混凝土材料剪切强度的试验分析

万后林

（江苏东辰建材有限公司，江苏 淮安 223405 ）

在工程项目建设中，混凝土结构至关重要。随着混凝土材料发展不断深入，混凝土结构性能指标试验方式逐渐增多。在混凝土结构抗压强度测试、抗拉强度试验、弹性模量检测等方面，在国家标准中均有明确规定，而抗剪强度作为混凝土结构基本力学性能指标，相关研究资料比较少。因此，对混凝土结构剪切试验方式进行分析迫在眉睫。

1 国内外研究现状

1.1 矩形梁直接剪切试验。该试验最早由Morseh 提出，是混凝土结构剪切试验中应用最早的试验方式，试验操作简单。破坏剪切面是由锯齿状裂缝所组成的，在锯齿两个方向上，由混凝土抗压（fc）以及抗拉强度（ft）控制，对于平均抗剪强度，可根据以下公式进行计算：

在上述公式中，k 指的是修整系数，可取0.75。

在该试验方法的实际应用中，所得混凝土抗剪强度比较高：

1.2 Z 形柱单剪面试验。在混凝土结构剪切传递试验分析中，可应用“Z”形试件，在试验过程中合理布置钢筋材料。这类试件所产生的垂直应力比较大，可对混凝土结构抗剪强度产生较大影响，试验结果如下：

（三）薄壁圆筒受扭试验。当混凝土试件的薄壁厚度比较小时，能够达到均匀、纯剪应力状态。混凝土试件可沿45°螺旋线破坏，对于混凝土结构剪切强度，可根据破坏扭矩（ρT ）进行计算：

在上述公式中，D、t 分别为圆筒试件的外径和壁厚，mm

2 试验概况

（一）试验材料。在本次试验中，选用C30、C40、C50 三种强度不同的混凝土，三种混凝土细骨料为河砂，粗骨料为碎石粒。试件水泥用料不同，C30 混凝土应用PO32.5 级水泥，而C40、C50 混凝土应用PO42.5 级水泥，另外，C30、C40 混凝土中无需添加外加剂，而C50 混凝土中则使用外加剂。

（二）试件方案与设备。为了对混凝土剪切力学性能进行检测试验，在本次试验中，共设置3 种加载工况：第一，单轴收拉试验，需应用劈拉装置；第二，单轴受压试验，需应用液压伺服机；第二，单轴受拉试验，需应用液压伺服机。在液压伺服机中，需安装荷载、位移传感器，需应用位移控制和加载方式，加载速率为1mm/min，持续加载，直至混凝土试件破坏。

在对混凝土剪切力学性能进行试验分析时，需应用材料剪切仪，仪器上下部分均为剪力盒，剪力盒刚度大，因此，在剪切过程中可避免混凝土旋转。在试验过程中，要求试件紧密贴合剪力盒，其中，上剪力盒需紧密贴合反力杆，而下剪力盒则需在滑槽中移动，进而完成剪切试验。在试验加载过程中，对于试件，采用位移控制加载形式，原剪力盒尺寸为210mm×210mm×210mm，在试验过程中，需制作相应限位夹具，确保试件尺寸和混凝土单轴受压以及单轴受拉相同。三种不同强度的混凝土试件尺寸均为100mm×100mm×100mm，在本次试验中需要注意，由于混凝土材料具有随机性特征，因此，在每一种加载工况试验下，需制作3 个试件，并取平均值作为试验结果。

3 试验结果分析

（一）破坏形态。在对混凝土受力性能进行试验分析时，需研究在不同的加载方式下，混凝土力学性能以及破坏机理。很多文献均对混凝土受压以及受压进行深入研究，因此，本文主要对不同强度等级情况下，混凝土的剪切受力破坏形式进行试验分析。

如果混凝土破坏断裂与剪切方向相垂直，则平整度比较高，原因在于，在剪力盒之间上下错动，因此，在垂直于剪切方向，试件剪切破坏先平整。另外，在于剪切方向平行的方向，混凝土侧向所形成的破坏断裂线不规则，混凝土在受剪切荷载的作用下，在剪力盒接触面首先产生裂缝，即原始截面裂缝，而当横向荷载不断增加时，裂缝也会随之扩大，并沿水泥浆与骨料界面最为薄弱的位置不断发展，同时，在水泥砂浆裂缝顶端，可产生应力集中现象。需要注意，混凝土结构为非均质复合材料，因此，薄弱部位可能没有展现在剪切面直线上，并且可能在剪切面上下浮动，混凝土剪切裂缝可随薄弱位置发展。混凝土受拉破坏以及剪切破坏的形态类似，当试件受力破坏后，即可形成断面，即水泥胶凝层发生破坏，并且能够展现出脆性破坏。

（二）力—变形曲线分析。经过本次试验，获得C30、C40 以及C50 混凝土剪切应力变化形式。混凝土剪切装置的使用与液压装置为两种类型的试验设备，因此，在材料直剪仪传感器的采集过程中可发生一定波动。

（三）强度参数分析。

在混凝土受压、受拉和剪切受力形式下进行试验分析，在试验过程中选择混凝土抗压强度、抗拉强度和剪切强度特征值，并计算平均值进行分析，如表1 所示。

表1 不同强度等级混凝土抗压、抗拉和剪切强度值（MPa）

在对混凝土受拉力以及受压力进行试验分析时，依据数学回归，即可对混凝土抗拉强度与抗压强度之间的关系进行分析，计算公式如式（1），根据式（1）进行计算，同时对计算结果进行对比验证。

式（1）中， ft为混凝土劈拉强度； fcu为混凝土抗压强度。

对于混凝土抗压强度与剪切强度之间的关系，可根据公式（2）进行计算，在本次试验中，根据公式（2）计算分析获得混凝土抗压强度与抗剪强度关系。

式（2）中： fcu为混凝土抗压强度；τ 为混凝土抗剪强度。

为了保证本次试验所得结果的准确性和可靠性，在试验过程中，可在试验数据的基础上增加误差棒，体现出试验数据的随机性特征。混凝土抗压强度与抗剪强度关系验证形式如图1 所示，通过对图1 进行分析可见，在本次试验研究中，不同强度等级混凝土抗压强度与抗拉强度试验数据和公式（1）基本吻合，因此，公式（1）能够反映出混凝土结构抗压强度与抗拉强度之间的关系。

通过对混凝土结构抗压强度和抗拉强度之间的关系进行分析，如果根据公式（2）对二者之间的关系进行预测分析，相对比较保守，因为在本次试验中，对于混凝土抗剪强度，可根据直接剪切的形式获得，与其他测量方式相比，测试结果比较大。综合考虑试验过程中数据变化形式与公式（2），即可提出在直接剪切基础上的混凝土抗压强度、抗剪强度关系形式，如公式（3）所示：

根据公式（3），对本次试验所得结果进行数字回归分析，混凝土抗压强度与抗剪强度关系验证结果如图1 所示，并且可采用公式（4）体现出混凝土抗压强度与剪切强度之间的关系。

图1 混凝土抗压强度与抗剪强度关系验证

通过对图1 以及公式（4）进行分析，本文所提出的混凝土抗压强度与剪切强度关系式能够反映出混凝土结构抗压强度以及剪切强度。

4 试验讨论分析

通过本次试验研究发现，混凝土结构抗拉破坏形式类似于剪切破坏形态，抗剪强度大于抗拉强度，主要原因在于，在混凝土收拉荷载的影响下，混凝土界面化学胶着力能够提供反力，产生抗拉强度，同时，混凝土结构已出现借钱破坏断面间的机械咬合力也会对剪切强度产生较大影响，并导致其抗剪强度大于抗拉强度。由此课件，在剪切破坏形态下，混凝土结构剪切破坏断面平整度比较差，并且碎渣较多，是由剪切破坏断面机械咬合所造成的。

在以往的混凝土抗压强度和剪切强度关系应用中，对于本次试验抗剪强度预测值比较保守，主要原因在于，矩形短梁直接剪切、Z 形柱单剪面和薄壁圆筒受扭等试验方式一般为间接试验测量方式，在实际应用中，可出现旋转效应以及弯曲效应，因此，与本次直接剪切试验相比，所得剪切强度值比较低。

5 总结

综上所述，在本次研究中，选用三种强度等级不同的混凝土作为试验材料，并采用液压伺服机以及材料直剪仪进行试验，对不同加载工况下混凝土结构的破坏形态、强度特征值以及力-变形曲线进行试验分析。根据本次试验发现，混凝土剪切破坏形态、力-变形曲线发展形式类似于混凝土抗拉，而剪切破坏断面的平整度较差，破坏断面中的碎渣比较多。另外，混凝土结构剪切强度大于抗拉强度，主要原因在于，在混凝土结构抗拉强度反力中，不会受到机械咬合力影响，而剪切强度反力不仅存在于化学胶着力中，同时，在剪切断面中有机械咬合力，因此，与抗拉强度相比，剪切强度更大。通过对本次试验数据进行分析，可在原有研究基础上提出新型剪切强度预测方程，所得结果准确性更高，值得推广应用。