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混凝土真三轴试验

作者:四川德翔科创仪器有限公司分享:
一、国内外混凝土真三轴试验概况
        较为系统和全面的混凝土多轴试验始于二十世纪六十年代,尽管受到试验条件和加载设备的限制,仍然获得了许多宝贵的试验数据。国外,混凝土双轴强度的研究来自于H.KUPFER等,他于1 968年进行了应力比恒定的混凝土双轴试验,首次加人了减摩工艺,当双轴压应力之比取0 . 5时,混凝土的双轴强度是单轴强度的1.16倍,达到了最大值。此外他还认为混凝土的双轴拉强度与应力比无关,但与单轴抗拉强度值相等。从此,混凝土的双轴响应研究逐步发展了起来;K. H. GERSTLE与不同国家的多个研究院所进行了混凝土多轴试验,在同一个实验室中,把采用相同材料和相同配比制成的混凝土试块,分配给不同的研究机构,他们各自进行加载试验时,采用的都是相同龄期的试件,这对当时的混凝土研究具有很大的影响力,此外他还和H. KUPFER共同提出了混凝土双轴强度包络线的表达式。从1984年起,J. G.M.VAN MIER就不断地进行复杂应力状态下的三轴加载试验研究,得到的应力应变全曲线中有软化段,该现象引起了学术界的极大关注。M. R.SALAMI等进行了混凝土的多轴试验,重点研究了变形特征,这在一定程度上扩大了三轴试验的研究范围,使得多轴试验受到越来越多的重视。A.HUSSEIN等于2000年得到了三轴和双轴加载下混凝土的应力应变全曲线和相应的破坏形态,采用的混凝土材料包含有普通混凝土、多种设计强度的高强混凝土和轻骨料高强混凝土等,试验结果表明:当应力比为1 .0 时,随着单轴压强度的增大,高强高性能混凝土的相对双轴压强度逐渐减小;当应力比为0.5时,随着单轴压强度的增大,双轴压强度变大。除此之外,双轴应力状态下,高强高性能混凝土的破坏形态和普通混凝土类似。在荷载的不断作用下,试块最终在双轴拉压或者双轴拉试验中出现了一条主拉裂纹,发生了受拉破坏;而在双轴压试验中试块发生了剪切破坏,并在外力的作用下最终发生了片状破坏。S. K. LEE等于2004年进行了混凝土双轴加载试验,主要模拟了核反应堆高压容器的受力状态;T. GABETL等于2007年进行了高围压下的三轴加载试验,采用了 GIGA三轴试验设备,在有侧限的加载路径下,零侧向变形导致了轴向应力应变曲线没有进入到下降段,最终也不存在三轴强度值。2009年,T.HAMPEL等通过高性能混凝土多轴试验,认为高强混凝土和混凝土的双轴强度规律类似:当应力比相等时,相对双轴强度随着单轴强度的增长而逐渐减小。
        国外真三轴试验的发展,激发了国内科研工作对真三轴研究的热情。1982年,清华大学系统地研究了高强混凝土和普通混凝土的强度和变形特性;大连理工大学进行了普通混凝土在定侧压、比例加载、非比例加载、平面应变和平面应力条件下强度、变形和损伤特性的试验研究。除此之外,他们还对湿筛混凝土、高温后的混凝土、大坝混凝土、冻融损伤后的混凝土、碾压混凝土、高强高性能混凝土、大骨料混凝土进行了大量的真三轴试验,研究了它们的多轴力学性能;上海同济大学进行了混凝土双轴加载试验,主要研究了混凝土的二维本构关系;北京交通大学王哲等对混凝土进行了应力路径、应变路径以及混合路径加载下的多轴试验,安明喆等对真三轴加载下活性粉末混凝土的力学特性和应力应变曲线等进行了分析研究;广西大学陈宗平等的常规三轴试验多采用再生混凝土;北方工业大学的何振军等进行真三轴试验的试件取材为再生骨料混凝土;华北水利水电大学和郑州大学系统地研究了真三轴应力下塑性混凝土的力学性能、应力应变曲线和破坏形态等;此外对混凝土进行真三轴试验研究的单位还有三峡大学、河海大学和烟台大学等由以上分析可知,混凝土的多轴试验取材在朝着更多元化、更新材料的方向发展。
 
二、真三轴试验设备
        为了弄清复杂受力状态下结构物的力学特性,就需要做模拟试验,而真三轴仪就是两者之间的桥梁。国外对真三轴设备的研究要早于国内,最早的真三轴仪是瑞典皇家地质学院的学者w .KJELLMAN于1936年所设计的,该三轴仪通过相互垂直的三对压力杆对立方体试块加压,压力杆和试块之间的刚性加载板包裹了试块的所有表面。但是它的制作价格不菲、不能实现自动化,应力输出范围也很小。且在剪切过程中,只要一个方向发生了膨胀,另外两个方向的加荷板就很难跟随;随后美国Colorado大学和日本东京大学共同开发和研制了三轴试验仪,该设备均通过柔性囊内的流体压力来对试样进行加荷,但在过载中依然产生了很大边角效应的主要原因是:压力室的边角处需要预留较大的空隙以便加荷;法国格勒诺布尔大学研制的GIGA三轴设备,可施加的最大轴压和围压分别可达到2.3和0.85 GPa;荷兰埃因霍温理工大学也开发并研制了液压伺服三轴试验仪,三个轴向加载系统之间互不干扰,相互独立; 目前来自美国的MTS型电液伺服试验机被广泛应用于真三轴试验中,并被国内研究机构所引进。
         受研究思路、科技发展水平和科研费用的制约,1980年之前,我国一直缺少对多轴加载设备的设计和研发。直到1984年,清华大学的研究者们经过反复的设计、加工和调试,终于成功研制了国内第一台真三轴仪。虽然该设备还不能实现测量和控制的完全自动化,但它成功填补了国内真三轴仪研发的空白。之后,该设备在配置了“三路比例加载电液控制系统”之后实现了全面自动化,通过各个轴向独立设置的承力架、液压缸和供油管分别向3 个方向加力,随后一直不断地被加工和改进。清华大学结构实验室的NSTRON8506四立柱液压伺服试验机采用了分离式双向加载系统,已被广泛应用于多轴加载试验中,可通过水平方向的封闭加力框架和竖直方向的四立柱试验机独立的向各自方向施加荷载。
基于YEW-5000型四柱压力机,河海大学的汪基伟等也研制了一套三轴加载装置,可进行平面应变试验。竖向的加载可以直接在压力机上完成。相互垂直的两个水平方向由承载框和丝杠组成。在受压方向,过渡板、千斤顶和加载头安装在一端大承载框上,而另一端承载框上装有过渡板、荷载传感器和加载板;受拉方向,装有球铰的受拉压头将一种小承载框和试块连接在一起,而千斤顶装在另一种小承载框和拉力承载框之间。试件的反向拉力就是通
过千斤顶加压时拉力杆的作用完成的。
        三轴加载试验采用真三轴仪,理想的加载状态是:试块的各个表面受力均匀,且没有摩擦力。而实际试验时加荷方式和减摩措施都会存在差异,这就导致了不同程度的边角效应。所以,我们认为边角效应是指利用真三轴仪对试块加压时,减摩措施和加载方式的不同对试块的边角造成的不同于试块内部的影响作用。
上述介绍的各类真三轴试验仪,根据压力室的加荷特性,可分为以下3 类:橡皮囊施加的柔性真三轴仪、刚性板施加的刚性真三轴仪、以及柔性和刚性混合加载的复合型真三轴仪。上述的加荷方式与边角效应有着密切的关系。当3 个方向均采用柔性囊与试块充分接触,通过气压或者液压加载时,主应力作用于加载面上,各面上的应力分布均匀,无明显的边界干扰,边角效应较小;当3 个方向加压时,均采用刚性加载板进行,如果试块尺寸大于加载板的尺寸,就会导致与加载板充分接触的试块表面和内部的应力与无接触的边角的应力不同,从而产生较大的边角效应。此外,上述的LWZ-1000型真三轴仪,由长江科学院研发,虽然采用的加载板是刚性的,但是4 个侧向面的侧压板是错位放置的,这样可以保证在加载过程中试块的各个表面和加载板之间是充分接触的,使其均匀受力,减小边角效应的影响。并且他们还在侧压板和试样面之间贴上厚度为1 mm的夹润滑剂的薄膜,尽量减小试样与压板之间的摩擦。
        边角效应还受减摩措施的影响,而现有的减摩方法都不能达到理想的无摩擦状态。此外,减摩层的刚度一般都小于加载压头的刚度,测量的变形通常会包含减摩层的变形,导致无法获得准确的数据。众所周知,减摩效果越好,摩擦力就越小,进而边角效应也就越小。所以对减摩措施进行研究分析就显得非常必要了。
三、减摩措施
        多轴实验中不采取减摩措施和进行减摩处理所得混凝土强度值差异很大,前者可能是后者的2 倍及以上。因此为了得到可靠的强度值,多轴试验前需要进行减摩处理。国外常见的减摩材料有刷型加载板、钢活塞加载板和柔性加载板等。刷型加载板是由慕尼黑大学发明的,应用比较广泛。但是试件受弯变形后,由于刷型加载板的纵向不能发生变动,也就导致试块受力不均,有约束力的存在;通过对刷型加载板进行改良,西德材料研究所研发了钢活塞加载板。这些减摩方式,虽然在一定程度上降低了试块和加载头之间的摩擦力,但却不能完全消除边角效应的影响,并且制作费用极大、制造工序十分复杂。国内三轴试验中多采用增设减摩垫层来减少与试块之间的摩擦。为了两者之间无约束力,加载最理想的状态是:在外力作用下试块和垫层的横向变形相同,这种情况很难实现。经研究,相关专家还是提出了一种理想减摩垫层的标准:加设减摩垫层的混凝土立方体试块抗压强度,应该与无摩擦约束的棱柱体的抗压强度相等或几乎相等。以此标准来判断不同减摩垫层的减摩效果。
减摩方式各种各样,可单一采用加载钢板或者减摩垫层,也可以将两者结合起来共同达到减摩的效果。为了防止试件产生较大的变形,首先将水平向四个面的侧压板进行错位放置,其次在试样面和侧压板间贴上厚度为1 mm的薄膜,薄膜上涂有黄油和机油的糊状混合物,上述试块侧向的减摩处理方法同样适用于端面。
四、三轴试验中的加载路径
        通过多轴加载试验才能深入研究混凝土的力学行为。多轴加载路径可分为应力路径、应变路径和应力-应变混合路径3 种。应力和应变路径的作用量分别是3 个轴向的应力和3 个轴向的应变,而应力应变混合路径的作用量则是应力和应变的组合。在目前的加载方式中,应力路径加载最为常见,例如固定侧压力加载、偏应力加载、比例加载和应力球量加载等。下面的两种加载方式也可以归入混合加载路径中,例如:J. G. M. VAN MIER[6]的混凝土真三轴试验的加载方式为以恒定的位移速率向主轴加力的同时,保持三个轴向应力呈比例;I. IMRAN等对50 mmX115 mm的圆柱体混凝土试件进行的多轴试验中,围压达到设计值后维持恒定,轴向应力按恒定的位移速率进行试加。应力-应变混合路径加载在真三轴试验中也是相对较少的,
五、真三轴试验下混凝土的破坏形态
        混凝土的破坏形式有多种,主要与加载路径有关。受压试验,不论是双轴拉拉试验,还是三轴拉试验,在试验完成后,可以能清楚地看到一个没有滑动摩擦痕迹的破坏面,该面垂直于拉应力方向,试块最终发生了拉断破坏。而双轴或者三轴拉压和全压缩试验下的破坏形式就相对复杂了,主要有拉断、片状劈裂、柱状破坏、斜剪破坏和挤压流动破坏5 种形式。在真三轴受压加载试验中,斜剪破坏最为常见。混凝土材料本身的性能十分复杂,又受到试验设备、加载方式、减摩措施等的影响,使得斜剪破坏发生的条件会有所不同。双向剪切破坏是斜剪破坏中最不常见的破坏模式,双轴应变比恒定试验中出现了这种破坏模式,斜裂缝出现在两对受压面上,具体破坏形态如下图:
        随着科学技术的不断发展,真三轴试验模拟实际工况,采用的混凝土种类、试块尺寸都越来越多,研究者们对得到的破坏形态和力学性能进行研究,从而建立相应的破坏准则和本构模型。但真三轴试验仍存在一些问题:
1 ) 刚性压头与试块之间的减摩措施不理想。此外在受力加载过程中,随着压力的变化,减摩材料的变形也在变化。在同一轴向的两个压头之间的相对位移中,减摩材料变形占据的比例较大,影响试块变形的测量精度,这种情况可通过对试件外接位移计或外贴应变片的方式进行改善。
2 ) 目前的真三轴试验在加载过程中,都会存在不同程度的边角效应。选择合适的加荷方法,使试块各个面受力均匀。或者选择与压头刚度相同的减摩材料,减少摩擦力,降低减摩垫层参与的变形。这些措施都可以起到减小边角效应的作用。要完全消除边角效应的影响,还需要我们继续研究。
3) 模拟复杂结构物受力的真三轴试验相对较少,使得人们对实际工程的真实受力状态了解不彻底,结构设计过于安全,可能会导致资源浪费,耗时耗力。