蘇 捷, 莫 衍, 黃政宇

(湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082)

混凝土是一種以水泥為主要膠結材料，以各種礦物成分的粗骨料為基體與水、細骨料等拌和而成的人工復合材料[1]。在大多數(shù)結構中的混凝土往往處于多軸復合應力作用下的。1902年法國工程師Armand Considère第一次報道了混凝土在側向液壓作用下的三軸力學性能。隨后， RICHART[2]等通過試驗發(fā)現(xiàn)圓柱體試件的強度隨側向應力增加而顯著增大。到20世紀五六十年代，隨著工程實際的需要以及試驗技術的進步，混凝土在多向壓應力下的性能得到越來越多研究者的關注，并在70年代形成了一股研究的熱潮[3]。西方各國的研究機構研制成了各自的三軸試驗裝置，完成了大量的混凝土多軸受壓試驗研究，建立了多種強度破壞準則[4-6]。國內(nèi)在1984年清華大學研制成國內(nèi)首臺真三軸壓-拉試驗裝置，隨后相繼完成了混凝土在各種壓-拉應力組合下的二軸和三軸力學性能試驗[7-8]。幾年后，大連理工大學也擁有了自行設計制造的三軸試驗裝置，他們對普通混凝土[9-11]、輕骨料混凝土[12]、鋼纖維混凝土[13-14]進行了常規(guī)三軸和真三軸的試驗研究。進入21世紀后，隨著新型混凝土材料的發(fā)展和試驗技術的進步，對混凝土三軸受壓性能的研究有了一些新的進展，相繼完成了再生混凝土[15-18]、塑性混凝土[19-20]和惡劣環(huán)境下混凝土(高溫[21-24]、凍融[25-27]等)不同特性(靜、動態(tài)性能等)的真三軸和常規(guī)三軸受壓試驗研究。本文通過查閱大量文獻資料，對混凝土的三軸受壓試驗研究展開論述。

1 三軸試驗方法

1.1 三軸試驗機

三軸試驗機一般都由加載裝置、應力和應變量測裝置、控制裝置和數(shù)據(jù)采集裝置4部分組成。按照試件所受應力的不同可分為常規(guī)三軸和真三軸。

1.1.1常規(guī)三軸試驗機

常規(guī)三軸試驗機常利用現(xiàn)有的大型材料試驗裝置然后配備一個帶有獨立的油泵和油路系統(tǒng)的圍壓室制成。試件多為實心圓柱體或空心圓柱體，試驗時將試件置于圍壓室的活塞上，側向荷載利用圍壓室內(nèi)的液體施加，豎向荷載由試驗機通過加載板傳到試件上。試件在加載前表面需用橡膠薄膜包裹，防止施加側向壓力的液體通過試件表面的缺陷和裂縫滲入試件內(nèi)部，膨脹試件，降低強度。

1.1.2真三軸試驗機

真三軸試驗機較常規(guī)三軸試驗機更加復雜，且無統(tǒng)一標準。目前一般在3個垂直的方向都設立相互獨立的活塞、液壓缸、供油管路和控制系統(tǒng)來實現(xiàn)真三軸加載。試件一般為立方體，試驗時通過3個方向分設絲桿和橫梁組成的加載架施加應力或利用試驗機施加豎向應力而側向(橫向)應力則通過置于一剛性承載框內(nèi)的兩對活載和油缸施加。

1.2 減摩方法

從開始三軸受壓試驗研究以來，各國研究者采用了各種各樣的方法來消除加載板與試件之間的摩擦對試驗結果的影響。其中，KOTSOVOS[28]、GERSTLE[29]等采用不同的剛性和柔性加載板來消除摩擦，MIER[30]則采用刷型加載板進行減摩，后來西德材料研究中心改進了刷型加載板并研制出了剛活塞加載墊板。上述幾種減摩方法能得到較好的試驗結果，但構造過于復雜。國內(nèi)的研究者在進行三軸壓試驗時常采用在加載板與試件之間加上一層或多層軟墊層中間夾入某種潤滑物來減小摩擦。

1.3 應力測量方法

應力測量方法主要有2種：間接測量方法和直接測量方法。間接測量方法采用測得的油壓乘以一個換算系數(shù)來確定加載的應力值；直接測量方法則通過在加載活塞和加載板之間設置荷載傳感器來測量應力值。

1.4 應變測量方法

1.4.1真三軸

真三軸試驗中一般采用以下2類方法測量應變。直接測量法，通過在試件表面預留或者用砂輪打磨成的淺槽內(nèi)粘貼電阻應變片，或者在打磨過的試件棱邊上粘貼電阻應變片，來測量應變。間接測量法，使用電阻式或電感式變形傳感器測量試件同方向兩塊加載板的相對位移，扣除事先通過預壓的方法標定的柔性減摩墊層的變形后，得到試件應變。

1.4.2常規(guī)三軸

常規(guī)三軸試驗常在試件的中部粘貼兩個橫向和一個豎向電阻應變片，同時在上下加載板之間安裝豎向的位移傳感器來測量應變。其布置的基本形式如圖1所示。

圖1 應變測量示意圖[31]Figure 1 Diagram of strain measurement[31]

2 混凝土三軸受壓力學性能

2.1 普通混凝土

普通混凝土試件3個方向所受應力分別為σ1、σ2、σ3，其中σ3為最大主應力，則其真三軸受壓性能有如下規(guī)律。

a.隨著試件加載應力比σ1/σ3的增大，其三軸抗壓強度f3成倍的增長。σ2/σ3對f3也有顯著影響。當σ1/σ3不變時，最大f3發(fā)生在σ2/σ3=0.3～0.6，且最大與最小f3之間差20%～25%。若σ1/σ3<0.15且為常數(shù)，則σ1=σ2時的強度低于σ2=σ3時的f3；若σ1/σ3>0.15，則正好相反。

b.三軸抗壓時的應力-應變曲線相較單軸時表現(xiàn)出更顯著的軟化和非線性特征，當應力較低時曲線近似為直線，然后隨著應力的增長曲線斜率逐漸減小，峰值點不再明顯。

c.σ3方向峰值應變ε3p隨σ1/σ3的增大而出現(xiàn)較快增長，σ2/σ3的變化規(guī)律與f3的變化規(guī)律相似。σ2方向峰值應變ε2p隨σ2/σ3的變化，由σ1/σ3=σ1/σ2=0.15時的拉伸漸漸變?yōu)閴嚎s，至σ2=σ3時達到最大壓應變。σ1方向峰值應變ε3p與應力比有關,且一般為拉伸應變。

d.各應力比下試件的破壞形態(tài)如表1所示。

表1 真三軸受壓破壞形態(tài)Table 1 True triaxial compression failure mode主導應力σ3σ2, σ3σ1, σ3σ1, σ2, σ3,應力比σ1/σ3?0.1σ1/σ3?0.15σ1/σ3=0.15～0.2σ1/σ3≥0.2σ2/σ3?0.1σ2/σ3?0.15σ2/σ3≥0.2破壞類型柱狀破壞片狀破壞斜剪破壞擠壓流變試件破壞形態(tài)圖例

普通混凝土的常規(guī)三軸受壓性能有如下規(guī)律。

a.隨側向應力的增長，三軸抗壓強度呈線性增大，而σ3方向峰值應變ε3p的增長幅度更大。

b.常規(guī)三軸壓縮時的應力-應變曲線呈現(xiàn)出與單軸受壓時曲線不一樣的特征。剛開始加載時，σ3方向的應變ε3很小，應力-應變曲線近似為直線上升；此后，隨著加載的繼續(xù)側向應力的存在限制了試件的橫向變形，并阻止了軸向裂縫的產(chǎn)生和開展，試件的塑性變形能力有了很大擴展，曲線變得平緩，過峰值應力點后，試件的殘余強度緩慢地降低，出現(xiàn)平緩的下降段。隨著側向應力的增大，曲線的峰值點逐步升高，變得平緩和豐滿，當側向應力σ1/σ3=σ2/σ3≥0.15時，破壞前ε3方向應變很大，峰部近乎一平曲線，峰值點已不明顯。

c.側向應力的增加將導致試件破壞形態(tài)的改變，在零或較低的側向應力作用下，試件破壞時表面出現(xiàn)分布裂紋和若干大的裂紋；而在高的側向應力作用下，側向應力限制了試件中微裂紋的擴展，試件表面無分布裂紋內(nèi)部的孔隙被壓實。

2.2 鋼纖維混凝土

鋼纖維混凝土三軸受壓力學性能的變化規(guī)律如下。

a.三軸抗壓強度在一定范圍內(nèi)隨鋼纖維體積百分比的增加而增大，最佳摻入量為1.0%～1.5%。應力比σ2/σ3對三軸抗壓強度的影響程度與鋼纖維摻入量有關；鋼纖維摻入量在0.5%～2.5%之間，當σ1/σ3=0.1,σ2/σ3=0.5時，三軸抗壓強度最大。其三軸抗壓強度的增大倍數(shù)較普通混凝土低。

b.軸向峰值應變也隨摻入量的增大而增長，且應力比σ2/σ3越小其增長的幅度越大。當鋼纖維摻入量一定時，應力比σ1/σ3和σ2/σ3對軸向峰值應變和峰值體積應變的影響規(guī)律與普通混凝土相似。

c.三軸壓縮時的應力-應變曲線特征點隨鋼纖維摻入量的變化而存在差異。

2.3 再生混凝土

再生骨料的外部形態(tài)和內(nèi)部結構都與天然骨料存在明顯差異，使得其力學性能也與普通混凝土不同。張家興[16]的試驗研究表明：在相同骨料代替率下，再生混凝土強度越高試件出現(xiàn)斜裂縫越早；而強度等級相同時，骨料代替率越大的試件越早出現(xiàn)斜裂縫；且其塑性變形能力較普通混凝土好。潘秀英[17]和楊海峰[18]等認為再生混凝土的三軸受壓應力-應變曲線線性上升段斜率較普通混凝土大；此外，通過觀察發(fā)現(xiàn)再生混凝土和普通混凝土的骨料破壞形態(tài)也存在差異，普通混凝土試件的破壞面處骨料被剪切成粉末狀，而前者試件的破壞則均發(fā)生在骨料與水泥砂漿基體之間的界面或骨料先天裂紋處，如圖2所示。

(a) 普通混凝土骨料破碎成粉末

(b) 再生骨料沿先天裂紋破碎

2.4 塑性混凝土

塑性混凝土的彈性模量低，變形性能好，在水利工程防滲中應用廣泛[19]。王四巍[19]對塑性混凝土做了系統(tǒng)的研究：在真三軸試驗中，恒定側向應力時試件的體積應變隨軸向壓力的增大先增加后減小，而試件的體積則先縮小后變大，存在增容情況，應力-應變曲線過峰值點后的變形表現(xiàn)出完全塑性或近似塑性的特點，試件發(fā)生雙向剪切破壞；恒定側向應變時，試件的體積應變的變化與恒定側向應力時正好相反，未出現(xiàn)增容的情況，試件的破壞形態(tài)表現(xiàn)為軸向過大的壓縮變形；在常規(guī)三軸試驗中得到的應力-應變曲線與單軸壓時的曲線特征存在明顯不同，表現(xiàn)為更長的上升段、不明顯的峰值點和更加平緩的下降段。

高丹盈[20]等則通過對比固定圍壓和固定圍壓比值兩種情況下塑性混凝土的性能發(fā)現(xiàn)固定圍壓比值下的粘聚力比固定圍壓下高而內(nèi)摩擦角則要小。

2.5 輕骨料混凝土

輕骨料混凝土是采用頁巖陶粒、珊瑚礁等質(zhì)量較輕的粗骨料制成的混凝土。宋玉普[12]對輕骨料混凝土在常規(guī)三軸和真三軸受壓狀態(tài)下的力學特性與普通混凝土進行了比較，發(fā)現(xiàn)當σ1/σ3≥0.3，σ2/σ3≥0.5時，前者的應力-應變曲線將出現(xiàn)應力平臺流塑區(qū)，即在此區(qū)域應力基本不出現(xiàn)增長或增長幅度很小，而應變卻快速增加，過此平臺后，曲線再次上升，出現(xiàn)同普通低碳鋼拉伸曲線相似的“應力強化”現(xiàn)象。

楊建輝[32]對全輕頁巖陶?；炷吝M行試驗得到的應力-應變曲線也有相同的特征，他認為出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因為在高軸壓應力作用下試件內(nèi)部的砂漿骨架首先被破壞，隨后骨料也被壓碎，試件發(fā)生很大的壓縮變形，而應力卻沒有增長，在骨料內(nèi)部的孔隙被擠壓密實后，試件的極限承載力進一步提高，曲線出現(xiàn)上升的“應力強化”現(xiàn)象。

張鵬[33]對比全輕頁巖陶?；炷梁弯摾w維陶?；炷恋娜S受壓力學性能發(fā)現(xiàn)后者的三軸抗壓強度的增大倍數(shù)要低。這與鋼纖維混凝土三軸受壓得到的結論一致。

3 惡劣條件下混凝土的三軸受壓力學性能

3.1 高溫或火災

高溫或火災后結構中混凝土的強度和耐久性將發(fā)生劣變，結構的可靠度將降低。何振軍[21]、張眾[22]、姚偉[23]等對經(jīng)受高溫后的普通和高強混凝土進行了三軸受壓試驗，結果表明：經(jīng)受溫度越高，混凝土在3個主應力方向的峰值應力越小，應力-應變曲線線性上升段的斜率也越小；高溫使混凝土單軸抗壓強度的降低幅度大于三軸抗壓強度的降低幅度，三軸抗壓強度主要受應力比的影響。而蘇益聲[24]則認為高溫后再生混凝土三軸受壓應力-應變?nèi)^程曲線與普通混凝土基本相似。

3.2 凍融循環(huán)作用

處于水位變化區(qū)的水工建筑物和浪濺區(qū)的海工建筑物中的混凝土，受凍融循環(huán)作用，其力學性能將發(fā)生變化。于長江[25]，高懷帥[26]，覃麗坤[27]等通過試驗研究了凍融循環(huán)作用對普通混凝土真三軸受壓力學性能的影響，試驗結果表明：經(jīng)受凍融循環(huán)后單軸抗壓強度和三軸抗壓強度都有所降低；凍融循環(huán)次數(shù)對三軸抗壓強度的影響更大，即使經(jīng)受了凍融循環(huán)的作用，因側向應力的約束作用，三軸抗壓強度仍遠強于單軸強度；此外，隨作用次數(shù)的增加三軸抗壓峰值應力處所對應的應變隨之變大。

4 結論與展望

各種混凝土組成材料力學特性不同，導致他們的三軸受壓力學性能存在差異。惡劣環(huán)境會使混凝土的三軸受壓性能惡化，在研究上需得到越來越多的重視。

盡管對混凝土的三軸受壓力學性能已經(jīng)進行了大量的試驗研究，但仍然存在一些待突破的研究方向。

a.在以往的三軸受壓試驗研究中，受試驗裝置的限制，按應力路徑加載的試驗很多，而按應變或應力應變復合路徑加載的試驗還比較少。

b.不同尺寸的混凝土試件在單軸受壓時存在尺寸效應現(xiàn)象，在三軸受壓時是否存在尺寸效應需要通過試驗研究去確定。

c.粗骨料粒徑、形狀、性能等對混凝土在三軸受壓下的性能的影響如何，尚需通過試驗去探究。