应稍小于压头行程的一半。

由表3 和图2可见，采用半径75mm垫块的加荷时间、压头行程明显长于采用边长5mm方垫条的加荷时间和压头行程，平均多用时24%，侵入混凝土的深度也多24%。如图3所示，加荷早期，压头行程1.5、1.9mm以前施加在混凝土试块上的荷载增加很慢，其后荷载—压头行程基本以正比关系增加，直至试块开裂破坏。

图3 试验机加荷随压头行程的变化

表3 劈裂试验加荷时间、压头行程及平均速度统计

图2 试验机压头行程随加荷时间的变化

3.4 压痕深度、宽度及接触面积

每个试块劈裂试验后，都观测和记录了压痕深度、宽度等，结合试验机自动记录的压头行程数据，分析了压痕深度、宽度及接触面积等，汇总见表4。其中压痕深度取压头行程的一半。

表4 劈裂试验压痕深度、宽度及接触面积

对于5mm方垫条，其与混凝土试块的接触宽度是不变的，与压痕深度无关；而对于半径75 mm弧形垫块，接触面宽度、接触面面积随着压痕深度增大而增加，垫片(胶合板或硬质纤维板)的影响不大，尤其是混凝土强度较高时。垫块、垫条与混凝土试块接触面积随加荷时间的变化如图4所示。

图4 垫块、垫条与混凝土试块接触面积随加荷时间的变化

由图4可知，边长5mm方垫条与混凝土试块的接触面积恒定为750mm2，在试验过程中，上下垫条之间处于双向受压状态的混凝土体积不变，施加在劈裂面上的力是基本恒定的。而半径75mm弧形垫块在加荷后1s左右接触面积急速增加到3100mm2；1.3s时增加到3500mm2；其后增加缓慢，最终达到5300mm2以上。

如图5所示，在绝大部分加荷过程中，垫块与混凝土试块的接触面积是5mm垫条的6倍多，因此同样荷载时接触面压强只有1/6，导致了表3中的较长加荷时间和较大压头行程等情况。

图5 垫块、垫条与混凝土试块接触面压强随荷载的变化

4 结论

(1)使用半径75mm垫块测得的劈拉强度比使用边长5mm方垫条测得的劈拉强度高20%左右，差别明显。

(2)在对SL 352—2006的修订中，继续使用5mm垫条形式，试验人员应注意所得劈裂试验结果与DL/T 5150—2017、GB/T 50081—2019有较大的差异。

(3)采用垫块进行劈裂试验时，应重新对比测定劈裂抗拉强度与轴心抗拉强度的转换系数。相关从业人员需注意到劈裂方法变化对混凝土结构设计尤其是质量评定的影响。