2.5　劈裂抗拉強度、軸心抗壓強度、抗彎強度影響因素分析

2.5.1　劈裂抗拉強度影響分析

2.5.1.1　試驗方法

（1）試驗儀器。劈裂抗拉試驗是通過特制的鋼制墊條將線性均布荷載施加于試件表面，達到劈裂試件的目的。為了進行劈裂抗拉試驗，此次試驗需對試驗機進行相應改造，使得試驗機的面荷載轉變為均布線性荷載，并且在轉化過程中墊條本身不應發生形變，避免在荷載轉化過程中產生不均勻荷載，影響試驗結果的準確性。依照《水工混凝土試驗規程》（SL 352—2006）的要求，墊條選用了剛性材質的鋼條，墊條長為200mm，截面寬為5mm，規范中截面高規定為5mm。墊條尺寸為200mm×5mm×5mm，上墊條通過兩端的螺絲固定在上壓板的中心位置；下墊條焊接在一塊320mm×320mm的厚鋼板中心位置，并將厚鋼板和下墊條一同放置于壓力機的下壓板。壓力試驗機改裝如圖2.5-1所示。

（2）試驗步驟。劈拉試驗試件尺寸與抗壓試驗一致，為150mm× 150mm×150mm的標準立方體，具體試驗步驟如下。

1）試件到達試驗齡期后，從養護室取出，并盡快試驗。試驗前需用濕布覆蓋試件，防止試件干燥。

2）試驗前將試件擦拭干凈，檢查試件外觀，判斷是否有嚴重缺陷，如有嚴重缺陷，立即更換試件。在試件成型時的頂面和底面中間部位畫出相互平行的參照線，準確定出試件劈裂面的位置并測量劈裂面尺寸（圖2.5-2），試件尺寸的測量應精確至1mm。

3）將試件放在壓力試驗機下壓板的中心位置。在上、下壓板與試件之間墊墊條，墊條方向應與試件成型時的頂面垂直，將下墊條對準兩條平行參照線的下部端點，操作壓力機，使得上壓板下落，在接近試件承壓面時停止，觀察上部墊條是否與平行參照線的上端點重合，如不滿足要求，立即進行調整（圖2.5-3），待以上步驟完成后，以0.01MPa/s加載速率連續而均勻地加載直至試件破壞為止，退出加載，試驗停止，對荷載峰值進行記錄。

2.5.1.2　影響因素分析

通過大量試驗研究表明，水膠比、砂率、水泥用量、粉煤灰摻量等因素對膠凝砂礫石材料的劈拉強度影響規律與對立方體抗壓強度影響規律一致，且材料劈裂抗拉強度與材料立方體抗壓強度存在一定的對應關系，具體研究結論如下。

（1）在工程常用配合比范圍中，存在最優水膠比，且最優水膠比和砂率緊密相關。工程常見砂率為0.1～0.4，對應的最優水膠比在1.0～1.4之間。砂率高時，對應的最優水膠比取上限，反之取下限。

（2）砂率為0.2時，膠凝砂礫石材料劈裂抗拉強度最大。

（3）同等條件下，每立方米膠凝砂礫石材料中，水泥用量每增加10kg，材料劈拉強度可提高10%～25%，但因其劈拉強度總體偏低，材料劈拉強度提高值在0.05～0.15MPa。且當膠凝材料（水泥＋粉煤灰）總量小于100kg/m3時，在最優水灰比、最優砂率下，水泥用量為40kg/m3時，膠凝砂礫石材料28d劈拉強度可達0.3～0.5MPa；水泥用量為50kg/m3時，膠凝砂礫石材料28d劈拉強度可達0.5～0.6MPa；水泥用量為60kg/m3時，膠凝砂礫石材料28d劈拉強度可達0.6～0.75MPa；水泥用量為70kg/m3時，膠凝砂礫石材料28d劈拉強度可達0.75～0.9MPa。膠凝砂礫石材料劈拉強度較低，通過增加每立方米膠凝砂礫石材料中水泥用量，來提高劈拉強度效果不明顯。當膠凝砂礫石材料用在大壩工程中時，應盡量避免產生拉應力，或采取有效措施降低其拉應力。

（4）同等條件下，每立方米膠凝砂礫石材料中，粉煤灰摻量每增加10kg，材料28d劈拉強度有所增強，但是強度增加不明顯，可提高3%～10%。

（5）膠凝砂礫石材料劈拉強度是抗壓強度的7%～12%，即膠凝砂礫石材料劈拉強度是抗壓強度的1/10左右。

參照混凝土試驗總結的劈拉強度與立方體抗壓強度間的關系，試驗給出了膠凝砂礫石材料劈拉強度與立方體抗壓強度關系公式：

式中：ft為劈拉強度；fcu為立方體抗壓強度。

2.5.2　軸心抗壓強度影響分析

2.5.2.1　試驗方法

膠凝砂礫石材料軸心抗壓強度試驗試件尺寸為150mm×300mm的圓柱體試件，按照試驗規范要求，以6個試件為一組，其中3個試件測定軸心抗壓強度，3個試件測定靜力抗壓彈性模量。具體試驗步驟如下。

（1）試件養護到規定齡期后，將試件從養護室中取出，用干布擦凈試件表面，量測斷面尺寸，為保持試件濕潤狀態應用濕布進行覆蓋，并盡快試驗。

（2）調整壓力機上下壓板的距離，將試件安放在試驗機的下壓板上，試件的中心應與試驗機下壓板的中心對準。按住試驗機上的下降按鈕使上壓板下降，待上壓板與試件即將接觸時停止操作，調整上下壓板的位置，使得上下壓板平行，以保證不會在試驗過程中產生偏心受壓。

（3）設定壓力機的加載速度為0.3MPa/s和適當的破損常數，開動試驗機，試驗機自動以設定的加載速度連續而均勻地加載。當出現峰值后，試件接近破壞而出現迅速變形，試驗機仍會繼續加載直到荷載峰值滿足破損常數的要求，之后試驗機自動停止加載，活塞回退，試件已破壞，記錄破壞荷載。所采用的壓力試驗機與測定混凝土立方體抗壓強度的試驗機相同。試驗裝置如圖2.5-4所示。

2.5.2.2　影響因素分析

通過大量試驗研究表明，水膠比、砂率、水泥用量、粉煤灰摻量等因素對膠凝砂礫石材料的軸心抗壓強度影響規律與對立方體抗壓強度影響規律一致，且材料軸心抗壓強度與材料立方體抗壓強度存在一定的對應關系，具體研究結論如下。

（1）在工程常用配合比范圍中，存在最優水膠比，且最優水膠比和砂率緊密相關。工程常見砂率為0.1～0.4，對應的最優水膠比在1.0～1.4之間。砂率高時，對應的最優水膠比取上限，反之取下限。

（2）砂率為0.2時，膠凝砂礫石材料軸心抗壓強度最大。

（3）同等條件下，每立方米膠凝砂礫石材料中，水泥用量每增加10kg，材料軸心抗壓強度可提高10%～25%。且當膠凝材料（水泥＋粉煤灰）總量小于100kg/m3時，在最優水灰比、最優砂率下，水泥用量為40kg/m3時，膠凝砂礫石材料軸心抗壓強度可達3.0～3.5MPa；水泥用量為50kg/m3時，膠凝砂礫石材料軸心抗壓強度可達3.5～4.0MPa；水泥用量為60kg/m3時，膠凝砂礫石材料軸心抗壓強度可達4.5～5.0MPa；水泥用量為70kg/m3時，膠凝砂礫石材料軸心抗壓強度可達5.0～5.5MPa。

（4）同等條件下，每立方米膠凝砂礫石材料中，粉煤灰摻量每增加10kg，材料28d軸心抗壓強度有所增強，但是強度增加不明顯，可提高1%～10%。分析原因與立方體抗壓強度和劈拉強度一致。

（5）膠凝砂礫石材料軸心抗壓強度和立方體抗壓強度呈線性關系，膠凝砂礫石材料軸心抗壓強度為立方體抗壓強度的56%倍左右。

（6）通過大量試驗數據整理后，按立方體抗壓強度分為不同區間，對應的材料抗壓彈性模量見表2.5-1。

膠凝砂礫石材料的靜力抗壓彈性模量隨著試驗配合比的變化而變化，數值介于5～18GPa之間。常規混凝土C10的彈性模量為17.5GPa，故膠凝砂礫石材料整體抗壓彈性模量低于C10混凝土。另外，膠凝砂礫石材料的抗壓彈性模量和材料抗壓強度變化規律一致，強度高時彈性模量大，強度低時彈性模量小。但材料彈性模量整體來說數值偏低，材料抵抗變形能力差。

2.5.3　抗彎強度影響分析

2.5.3.1　試驗方法

（1）試驗儀器。本書采用簡支梁三分點加荷法測定膠凝砂礫石材料抗彎強度。

試驗室擁有一臺附帶有全自動控制系統的壓力機，該試驗機主要用來進行抗彎強度試驗，根據試驗規范要求，彎曲試驗試驗機需帶有彎曲試驗架，因此，在進行彎曲試驗之前需要對試驗室的試驗機進行相應的改造。

試驗加荷裝置為：雙點加荷的鋼制加壓頭，要求應使兩個相等的荷載同時作用在小梁的兩個三分點處，與試件接觸的兩個支座頭和兩個加壓頭應具有半徑約15mm的弧形端面，其中的一個支座頭和兩個加壓頭宜既能滾動又能前后傾斜，試件受力情況如圖2.5-5所示，圖中1為支座，2為應變片，此次試驗中h取值為100mm。

在實際的改造中，由于上部的加荷部件固定在壓力計上壓板上，上壓板以球鉸形式連接，同樣能夠前后傾斜，故而將兩個半徑約15mm弧形端面的加壓頭直接固定在上部加荷裝置上。下部支座是將一個半徑15mm弧形端面的支座頭固定于底座一端，另一端是將同樣的支座頭放置于底座上，可以自由滾動，滿足規范的要求。在上部加荷裝置上開鑿兩個螺絲孔，將上部加荷裝置固定于壓力機上壓板上，使之成為整體，下部支座裝置放置于壓力機的下壓板上即可。彎曲試驗加荷裝置改裝如圖2.5-6所示。

（2）試驗步驟。

1）試件到達規定齡期后，從養護室取出試件，并盡快試驗。試驗前應用濕布覆蓋試件，防止試件干燥。

2）試驗前將試驗所用試件擦拭干凈，檢查試件外觀，有嚴重外形缺陷的試件應該更換，避免對試驗的實際結果產生影響，測量試件端面尺寸，測量精度應精確至1mm，并且在試件的側面畫出加荷點位置和支座頭所在位置作為放置試件時的基準線。

3）測試彎曲拉伸應變時，先將試件底面中間段受拉側粘貼電阻應變片位置的表面用電吹風吹干，隨后用502膠粘貼應變片，粘貼前確認應變片的正反面，防止貼反，并再次檢查應變片是否粘貼牢固，防止試驗過程中掉落。

4）將試件在試驗機的支座上放穩，根據已畫好的基準線對正，試件成型時的側面應作為試驗時的承壓面。調整支座頭和加壓頭的位置，間距的偏差不應大于±1mm。開動試驗機，當加壓頭與試件承壓面將要接近時，停止試驗機調整加壓頭及支座，使其與試件均衡接觸。如加壓頭與支座不能接觸均衡，則在接觸不良處應予以墊平，保證荷載均勻加載在試件上（圖2.5-7）。對壓力機參數進行設置，加載速率設置為0.1kN/s，隨后對變形測量裝置——電阻應變儀的相關參數進行設置。

5）開動試驗機，進行兩次預彎，預彎荷載相當于破壞荷載的15%～20%，由于膠凝砂礫石材料抗彎強度較之普通混凝土低，在預彎時同時使用電阻應變儀對應變進行監控，防止預加載過多導致試件斷裂。預彎完畢后，重新調整應變儀，使應變指示為0，然后進行正式測試，以100N/s的加載速率連續而均勻地加載，不得出現沖擊的狀況，每加載500N測讀并記錄應變值，在測讀前應保持荷載40s左右，待之穩定。當試件破壞時，退出加載（圖2.5-8），立即關閉電阻應變儀，防止壓力機產生的微小靜電擊穿電阻應變儀。

2.5.3.2　影響因素分析

通過大量試驗研究表明，水膠比、砂率、水泥用量、粉煤灰摻量等因素對膠凝砂礫石材料的抗彎強度影響規律與對立方體抗壓強度影響規律一致，且材料抗彎強度與材料立方體抗壓強度存在一定的對應關系，具體研究結論如下。

（1）在工程常用配合比范圍中，存在最優水膠比，且最優水膠比和砂率緊密相關。工程常見砂率為0.1～0.4，對應的最優水膠比在1.0～1.4之間。砂率高時，對應的最優水膠比取上限，反之取下限。

（2）膠凝砂礫石材料配合比設計存在最優砂率，砂率為0.2時，膠凝砂礫石材料抗彎強度最大。

（3）同等條件下，每立方米膠凝砂礫石材料中，水泥用量每增加10kg，材料抗彎強度可提高25%～60%。且當膠凝材料（水泥＋粉煤灰）總量小于100kg/m3時，在最優水灰比、最優砂率下，水泥用量為40kg/m3時，膠凝砂礫石材料抗彎強度可達0.5MPa左右；水泥用量為50kg/m3時，膠凝砂礫石材料抗彎強度可達0.7～1.1MPa；水泥用量為60kg/m3時，膠凝砂礫石材料抗彎強度可達1.3～1.7MPa；水泥用量為70kg/m3時，膠凝砂礫石材料抗彎強度可達2.0MPa左右。

（4）同等條件下，每立方米膠凝砂礫石材料中，粉煤灰摻量每增加10kg，材料28d抗彎強度有所增強，但是強度增加不明顯，可提高3%～15%。

（5）膠凝砂礫石材料的抗彎強度和立方體抗壓強度存在線性關系，膠凝砂礫石材料的抗彎強度為立方體抗壓強度的15%左右。

（6）通過大量試驗數據整理后，按立方體抗壓強度分為不同區間，對應的材料抗彎彈性模量見表2.5-2。

分析數據可得，膠凝砂礫石材料的彎曲彈性模量隨著試驗配合比的變化而變化，數值介于4～14GPa之間，且材料抗彎彈性模量與抗壓彈性模量之間存在一定的比值關系，膠凝砂礫石材料的彎曲彈性模量約為抗壓彈性模量的82.6%，材料抵抗彎曲變形能力差。