劈裂強度測試：原理、方法與工程應用

一、引言

在材料力學性能評估中，劈裂強度（Splitting Strength）是衡量材料抵抗垂直于加載方向拉伸破壞能力的關鍵指標，尤其適用于難以直接進行拉伸試驗的脆性材料（如混凝土、巖石、瀝青混合料等）。與直接拉伸試驗相比，劈裂試驗通過“壓縮轉化為拉伸”的間接方式，有效避免了試樣夾持困難、偏心加載等問題，因此被廣泛應用于建筑、交通、地質等工程領域的質量控制與設計分析。

二、劈裂強度的測試原理

劈裂強度測試的核心原理是巴西劈裂法（Brazilian Test），由巴西工程師A. Carneiro于1943年提出。其理論基礎源于彈性力學中的圓盤受徑向壓縮模型：
當一個直徑為 $d$ 、厚度為 $h$ 的圓柱形（或圓盤形）試樣，在直徑方向受到一對對稱的線荷載 $P$ 作用時，試樣內部會產生徑向拉應力和環向壓應力。根據彈性力學解，試樣中心處的徑向拉應力最大（公式1），且均勻分布于直徑平面內。當拉應力達到材料的抗拉強度時，試樣會沿加載直徑方向劈裂破壞（圖1），此時的最大荷載 $P_{\text{max}}$ 可用于計算劈裂強度。

劈裂強度計算公式：
$f_t = \frac{2P_{\text{max}}}{\pi d h}$
式中：

$f_t$ ——劈裂強度（MPa）；
$P_{\text{max}}$ ——試驗過程中的最大荷載（N）；
$d$ ——試樣直徑（mm）；
$h$ ——試樣厚度（mm）。

該公式假設試樣為均勻、各向同性的彈性材料，且加載過程中無偏心或局部應力集中。

三、測試設備與試樣制備

1. 主要設備

劈裂強度測試的核心設備包括：

壓力試驗機：需滿足試樣破壞荷載的要求（通常為1000~3000kN），且具有恒定加載速度控制功能（如0.05~0.1mm/min）；
劈裂夾具：由上下兩塊弧形壓板（半徑與試樣直徑匹配）和墊層（如橡膠條、纖維板）組成，用于均勻傳遞荷載，避免試樣局部受壓；
位移傳感器（可選）：用于測量試樣在加載過程中的變形，分析應力-應變關系；
測量工具：游標卡尺、鋼直尺等，用于試樣尺寸的精準測量（誤差≤0.1mm）。

2. 試樣制備

試樣的尺寸、形狀及狀態直接影響測試結果的準確性，需根據材料類型遵循相關標準（如混凝土、巖石、瀝青混合料的試樣要求略有差異）：

混凝土：常用圓柱體試樣（直徑150mm×高度150mm或直徑100mm×高度100mm），需標準養護28天，表面平整（端面不平整度≤0.05mm）；
巖石：圓盤試樣（直徑50~100mm×厚度25~50mm），需通過切割、打磨保證端面平行，無明顯裂隙；
瀝青混合料：圓柱體試樣（直徑100mm×高度63.5mm），需在標準溫度（如25℃）下恒溫4小時以上，確保材料狀態穩定。

注：試樣表面若有缺陷（如裂縫、氣孔），應剔除或標記，避免影響結果代表性。

四、測試步驟

1. 試樣預處理

測量試樣的直徑 $d$ （取圓周上均勻分布的3個點的平均值）和厚度 $h$ （取兩端面中心及邊緣的3個點的平均值）；
對于吸水材料（如混凝土），需在試驗前進行飽和處理（如浸泡24小時）或干燥處理（如105℃烘干至恒重），具體取決于測試目的（如干態或飽水態強度）；
安裝墊層：在劈裂夾具的弧形壓板上粘貼橡膠條（厚度2~3mm，寬度20~30mm），確保荷載均勻傳遞。

2. 試樣安裝

將試樣放置在壓力試驗機的下壓板中心，確保試樣直徑與加載方向垂直；
調整上壓板位置，使弧形壓板與試樣表面緊密接觸，且加載線與試樣直徑重合（避免偏心加載）；
若使用位移傳感器，需將其固定在試樣兩側，測量直徑方向的變形。

3. 加載與數據記錄

啟動壓力試驗機，以恒定速度（如混凝土采用0.05mm/min，巖石采用0.1mm/min）加載；
實時記錄荷載 $P$ 與位移 $\delta$ 的關系，直至試樣破壞（表現為沿加載直徑方向的明顯劈裂）；
停止加載，記錄最大荷載 $P_{\text{max}}$ 及破壞形態（如劈裂面是否貫穿、是否有 secondary 裂縫）。

4. 結果計算與分析

根據公式（1）計算劈裂強度 $f_t$ ，保留2位有效數字；
若同一組試樣（通常為3~5個）的試驗結果離散性較大（變異系數＞15%），需重新測試；
分析破壞形態：若劈裂面偏離加載直徑或有多個裂縫，說明試樣存在缺陷或加載偏心，結果無效。

五、影響測試結果的關鍵因素

1. 試樣尺寸

尺寸效應： larger 試樣（如直徑150mm vs 100mm）的劈裂強度通常更低，因內部缺陷概率更高；
高徑比（ $h/d$ ）：當 $h/d$ ＜0.5時，試樣易發生剪切破壞而非拉伸破壞，因此需控制 $h/d$ 在0.5~1.0之間。

2. 加載速度

加載速度越快，材料的“應變速率強化”效應越明顯，測得的劈裂強度越高；
需嚴格遵循標準加載速度（如GB/T 50081-2019規定混凝土劈裂試驗加載速度為0.05~0.1mm/min）。

3. 試樣狀態

濕度：混凝土、巖石等吸水材料的飽水態劈裂強度比干態低10%~30%（因水的軟化作用）；
溫度：瀝青混合料的劈裂強度隨溫度升高而顯著降低（如25℃時強度約為0℃時的1/3）。

4. 加載偏心

若試樣安裝時加載線與直徑不重合，會導致局部壓應力過大，使劈裂強度測試值偏高或偏低；
解決方法：使用帶定位裝置的劈裂夾具，或在試樣表面標記直徑線。

六、工程應用場景

劈裂強度測試在工程中的應用極為廣泛，主要包括：

1. 混凝土結構質量控制

評估混凝土預制構件（如梁、柱、管片）的抗裂性能，確保其滿足設計要求（如地鐵盾構管片的劈裂強度需≥2.5MPa）；
檢測現場澆筑混凝土的強度，替代部分抗壓強度試驗（因劈裂強度與抗壓強度相關性較好，且試樣制備更簡便）。

2. 巖石工程穩定性分析

用于隧道、邊坡、基坑等工程的巖石力學參數測試，評估巖石的抗拉強度（如花崗巖的劈裂強度約為5~15MPa）；
預測巖石邊坡的破壞模式（如拉裂破壞），為支護設計提供依據。

3. 瀝青路面設計與施工

測量瀝青混合料的劈裂強度（如AC-13型瀝青混合料的25℃劈裂強度需≥1.0MPa），評估其低溫抗裂性能；
控制瀝青路面的施工質量，避免因混合料強度不足導致的早期開裂（如反射裂縫、溫度裂縫）。

七、注意事項

試驗前需校準壓力試驗機的荷載傳感器（誤差≤1%），確保數據準確；
試樣表面需平整、無缺陷，否則應進行打磨或剔除；
加載過程中需保持勻速，避免突然加載導致的試樣破壞；
試驗后需記錄試樣的破壞形態，以便分析結果的有效性。

八、

劈裂強度測試作為一種間接拉伸試驗方法，具有操作簡便、結果穩定、適用性廣等優點，是工程中評估脆性材料抗裂性能的重要手段。通過掌握其原理、規范試驗步驟、控制影響因素，可準確獲取材料的劈裂強度，為結構設計、質量控制及事故分析提供可靠依據。隨著測試技術的發展（如數字圖像相關法DIC用于變形監測），劈裂強度測試的精度和效率將進一步提高，為工程實踐提供更有力的支持。