混凝土的抗拉強度(Tensile Strength of Concrete)

2021-03-01 計算巖土力學

1 引言

與巖石一樣，混凝土的抗壓強度遠大於其抗拉強度，這也是為什麼我們在設計梁或柱(樁)時，需要製作鋼筋混凝土。通常混凝土的抗拉強度是其抗壓強度的8%-15%, 一些研究者也提出過其它的關係式, 以後有機會再詳細描述. 在結構設計中, 一般不考慮混凝土的抗拉強度, 即假設混凝土的抗拉強度為0, 但在築路工程(Pavement Engineering)中, 我們需要考慮混凝土的抗拉強度. 本筆記簡述混凝土抗拉試驗的基本原理及過程。

2 直接測量方法

直接測量方法的原理是混凝土試件製作時在兩端加入鋼筋, 通過拉伸鋼筋來測定混凝土的抗拉強度, 如下圖所示, 這種方法受許多人工因素的影響, 因此在工程中很少使用.

3 間接測量方法

間接測量方法與巖石抗拉試驗的方法一樣, 在巖石力學中我們稱之為巴西抗拉強度試驗 (Brazilian Tensile Strength Test), 試驗方法如下圖所示, 以1.2-2.4MPa/min的速度給試驗施加壓力, 記錄試件破壞時的壓力P,

然後通過下面的算式計算混凝土的抗拉強度, 其中D為試件直徑, L為試件長度. 

下面的圖片顯示了在不同壓力設備條件下進行的抗拉強度試驗.

4 數值試驗

隨著數值模擬技術的發展, 現在可以使用數值模擬技術來做混凝土力學試驗, 特別是近年在巖石力學中流行的合成巖體(Synthetic Rock Mass, SRM)技術能夠幫助工程師更真實地了解混凝土的力學特性. SRM是Bonded Particle Model 與 Smooth-Joints的結合, 使用線性平行粘結模型(linear parallel bond model: contact cmat default model linearpbond ) 創建粘結顆粒模型，使用平滑節理模型(smooth joint model: fracture contact-model model 'smoothjoint' install) 模擬混凝土的裂隙。由於PFC模型本質上是離散的，因此破壞可能在完整的BPM區域和沿斷裂面發生。

建立SRM的思路可以擴展到3DEC中, 使用Voronoi塊體表示混凝土，與DFN相結合能夠模擬混凝土真實的破壞行為. 不過這種計算代價太大，需要性能非常高的計算機才能在短時間內得出結果。

[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.

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[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.

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