混凝土的抗拉强度(Tensile Strength of Concrete)

1 引言

与岩石一样，混凝土的抗压强度远大于其抗拉强度，这也是为什么我们在设计梁或柱(桩)时，需要制作钢筋混凝土。通常混凝土的抗拉强度是其抗压强度的8%-15%, 一些研究者也提出过其它的关系式, 以后有机会再详细描述. 在结构设计中, 一般不考虑混凝土的抗拉强度, 即假设混凝土的抗拉强度为0, 但在筑路工程(Pavement Engineering)中, 我们需要考虑混凝土的抗拉强度. 本笔记简述混凝土抗拉试验的基本原理及过程。

2 直接测量方法

直接测量方法的原理是混凝土试件制作时在两端加入钢筋, 通过拉伸钢筋来测定混凝土的抗拉强度, 如下图所示, 这种方法受许多人工因素的影响, 因此在工程中很少使用.

3 间接测量方法

间接测量方法与岩石抗拉试验的方法一样, 在岩石力学中我们称之为巴西抗拉强度试验 (Brazilian Tensile Strength Test), 试验方法如下图所示, 以1.2-2.4MPa/min的速度给试验施加压力, 记录试件破坏时的压力P,

然后通过下面的算式计算混凝土的抗拉强度, 其中D为试件直径, L为试件长度. 

下面的图片显示了在不同压力设备条件下进行的抗拉强度试验.

4 数值试验

随着数值模拟技术的发展, 现在可以使用数值模拟技术来做混凝土力学试验, 特别是近年在岩石力学中流行的合成岩体(Synthetic Rock Mass, SRM)技术能够帮助工程师更真实地了解混凝土的力学特性. SRM是Bonded Particle Model 与 Smooth-Joints的结合, 使用线性平行粘结模型(linear parallel bond model: contact cmat default model linearpbond ) 创建粘结颗粒模型，使用平滑节理模型(smooth joint model: fracture contact-model model 'smoothjoint' install) 模拟混凝土的裂隙。由于PFC模型本质上是离散的，因此破坏可能在完整的BPM区域和沿断裂面发生。

建立SRM的思路可以扩展到3DEC中, 使用Voronoi块体表示混凝土，与DFN相结合能够模拟混凝土真实的破坏行为. 不过这种计算代价太大，需要性能非常高的计算机才能在短时间内得出结果。

[1] E.I. Al-Sahawneh Size effect and strength correction factors for normal weight concrete specimens under uniaxial compression stress Contemp. Eng. Sci., 6 (2) (2013), pp. 57-68

[2] ASTM C 1437, 2001. Standard test method for flow of hydraulic cement mortar. Annual Book of ASTM Standards, vol. 04.01.

[3] ASTM C 138, 2001. Standard test method for density (unit weight), yield, and air content (gravimetric) of concrete. Annual Book of ASTM Standards, vol. 04.02.

[4] ASTM C 192, 2002. Making and curing concrete test specimens in the Laboratory. Annual Book of ASTM Standards, vol. 04.02.

[5] ASTM C 39, 2003. Standard Test Method for Compressive Strength of Cylindrical Concrete Specimens. Annual Book of ASTM Standards, vol. 04.02.

[6] ASTM C 33, 2002. Standard specification for concrete aggregates. Annual Book of ASTM Standards, vol. 04.02.

[7] ASTM C 150, 2002. Standard specification for Portland cement. Annual Book of ASTM Standards, vol. 04.01.

[8] BS EN 12390-3, 2002 Testing hardened concrete Part 3: Compressive Strength of Test Specimens, BSI, London, UK (2002)

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