2.5 劈裂抗拉强度、轴心抗压强度、抗弯强度影响因素分析
2.5.1 劈裂抗拉强度影响分析
2.5.1.1 试验方法
（1）试验仪器。劈裂抗拉试验是通过特制的钢制垫条将线性均布荷载施加于试件表面，达到劈裂试件的目的。为了进行劈裂抗拉试验，此次试验需对试验机进行相应改造，使得试验机的面荷载转变为均布线性荷载，并且在转化过程中垫条本身不应发生形变，避免在荷载转化过程中产生不均匀荷载，影响试验结果的准确性。依照《水工混凝土试验规程》（SL 352—2006）的要求，垫条选用了刚性材质的钢条，垫条长为200mm，截面宽为5mm，规范中截面高规定为5mm。垫条尺寸为200mm×5mm×5mm，上垫条通过两端的螺丝固定在上压板的中心位置；下垫条焊接在一块320mm×320mm的厚钢板中心位置，并将厚钢板和下垫条一同放置于压力机的下压板。压力试验机改装如图2.5-1所示。
图2.5-1 试验机器
（2）试验步骤。劈拉试验试件尺寸与抗压试验一致，为150mm× 150mm×150mm的标准立方体，具体试验步骤如下。
1）试件到达试验龄期后，从养护室取出，并尽快试验。试验前需用湿布覆盖试件，防止试件干燥。
2）试验前将试件擦拭干净，检查试件外观，判断是否有严重缺陷，如有严重缺陷，立即更换试件。在试件成型时的顶面和底面中间部位画出相互平行的参照线，准确定出试件劈裂面的位置并测量劈裂面尺寸（图2.5-2），试件尺寸的测量应精确至1mm。
图2.5-2 参照线绘制
图2.5-3 劈裂抗拉试验
3）将试件放在压力试验机下压板的中心位置。在上、下压板与试件之间垫垫条，垫条方向应与试件成型时的顶面垂直，将下垫条对准两条平行参照线的下部端点，操作压力机，使得上压板下落，在接近试件承压面时停止，观察上部垫条是否与平行参照线的上端点重合，如不满足要求，立即进行调整（图2.5-3），待以上步骤完成后，以0.01MPa/s加载速率连续而均匀地加载直至试件破坏为止，退出加载，试验停止，对荷载峰值进行记录。
2.5.1.2 影响因素分析
通过大量试验研究表明，水胶比、砂率、水泥用量、粉煤灰掺量等因素对胶凝砂砾石材料的劈拉强度影响规律与对立方体抗压强度影响规律一致，且材料劈裂抗拉强度与材料立方体抗压强度存在一定的对应关系，具体研究结论如下。
（1）在工程常用配合比范围中，存在最优水胶比，且最优水胶比和砂率紧密相关。工程常见砂率为0.1～0.4，对应的最优水胶比在1.0～1.4之间。砂率高时，对应的最优水胶比取上限，反之取下限。
（2）砂率为0.2时，胶凝砂砾石材料劈裂抗拉强度最大。
（3）同等条件下，每立方米胶凝砂砾石材料中，水泥用量每增加10kg，材料劈拉强度可提高10%～25%，但因其劈拉强度总体偏低，材料劈拉强度提高值在0.05～0.15MPa。且当胶凝材料（水泥＋粉煤灰）总量小于100kg/m3时，在最优水灰比、最优砂率下，水泥用量为40kg/m3时，胶凝砂砾石材料28d劈拉强度可达0.3～0.5MPa；水泥用量为50kg/m3时，胶凝砂砾石材料28d劈拉强度可达0.5～0.6MPa；水泥用量为60kg/m3时，胶凝砂砾石材料28d劈拉强度可达0.6～0.75MPa；水泥用量为70kg/m3时，胶凝砂砾石材料28d劈拉强度可达0.75～0.9MPa。胶凝砂砾石材料劈拉强度较低，通过增加每立方米胶凝砂砾石材料中水泥用量，来提高劈拉强度效果不明显。当胶凝砂砾石材料用在大坝工程中时，应尽量避免产生拉应力，或采取有效措施降低其拉应力。
（4）同等条件下，每立方米胶凝砂砾石材料中，粉煤灰掺量每增加10kg，材料28d劈拉强度有所增强，但是强度增加不明显，可提高3%～10%。
（5）胶凝砂砾石材料劈拉强度是抗压强度的7%～12%，即胶凝砂砾石材料劈拉强度是抗压强度的1/10左右。
参照混凝土试验总结的劈拉强度与立方体抗压强度间的关系，试验给出了胶凝砂砾石材料劈拉强度与立方体抗压强度关系公式：
式中：ft为劈拉强度；fcu为立方体抗压强度。
2.5.2 轴心抗压强度影响分析
2.5.2.1 试验方法
胶凝砂砾石材料轴心抗压强度试验试件尺寸为150mm×300mm的圆柱体试件，按照试验规范要求，以6个试件为一组，其中3个试件测定轴心抗压强度，3个试件测定静力抗压弹性模量。具体试验步骤如下。
（1）试件养护到规定龄期后，将试件从养护室中取出，用干布擦净试件表面，量测断面尺寸，为保持试件湿润状态应用湿布进行覆盖，并尽快试验。
（2）调整压力机上下压板的距离，将试件安放在试验机的下压板上，试件的中心应与试验机下压板的中心对准。按住试验机上的下降按钮使上压板下降，待上压板与试件即将接触时停止操作，调整上下压板的位置，使得上下压板平行，以保证不会在试验过程中产生偏心受压。
（3）设定压力机的加载速度为0.3MPa/s和适当的破损常数，开动试验机，试验机自动以设定的加载速度连续而均匀地加载。当出现峰值后，试件接近破坏而出现迅速变形，试验机仍会继续加载直到荷载峰值满足破损常数的要求，之后试验机自动停止加载，活塞回退，试件已破坏，记录破坏荷载。所采用的压力试验机与测定混凝土立方体抗压强度的试验机相同。试验装置如图2.5-4所示。
图2.5-4 胶凝砂砾石材料轴心抗压强度试验装置
2.5.2.2 影响因素分析
通过大量试验研究表明，水胶比、砂率、水泥用量、粉煤灰掺量等因素对胶凝砂砾石材料的轴心抗压强度影响规律与对立方体抗压强度影响规律一致，且材料轴心抗压强度与材料立方体抗压强度存在一定的对应关系，具体研究结论如下。
（1）在工程常用配合比范围中，存在最优水胶比，且最优水胶比和砂率紧密相关。工程常见砂率为0.1～0.4，对应的最优水胶比在1.0～1.4之间。砂率高时，对应的最优水胶比取上限，反之取下限。
（2）砂率为0.2时，胶凝砂砾石材料轴心抗压强度最大。
（3）同等条件下，每立方米胶凝砂砾石材料中，水泥用量每增加10kg，材料轴心抗压强度可提高10%～25%。且当胶凝材料（水泥＋粉煤灰）总量小于100kg/m3时，在最优水灰比、最优砂率下，水泥用量为40kg/m3时，胶凝砂砾石材料轴心抗压强度可达3.0～3.5MPa；水泥用量为50kg/m3时，胶凝砂砾石材料轴心抗压强度可达3.5～4.0MPa；水泥用量为60kg/m3时，胶凝砂砾石材料轴心抗压强度可达4.5～5.0MPa；水泥用量为70kg/m3时，胶凝砂砾石材料轴心抗压强度可达5.0～5.5MPa。
（4）同等条件下，每立方米胶凝砂砾石材料中，粉煤灰掺量每增加10kg，材料28d轴心抗压强度有所增强，但是强度增加不明显，可提高1%～10%。分析原因与立方体抗压强度和劈拉强度一致。
（5）胶凝砂砾石材料轴心抗压强度和立方体抗压强度呈线性关系，胶凝砂砾石材料轴心抗压强度为立方体抗压强度的56%倍左右。
（6）通过大量试验数据整理后，按立方体抗压强度分为不同区间，对应的材料抗压弹性模量见表2.5-1。
表2.5-1 不同立方体抗压强度区间对应的抗压弹性模量值
胶凝砂砾石材料的静力抗压弹性模量随着试验配合比的变化而变化，数值介于5～18GPa之间。常规混凝土C10的弹性模量为17.5GPa，故胶凝砂砾石材料整体抗压弹性模量低于C10混凝土。另外，胶凝砂砾石材料的抗压弹性模量和材料抗压强度变化规律一致，强度高时弹性模量大，强度低时弹性模量小。但材料弹性模量整体来说数值偏低，材料抵抗变形能力差。
2.5.3 抗弯强度影响分析
2.5.3.1 试验方法
（1）试验仪器。本书采用简支梁三分点加荷法测定胶凝砂砾石材料抗弯强度。
试验室拥有一台附带有全自动控制系统的压力机，该试验机主要用来进行抗弯强度试验，根据试验规范要求，弯曲试验试验机需带有弯曲试验架，因此，在进行弯曲试验之前需要对试验室的试验机进行相应的改造。
试验加荷装置为：双点加荷的钢制加压头，要求应使两个相等的荷载同时作用在小梁的两个三分点处，与试件接触的两个支座头和两个加压头应具有半径约15mm的弧形端面，其中的一个支座头和两个加压头宜既能滚动又能前后倾斜，试件受力情况如图2.5-5所示，图中1为支座，2为应变片，此次试验中h取值为100mm。
图2.5-5 弯曲试验示意图
在实际的改造中，由于上部的加荷部件固定在压力计上压板上，上压板以球铰形式连接，同样能够前后倾斜，故而将两个半径约15mm弧形端面的加压头直接固定在上部加荷装置上。下部支座是将一个半径15mm弧形端面的支座头固定于底座一端，另一端是将同样的支座头放置于底座上，可以自由滚动，满足规范的要求。在上部加荷装置上开凿两个螺丝孔，将上部加荷装置固定于压力机上压板上，使之成为整体，下部支座装置放置于压力机的下压板上即可。弯曲试验加荷装置改装如图2.5-6所示。
图2.5-6 弯曲试验加荷装置
（2）试验步骤。
1）试件到达规定龄期后，从养护室取出试件，并尽快试验。试验前应用湿布覆盖试件，防止试件干燥。
2）试验前将试验所用试件擦拭干净，检查试件外观，有严重外形缺陷的试件应该更换，避免对试验的实际结果产生影响，测量试件端面尺寸，测量精度应精确至1mm，并且在试件的侧面画出加荷点位置和支座头所在位置作为放置试件时的基准线。
3）测试弯曲拉伸应变时，先将试件底面中间段受拉侧粘贴电阻应变片位置的表面用电吹风吹干，随后用502胶粘贴应变片，粘贴前确认应变片的正反面，防止贴反，并再次检查应变片是否粘贴牢固，防止试验过程中掉落。
4）将试件在试验机的支座上放稳，根据已画好的基准线对正，试件成型时的侧面应作为试验时的承压面。调整支座头和加压头的位置，间距的偏差不应大于±1mm。开动试验机，当加压头与试件承压面将要接近时，停止试验机调整加压头及支座，使其与试件均衡接触。如加压头与支座不能接触均衡，则在接触不良处应予以垫平，保证荷载均匀加载在试件上（图2.5-7）。对压力机参数进行设置，加载速率设置为0.1kN/s，随后对变形测量装置——电阻应变仪的相关参数进行设置。
5）开动试验机，进行两次预弯，预弯荷载相当于破坏荷载的15%～20%，由于胶凝砂砾石材料抗弯强度较之普通混凝土低，在预弯时同时使用电阻应变仪对应变进行监控，防止预加载过多导致试件断裂。预弯完毕后，重新调整应变仪，使应变指示为0，然后进行正式测试，以100N/s的加载速率连续而均匀地加载，不得出现冲击的状况，每加载500N测读并记录应变值，在测读前应保持荷载40s左右，待之稳定。当试件破坏时，退出加载（图2.5-8），立即关闭电阻应变仪，防止压力机产生的微小静电击穿电阻应变仪。
图2.5-7 弯曲试验
图2.5-8 试件破坏
2.5.3.2 影响因素分析
通过大量试验研究表明，水胶比、砂率、水泥用量、粉煤灰掺量等因素对胶凝砂砾石材料的抗弯强度影响规律与对立方体抗压强度影响规律一致，且材料抗弯强度与材料立方体抗压强度存在一定的对应关系，具体研究结论如下。
（1）在工程常用配合比范围中，存在最优水胶比，且最优水胶比和砂率紧密相关。工程常见砂率为0.1～0.4，对应的最优水胶比在1.0～1.4之间。砂率高时，对应的最优水胶比取上限，反之取下限。
（2）胶凝砂砾石材料配合比设计存在最优砂率，砂率为0.2时，胶凝砂砾石材料抗弯强度最大。
（3）同等条件下，每立方米胶凝砂砾石材料中，水泥用量每增加10kg，材料抗弯强度可提高25%～60%。且当胶凝材料（水泥＋粉煤灰）总量小于100kg/m3时，在最优水灰比、最优砂率下，水泥用量为40kg/m3时，胶凝砂砾石材料抗弯强度可达0.5MPa左右；水泥用量为50kg/m3时，胶凝砂砾石材料抗弯强度可达0.7～1.1MPa；水泥用量为60kg/m3时，胶凝砂砾石材料抗弯强度可达1.3～1.7MPa；水泥用量为70kg/m3时，胶凝砂砾石材料抗弯强度可达2.0MPa左右。
（4）同等条件下，每立方米胶凝砂砾石材料中，粉煤灰掺量每增加10kg，材料28d抗弯强度有所增强，但是强度增加不明显，可提高3%～15%。
（5）胶凝砂砾石材料的抗弯强度和立方体抗压强度存在线性关系，胶凝砂砾石材料的抗弯强度为立方体抗压强度的15%左右。
（6）通过大量试验数据整理后，按立方体抗压强度分为不同区间，对应的材料抗弯弹性模量见表2.5-2。
表2.5-2 不同立方体抗压强度区间对应的抗弯弹性模量值
分析数据可得，胶凝砂砾石材料的弯曲弹性模量随着试验配合比的变化而变化，数值介于4～14GPa之间，且材料抗弯弹性模量与抗压弹性模量之间存在一定的比值关系，胶凝砂砾石材料的弯曲弹性模量约为抗压弹性模量的82.6%，材料抵抗弯曲变形能力差。