加荷速度對混凝土環(huán)箍效應(yīng)的影響

任 旭 倪振強(qiáng)

（聊城大學(xué) 建筑工程學(xué)院）

0 引言

“環(huán)箍效應(yīng)”是加載平面與混凝土接觸面的摩擦對試件的橫向膨脹的一種約束作用。混凝土試件在壓力機(jī)上受壓時，會發(fā)生橫縱兩個方向的變化。試件一方面按泊松比效應(yīng)產(chǎn)生橫向膨脹的同時，也會隨著加荷的方向發(fā)生縱向變形。由于混凝土的橫向膨脹程度要大于鋼制壓板的橫向膨脹程度，因而在壓板與混凝土試件的受壓面會形成摩擦力，從而對試件的橫向膨脹起著約束作用，這種約束作用被稱為“環(huán)箍效應(yīng)”。

在試驗過程中，混凝土立方體被壓縮時，壓板與試件表面會不可避免地出現(xiàn)摩擦產(chǎn)生的因素以及摩擦作用，起到約束試件的橫向變形的作用，進(jìn)而形成“環(huán)箍效應(yīng)”，這種現(xiàn)象往往對試驗結(jié)果的精度產(chǎn)生重要的影響，而目前就“環(huán)箍效應(yīng)”對抗壓試驗影響方面的研究較少。而研究加荷速度對環(huán)箍效應(yīng)的影響可以更好地把握混凝土試件的抗壓性能。環(huán)箍效應(yīng)據(jù)理論以及試驗證明真實地影響著混凝土試件的抗壓強(qiáng)度實測值，而且它對混凝土試件的應(yīng)變可以產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。通常情況下環(huán)箍效應(yīng)的影響作用會使得混凝土試件的實測強(qiáng)度得到提高，破壞形式主要傾向于側(cè)向斷裂破壞。環(huán)箍效應(yīng)對混凝土抗壓強(qiáng)度有提高作用，離壓板越遠(yuǎn)，環(huán)箍效應(yīng)越小[1-2]。加荷速度對混凝土試件的強(qiáng)度影響很大，加荷速度過快，材料來不及充分變形，造成試驗結(jié)果偏高；反之，材料受荷過程中，裂縫充分?jǐn)U展，試驗結(jié)果偏低。

本試驗通過貼應(yīng)變片分析應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，可以較為清晰準(zhǔn)確地觀察到加荷速度對不同的養(yǎng)護(hù)時間的試塊在環(huán)箍效應(yīng)的影響下抗壓強(qiáng)度的改變，從而分析出加荷速度對環(huán)箍效應(yīng)的影響。該試驗利用了靜態(tài)應(yīng)變儀，靜態(tài)應(yīng)變儀是測量隨時間而變化的應(yīng)變，將應(yīng)變的動態(tài)過程記載下來，因而過靜態(tài)應(yīng)變儀測量應(yīng)變的方法對試驗的過程進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，后期再對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，證明環(huán)箍效應(yīng)的存在和此前假定的試件表面微元體的受力形式。

1 試驗內(nèi)容

1.1 試驗原料及設(shè)備

試驗所用混凝土的試件為標(biāo)準(zhǔn)混凝土立方，尺寸為150mm×150mm×150mm，試驗所用混凝土試件設(shè)計強(qiáng)度等級為C25，水泥采用的是普通硅酸鹽水泥P.O42.5。混凝土試件的水泥、水、砂、石子配合比為1.00:0.60:2.30:3.30，其中石與小石的比例為6:4。試驗設(shè)備：使用DH3818Y 靜態(tài)應(yīng)變儀對應(yīng)變信號進(jìn)行采樣，把采集來的信號通過以太網(wǎng)或USB 等先進(jìn)的即插即用的通訊方式送到上位機(jī)電腦采集控制軟件中進(jìn)行顯示和分析；四立柱油壓機(jī)，壓機(jī)具有可靠的結(jié)構(gòu)剛度抗變形能力，壓排設(shè)置模具吊裝連接裝置，液壓站和壓排有可拆裝的防塵機(jī)蓋。

1.2 試驗方法

在試件的制作過程中，在機(jī)械攪拌機(jī)里倒入水泥、砂、石子進(jìn)行干拌，干拌均勻后加入預(yù)先設(shè)定好的水再進(jìn)行二次攪拌，攪拌時間不應(yīng)超過10min，攪拌好后的混凝土分兩次裝填入刷好油的不銹剛模具中并進(jìn)行兩次鋼筋插搗，每次插搗大約25 下，并在振動臺上振搗密實并貼好塑料薄膜，于48h 后脫模，做出15 個試塊浸水養(yǎng)護(hù)，每5 個為一組分別養(yǎng)護(hù)時長為3d、7d、28d。待到養(yǎng)護(hù)相應(yīng)的時間后拿出試樣用抹布擦拭表面水分并等其自然風(fēng)干后，橫向的應(yīng)變片等間距間隔三厘米貼置一片，共貼置五處，且與水平線保持平行；豎向應(yīng)變片垂直于水平線貼置于混凝土立方的幾何中心處。見圖1。

圖1 應(yīng)變片的位置圖

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 壓力機(jī)數(shù)據(jù)分析

本試驗設(shè)立了三組養(yǎng)護(hù)時間（3d、7d、28d）的試件，觀察不同加荷速度下的混凝土試件的單軸受壓情況，這樣呈現(xiàn)出的三組試驗現(xiàn)象可以充分地表明加荷速度對混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體試件由彈性階段到達(dá)塑性階段時間上的顯著影響，而且不同的加荷速度改變了混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體試件所能承受的荷載峰值，即加荷速度改變了原本應(yīng)有的抗壓極限，對環(huán)箍效應(yīng)起到了不可忽視的影響。見表1。

表1 荷載峰值

綜合分析可知：隨養(yǎng)護(hù)時間的增長，試件所能承受的極限荷載變大。當(dāng)加荷速度逐漸增大時，試塊達(dá)到破壞階段的時間加快，且當(dāng)加荷速度增大的同時混凝土試件能承受的極限荷載也隨之增大，由此可見加荷速度越快對混凝土環(huán)箍效應(yīng)的影響越大，原因是加荷速度過快，材料來不及充分變形，造成試驗結(jié)果偏高。

2.2 應(yīng)變儀數(shù)據(jù)分析

2.2.1 養(yǎng)護(hù)3d 各加荷速度下的試件不同位置處的應(yīng)變片數(shù)據(jù)分析

分析3d 養(yǎng)護(hù)時間下的混凝土試件在不同的加荷速度作用下對環(huán)箍效應(yīng)的影響，當(dāng)加荷速度分別為0.3MP/s、0.6MP/s、1.0MP/s 時對應(yīng)的近似于線彈性的變化分別出現(xiàn)在16s、12s、6s 之前，并且較為規(guī)律。見圖2。

圖2 養(yǎng)護(hù)3d 各加荷速度應(yīng)變時間關(guān)系曲線

分析(a)圖像：各部位的應(yīng)變大約在3s 左右開始有規(guī)律地線性變化，其中一到五號應(yīng)變片為橫向應(yīng)變片，受力特點應(yīng)為受拉；六號應(yīng)變片為縱向應(yīng)變片，其受力特點應(yīng)為受壓。其中二號（鄰近中間部位）橫向應(yīng)變片最先開始出現(xiàn)較大的應(yīng)變其值為2.90×10-4。端部一號以及五號橫向應(yīng)變片在試塊臨近破壞前均在橫坐標(biāo)軸上下微小浮動。由此可知，靠近端部的環(huán)箍效應(yīng)較為明顯并且作用很強(qiáng)，使得端部處的應(yīng)變片出現(xiàn)了短暫受壓并且減緩了受拉破壞的發(fā)生；而中間位置的環(huán)箍效應(yīng)對試塊影響不大，其變形較為符合彈性階段的特點。

分析(b)圖像：四號（鄰近中間部位）橫向應(yīng)變片最先出現(xiàn)較大的應(yīng)變，其應(yīng)變最大值為1.32×10-3，靠近混凝土立方端部的一號及五號橫向應(yīng)變片在符合線彈性階段的時間內(nèi)的橫向線應(yīng)變均趨向于零。由此可知環(huán)箍效應(yīng)是真實存在的，并且時刻影響著試件的抗壓強(qiáng)度，從而保證了端部的應(yīng)變片在單軸受壓初期的拉應(yīng)變極小甚至為零。但中間位置的三號橫向應(yīng)變片出現(xiàn)了略微不同的受壓變形，初步判斷此現(xiàn)象應(yīng)當(dāng)是粗細(xì)骨料分布不均勻所導(dǎo)致。

分析(c)圖像：三號（中間部位）橫向應(yīng)變片最先出現(xiàn)較大的應(yīng)變，其值為9.00×10-5。而靠近混凝土立方端部的一號及五號橫向應(yīng)變片在符合線彈性階段的時間內(nèi)的橫向線應(yīng)變均趨向于零，由此可知環(huán)箍效應(yīng)是真實存在的，并且提高了試件的抗壓強(qiáng)度，同時也使得端部的應(yīng)變片在單軸受壓某個時期的應(yīng)變?yōu)閴簯?yīng)變。

2.2.2 養(yǎng)護(hù)時間為7d 的各加荷速度下的各試件數(shù)據(jù)分析

分析7d 養(yǎng)護(hù)時間下的混凝土試件在不同的加荷速度作用下對環(huán)箍效應(yīng)的影響，當(dāng)加荷速度分別為0.3MP/s、0.6MP/s、1.0MP/s 時對應(yīng)的近似于線彈性的變化分別出現(xiàn)在17s、14s、5.7s 之前，并且較為規(guī)律。見圖3。

圖3 養(yǎng)護(hù)7d 各加荷速度應(yīng)變時間關(guān)系曲線

分析(a)圖像：一號橫向應(yīng)變片出現(xiàn)了壓應(yīng)變1.16×10-4，其值甚至超越六號縱向應(yīng)變片受壓值9.60×10-5，且五號橫向應(yīng)變片也出現(xiàn)了類似于一號應(yīng)變片的壓應(yīng)變數(shù)值5.80×10-5，而中間位置應(yīng)變片的數(shù)值為拉應(yīng)變8.00×10-6。此組試驗數(shù)據(jù)與其他數(shù)據(jù)略有不同，結(jié)合端部一號應(yīng)變片出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的受壓破壞，據(jù)此分析造成此現(xiàn)象的原因應(yīng)當(dāng)是粗細(xì)骨料分布不均勻所導(dǎo)致，亦可能是加荷速度過小導(dǎo)致環(huán)箍效應(yīng)作用顯著。

分析(b)圖像：三號橫向應(yīng)變片最先出現(xiàn)較大的應(yīng)變1.08×10-4。靠近混凝土立方端部的一號和五號橫向應(yīng)變片在整個單軸受壓狀態(tài)下破壞前的橫向線應(yīng)變均近似于零。

分析(c)圖像：三號橫向應(yīng)變片最先出現(xiàn)較大的應(yīng)變7.00×10-4。此組數(shù)據(jù)均無異常，但端部一號和五號應(yīng)變片的數(shù)值大于靠近中間的四號橫向應(yīng)變片。且該加荷速度下的上端部一號的橫向線應(yīng)變一直處于較大值。由此可知環(huán)箍效應(yīng)真實地影響著混凝土試件的抗壓強(qiáng)度實測值，但在此加荷速度（1.0MP/s）下可能由于材料來不及充分變形，導(dǎo)致環(huán)箍效應(yīng)并不明顯。

2.2.3 養(yǎng)護(hù)時間為28d 的各加荷速度下的各試件數(shù)據(jù)分析

分析28d 養(yǎng)護(hù)時間下的混凝土試件在不同的加荷速度作用下對環(huán)箍效應(yīng)的影響，當(dāng)加荷速度分別為0.3MP/s、0.6MP/s、1.0MP/s 時對應(yīng)的近似于線彈性的變化分別出現(xiàn)在40s、24s、14s 之前，并且較為規(guī)律。見圖4。

圖4 養(yǎng)護(hù)28d 各加荷速度應(yīng)變時間關(guān)系曲線

分析(a)、(b)圖像：三號橫向應(yīng)變片均最先出現(xiàn)較大的應(yīng)變，最大值分別為8.40×10-5、1.97×10-4，端部一號、五號應(yīng)變片出現(xiàn)了壓應(yīng)變。且端部一號、五號橫向應(yīng)變片在單軸受壓狀態(tài)下破壞前的橫向線應(yīng)變均為壓應(yīng)變，此加荷速度下中間的三號應(yīng)變片的橫向線應(yīng)變一直處于較大值。

分析(c)圖像：五號橫向應(yīng)變片最先出現(xiàn)較大的應(yīng)變，最大值為1.62×10-4，且在此加荷速度下中間的五號應(yīng)變片的橫向線應(yīng)變一直處于較大值。其余處的橫向應(yīng)變片近似重合，此外混凝土立方端部的一號橫向應(yīng)變片在單軸受壓狀態(tài)下破壞前的橫向線應(yīng)變均趨向于零。

3 結(jié)論

⑴縱向應(yīng)變片總是首先出現(xiàn)應(yīng)變極大值點，說明環(huán)箍效應(yīng)很少或幾乎不作用于縱向，因此加荷速度對縱向的環(huán)箍效應(yīng)影響很小。

⑵加荷速度為0.6MP/s 時，上下端部橫向位置處應(yīng)變片應(yīng)變最大，所以當(dāng)加荷速度較小或較大時，端部橫向位置處應(yīng)變片應(yīng)變極大值要小于速度適中時的應(yīng)變，加荷速度對端部橫向位置處應(yīng)變片應(yīng)變極值影響較大，因此加荷速度過小或者過大都會使得環(huán)箍效應(yīng)作用較大。

⑶隨養(yǎng)護(hù)時間的增長，試件所能承受的極限荷載變大。當(dāng)加荷速度逐漸增大時，試塊達(dá)到破壞階段的時間加快，且當(dāng)加荷速度增大的同時混凝土試件能承受的極限荷載也隨之增大，由此可見加荷速度越快對混凝土環(huán)箍效應(yīng)的影響越大，原因是加荷速度過快，材料來不及充分變形，造成試驗結(jié)果偏高。

⑷環(huán)箍效應(yīng)真實地影響著混凝土試件的抗壓強(qiáng)度實測值，起到了消減或約束混凝土試件的橫向變形的作用。加荷速度過快，材料來不及充分變形，造成試驗結(jié)果偏高；反之，材料受荷過程中，裂縫充分?jǐn)U展，試驗結(jié)果偏低，然而在加荷速度適中的情況下，對試件的環(huán)箍效應(yīng)影響最小。

⑸中間或鄰近中間部位的橫向應(yīng)變片總是最先出現(xiàn)較大的應(yīng)變，且能在試件破壞前一直維持規(guī)律地近似線性變化；靠近試塊端部的橫向應(yīng)變片在近似彈性階段總是在零點上下浮動，曲線斜率總是較為規(guī)律的近似平行于橫坐標(biāo)軸。