混凝土三轴受压试验研究综述

苏 捷, 莫 衍, 黄政宇

(湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082)

混凝土是一种以水泥为主要胶结材料，以各种矿物成分的粗骨料为基体与水、细骨料等拌和而成的人工复合材料[1]。在大多数结构中的混凝土往往处于多轴复合应力作用下的。1902年法国工程师Armand Considère第一次报道了混凝土在侧向液压作用下的三轴力学性能。随后， RICHART[2]等通过试验发现圆柱体试件的强度随侧向应力增加而显著增大。到20世纪五六十年代，随着工程实际的需要以及试验技术的进步，混凝土在多向压应力下的性能得到越来越多研究者的关注，并在70年代形成了一股研究的热潮[3]。西方各国的研究机构研制成了各自的三轴试验装置，完成了大量的混凝土多轴受压试验研究，建立了多种强度破坏准则[4-6]。国内在1984年清华大学研制成国内首台真三轴压-拉试验装置，随后相继完成了混凝土在各种压-拉应力组合下的二轴和三轴力学性能试验[7-8]。几年后，大连理工大学也拥有了自行设计制造的三轴试验装置，他们对普通混凝土[9-11]、轻骨料混凝土[12]、钢纤维混凝土[13-14]进行了常规三轴和真三轴的试验研究。进入21世纪后，随着新型混凝土材料的发展和试验技术的进步，对混凝土三轴受压性能的研究有了一些新的进展，相继完成了再生混凝土[15-18]、塑性混凝土[19-20]和恶劣环境下混凝土(高温[21-24]、冻融[25-27]等)不同特性(静、动态性能等)的真三轴和常规三轴受压试验研究。本文通过查阅大量文献资料，对混凝土的三轴受压试验研究展开论述。

1 三轴试验方法

1.1 三轴试验机

三轴试验机一般都由加载装置、应力和应变量测装置、控制装置和数据采集装置4部分组成。按照试件所受应力的不同可分为常规三轴和真三轴。

1.1.1常规三轴试验机

常规三轴试验机常利用现有的大型材料试验装置然后配备一个带有独立的油泵和油路系统的围压室制成。试件多为实心圆柱体或空心圆柱体，试验时将试件置于围压室的活塞上，侧向荷载利用围压室内的液体施加，竖向荷载由试验机通过加载板传到试件上。试件在加载前表面需用橡胶薄膜包裹，防止施加侧向压力的液体通过试件表面的缺陷和裂缝渗入试件内部，膨胀试件，降低强度。

1.1.2真三轴试验机

真三轴试验机较常规三轴试验机更加复杂，且无统一标准。目前一般在3个垂直的方向都设立相互独立的活塞、液压缸、供油管路和控制系统来实现真三轴加载。试件一般为立方体，试验时通过3个方向分设丝杆和横梁组成的加载架施加应力或利用试验机施加竖向应力而侧向(横向)应力则通过置于一刚性承载框内的两对活载和油缸施加。

1.2 减摩方法

从开始三轴受压试验研究以来，各国研究者采用了各种各样的方法来消除加载板与试件之间的摩擦对试验结果的影响。其中，KOTSOVOS[28]、GERSTLE[29]等采用不同的刚性和柔性加载板来消除摩擦，MIER[30]则采用刷型加载板进行减摩，后来西德材料研究中心改进了刷型加载板并研制出了刚活塞加载垫板。上述几种减摩方法能得到较好的试验结果，但构造过于复杂。国内的研究者在进行三轴压试验时常采用在加载板与试件之间加上一层或多层软垫层中间夹入某种润滑物来减小摩擦。

1.3 应力测量方法

应力测量方法主要有2种：间接测量方法和直接测量方法。间接测量方法采用测得的油压乘以一个换算系数来确定加载的应力值；直接测量方法则通过在加载活塞和加载板之间设置荷载传感器来测量应力值。

1.4 应变测量方法

1.4.1真三轴

真三轴试验中一般采用以下2类方法测量应变。直接测量法，通过在试件表面预留或者用砂轮打磨成的浅槽内粘贴电阻应变片，或者在打磨过的试件棱边上粘贴电阻应变片，来测量应变。间接测量法，使用电阻式或电感式变形传感器测量试件同方向两块加载板的相对位移，扣除事先通过预压的方法标定的柔性减摩垫层的变形后，得到试件应变。

1.4.2常规三轴

常规三轴试验常在试件的中部粘贴两个橫向和一个竖向电阻应变片，同时在上下加载板之间安装竖向的位移传感器来测量应变。其布置的基本形式如图1所示。

图1 应变测量示意图[31]Figure 1 Diagram of strain measurement[31]

2 混凝土三轴受压力学性能

2.1 普通混凝土

普通混凝土试件3个方向所受应力分别为σ1、σ2、σ3，其中σ3为最大主应力，则其真三轴受压性能有如下规律。

a.随着试件加载应力比σ1/σ3的增大，其三轴抗压强度f3成倍的增长。σ2/σ3对f3也有显著影响。当σ1/σ3不变时，最大f3发生在σ2/σ3=0.3～0.6，且最大与最小f3之间差20%～25%。若σ1/σ3<0.15且为常数，则σ1=σ2时的强度低于σ2=σ3时的f3；若σ1/σ3>0.15，则正好相反。

b.三轴抗压时的应力-应变曲线相较单轴时表现出更显著的软化和非线性特征，当应力较低时曲线近似为直线，然后随着应力的增长曲线斜率逐渐减小，峰值点不再明显。

c.σ3方向峰值应变ε3p随σ1/σ3的增大而出现较快增长，σ2/σ3的变化规律与f3的变化规律相似。σ2方向峰值应变ε2p随σ2/σ3的变化，由σ1/σ3=σ1/σ2=0.15时的拉伸渐渐变为压缩，至σ2=σ3时达到最大压应变。σ1方向峰值应变ε3p与应力比有关,且一般为拉伸应变。

d.各应力比下试件的破坏形态如表1所示。

表1 真三轴受压破坏形态Table 1 True triaxial compression failure mode主导应力σ3σ2, σ3σ1, σ3σ1, σ2, σ3,应力比σ1/σ3⩽0.1σ1/σ3⩽0.15σ1/σ3=0.15～0.2σ1/σ3≥0.2σ2/σ3⩽0.1σ2/σ3⩽0.15σ2/σ3≥0.2破坏类型柱状破坏片状破坏斜剪破坏挤压流变试件破坏形态图例

普通混凝土的常规三轴受压性能有如下规律。

a.随侧向应力的增长，三轴抗压强度呈线性增大，而σ3方向峰值应变ε3p的增长幅度更大。

b.常规三轴压缩时的应力-应变曲线呈现出与单轴受压时曲线不一样的特征。刚开始加载时，σ3方向的应变ε3很小，应力-应变曲线近似为直线上升；此后，随着加载的继续侧向应力的存在限制了试件的横向变形，并阻止了轴向裂缝的产生和开展，试件的塑性变形能力有了很大扩展，曲线变得平缓，过峰值应力点后，试件的残余强度缓慢地降低，出现平缓的下降段。随着侧向应力的增大，曲线的峰值点逐步升高，变得平缓和丰满，当侧向应力σ1/σ3=σ2/σ3≥0.15时，破坏前ε3方向应变很大，峰部近乎一平曲线，峰值点已不明显。

c.侧向应力的增加将导致试件破坏形态的改变，在零或较低的侧向应力作用下，试件破坏时表面出现分布裂纹和若干大的裂纹；而在高的侧向应力作用下，侧向应力限制了试件中微裂纹的扩展，试件表面无分布裂纹内部的孔隙被压实。

2.2 钢纤维混凝土

钢纤维混凝土三轴受压力学性能的变化规律如下。

a.三轴抗压强度在一定范围内随钢纤维体积百分比的增加而增大，最佳掺入量为1.0%～1.5%。应力比σ2/σ3对三轴抗压强度的影响程度与钢纤维掺入量有关；钢纤维掺入量在0.5%～2.5%之间，当σ1/σ3=0.1,σ2/σ3=0.5时，三轴抗压强度最大。其三轴抗压强度的增大倍数较普通混凝土低。

b.轴向峰值应变也随掺入量的增大而增长，且应力比σ2/σ3越小其增长的幅度越大。当钢纤维掺入量一定时，应力比σ1/σ3和σ2/σ3对轴向峰值应变和峰值体积应变的影响规律与普通混凝土相似。

c.三轴压缩时的应力-应变曲线特征点随钢纤维掺入量的变化而存在差异。

2.3 再生混凝土

再生骨料的外部形态和内部结构都与天然骨料存在明显差异，使得其力学性能也与普通混凝土不同。张家兴[16]的试验研究表明：在相同骨料代替率下，再生混凝土强度越高试件出现斜裂缝越早；而强度等级相同时，骨料代替率越大的试件越早出现斜裂缝；且其塑性变形能力较普通混凝土好。潘秀英[17]和杨海峰[18]等认为再生混凝土的三轴受压应力-应变曲线线性上升段斜率较普通混凝土大；此外，通过观察发现再生混凝土和普通混凝土的骨料破坏形态也存在差异，普通混凝土试件的破坏面处骨料被剪切成粉末状，而前者试件的破坏则均发生在骨料与水泥砂浆基体之间的界面或骨料先天裂纹处，如图2所示。

(a) 普通混凝土骨料破碎成粉末

(b) 再生骨料沿先天裂纹破碎

2.4 塑性混凝土

塑性混凝土的弹性模量低，变形性能好，在水利工程防渗中应用广泛[19]。王四巍[19]对塑性混凝土做了系统的研究：在真三轴试验中，恒定侧向应力时试件的体积应变随轴向压力的增大先增加后减小，而试件的体积则先缩小后变大，存在增容情况，应力-应变曲线过峰值点后的变形表现出完全塑性或近似塑性的特点，试件发生双向剪切破坏；恒定侧向应变时，试件的体积应变的变化与恒定侧向应力时正好相反，未出现增容的情况，试件的破坏形态表现为轴向过大的压缩变形；在常规三轴试验中得到的应力-应变曲线与单轴压时的曲线特征存在明显不同，表现为更长的上升段、不明显的峰值点和更加平缓的下降段。

高丹盈[20]等则通过对比固定围压和固定围压比值两种情况下塑性混凝土的性能发现固定围压比值下的粘聚力比固定围压下高而内摩擦角则要小。

2.5 轻骨料混凝土

轻骨料混凝土是采用页岩陶粒、珊瑚礁等质量较轻的粗骨料制成的混凝土。宋玉普[12]对轻骨料混凝土在常规三轴和真三轴受压状态下的力学特性与普通混凝土进行了比较，发现当σ1/σ3≥0.3，σ2/σ3≥0.5时，前者的应力-应变曲线将出现应力平台流塑区，即在此区域应力基本不出现增长或增长幅度很小，而应变却快速增加，过此平台后，曲线再次上升，出现同普通低碳钢拉伸曲线相似的“应力强化”现象。

杨建辉[32]对全轻页岩陶粒混凝土进行试验得到的应力-应变曲线也有相同的特征，他认为出现这种现象是因为在高轴压应力作用下试件内部的砂浆骨架首先被破坏，随后骨料也被压碎，试件发生很大的压缩变形，而应力却没有增长，在骨料内部的孔隙被挤压密实后，试件的极限承载力进一步提高，曲线出现上升的“应力强化”现象。

张鹏[33]对比全轻页岩陶粒混凝土和钢纤维陶粒混凝土的三轴受压力学性能发现后者的三轴抗压强度的增大倍数要低。这与钢纤维混凝土三轴受压得到的结论一致。

3 恶劣条件下混凝土的三轴受压力学性能

3.1 高温或火灾

高温或火灾后结构中混凝土的强度和耐久性将发生劣变，结构的可靠度将降低。何振军[21]、张众[22]、姚伟[23]等对经受高温后的普通和高强混凝土进行了三轴受压试验，结果表明：经受温度越高，混凝土在3个主应力方向的峰值应力越小，应力-应变曲线线性上升段的斜率也越小；高温使混凝土单轴抗压强度的降低幅度大于三轴抗压强度的降低幅度，三轴抗压强度主要受应力比的影响。而苏益声[24]则认为高温后再生混凝土三轴受压应力-应变全过程曲线与普通混凝土基本相似。

3.2 冻融循环作用

处于水位变化区的水工建筑物和浪溅区的海工建筑物中的混凝土，受冻融循环作用，其力学性能将发生变化。于长江[25]，高怀帅[26]，覃丽坤[27]等通过试验研究了冻融循环作用对普通混凝土真三轴受压力学性能的影响，试验结果表明：经受冻融循环后单轴抗压强度和三轴抗压强度都有所降低；冻融循环次数对三轴抗压强度的影响更大，即使经受了冻融循环的作用，因侧向应力的约束作用，三轴抗压强度仍远强于单轴强度；此外，随作用次数的增加三轴抗压峰值应力处所对应的应变随之变大。

4 结论与展望

各种混凝土组成材料力学特性不同，导致他们的三轴受压力学性能存在差异。恶劣环境会使混凝土的三轴受压性能恶化，在研究上需得到越来越多的重视。

尽管对混凝土的三轴受压力学性能已经进行了大量的试验研究，但仍然存在一些待突破的研究方向。

a.在以往的三轴受压试验研究中，受试验装置的限制，按应力路径加载的试验很多，而按应变或应力应变复合路径加载的试验还比较少。

b.不同尺寸的混凝土试件在单轴受压时存在尺寸效应现象，在三轴受压时是否存在尺寸效应需要通过试验研究去确定。

c.粗骨料粒径、形状、性能等对混凝土在三轴受压下的性能的影响如何，尚需通过试验去探究。