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鋼筋拉伸強力試驗

發布時間:2017-12-25 10:40

鋼筋的用途是埋在混凝土中提高周圍混凝土的整體強度。材料產品標準旨在幫助確保全世界生產的鋼筋無論產地,都表現出相同的物理、化學和機械特性。為了確定鋼筋是否符合它發布的規格,有必要執行相應的機械試驗,確保產品的質量。
 
鋼筋的力學試驗要求不盡相同,但通常可歸為以下幾種基本試驗類別:      
· 拉伸
· 彎曲
· 壓縮
· 疲勞
 
也可能需要其他相關產品試驗,例如機械對接(聯軸器)的滑動試驗。本文檔主要著重闡述十分常用的但有時充滿挑戰的拉伸試驗。
 
拉伸試驗和標準
在全球層面上,國際標準組織 (ISO) 下轄的技術委員會負責為全球的鋼筋產品制訂產品和試驗標準。除規定螺紋鋼的最小上屈服強度 (Reh)、Rm/Reh 比和伸長率等特性外,ISO 6935-2 等 ISO 產品標準還規定了如何測量它們的拉伸特性。標準中直接闡述了鋼筋產品的特殊試驗要求,并額外引用了 ISO 15630-1,后者專門重點介紹類似產品的試驗方法。ISO 15630-1 在適當的地方進一步引用了更常見的金屬拉伸試驗標準 ISO 6892-1。

表格 1 — 常見鋼筋產品和試驗標準的例子

在地區層面,許多國家也有地方標準組織,有的甚至可能在全球 ISO 委員會成立之前就已經存在。他們經常維護他們自己的產品和試驗標準,也可能在適當的情況下選擇采納全球 ISO 標準。例如在美國,ASTM很早就為鋼筋制訂了產品和試驗標準。ASTM、A615、A706、A955 和 A996 等產品標準提供最基本的產品規范,同時也加入用于確定拉伸特性的特殊試驗詳情。還可能引用了 ASTM A370 中的額外試驗要求。該鋼鐵試驗標準闡述鋼鐵產品的力學試驗。還進一步引用了基本的金屬拉伸試驗標準 ASTM E8。
無論哪一個管理機構制訂,大多數全球和地方標準中提供的信息非常翔實,旨在幫助用戶了解以下基本試驗要求:
· 所需的設備
· 相關術語和符號
· 試樣制備
· 試驗過程或方法
· 計算或確定結果
 
雖然標準提供了全面的詳情,但仍可能留下一些可供用戶自我解讀的空間,這經常引起試驗執行方式上的差異。另外,如果實驗室依據各種全球或地方標準進行產品試驗,那么充分理解和辨別不同標準中的術語和方法之間的細微差別也可能充滿挑戰。
 
本文檔意在對鋼筋產品和試驗標準進行補充,將嘗試在用戶經常誤解或曲解的地方提供進一步解釋說明。文檔內容具有籠統性和總結性,因此無論遵循哪個試驗標準都可以運用它。
 
設備考慮因素
 
容納彎曲試樣
根據標準的指示,在拉伸試驗前必須拉直鋼筋試樣。結果許多試樣在它們的長度方向上仍可能具有輕微的彎曲或非線性情況。因此,機架和夾具如果能夠容納輕微彎曲的試樣最好。


圖 2 — 非盤曲的鋼筋在長度方向上展現出輕微的彎曲

為保持試樣的軸向對中,建議采用夾持中心位置的機械夾具。例如 Instron? DuraSync? 等液壓平推夾具最適用于夾持彎曲試樣,因為 2 面之間的機械平衡(同步)使得它們即使在來自彎曲試樣的側載荷抵制夾面閉合時也能夠夾持在中心位置。這有助于提高對中度,消除在試驗之間對夾具“復位”的必要性。
 
“復位”通常與液壓同步的夾具設計有關,當存在試樣側載荷時,液壓同步夾具不能夾持在中心位置。在試驗之間不對此類夾具復位容易造成上下夾具之間不一致。


圖 3 — DuraSync 平推夾具將鋼筋試樣夾持在中心位置

試樣變形和結垢
夾面必須能夠容納鋼筋試樣表面上常見的變形和鱗垢。夾面鋸齒間聚集鱗垢可能導致試樣打滑。齒形太具攻擊性可能導致試樣過早斷裂,而且試驗后不易取出兩半試樣。因此夾齒的輪廓應允許鱗垢自然掉落或者在試驗之間可以輕松地將它們刷掉。它們還應該降低夾具造成試樣斷裂的可能性。如果斷裂成兩半的試樣還卡在夾面中,操作人員必須用錘子或其他方式將它們取出。這會降低效率,增加操作人員的疲勞感和挫折感。
還應該為夾具的機械功能提供鱗垢掉落保護。如果鱗垢可以進入活動件之間,它們可能磨損至關重要的表面,造成性能不佳或夾具故障。為了幫助防止不必要的磨損,定期從試驗設備清除鱗垢非常重要。


圖 4 — 一次試驗后下夾具堆積大量鱗垢

劇烈的試樣斷裂
由 于鋼筋試樣在拉伸斷裂期間會釋放大量的蓄能,因此試驗系統必須能夠承受試樣回彈造成的震動。夾具受到的沖擊最大,必須足夠堅固,能夠吸收這些沖擊力,同時 仍能牢固夾持已經斷裂的兩半試樣,使它們不會從試驗機架中飛出。飛出的試樣碎片可能對操作人員構成安全危險,造成設備損壞。基于以上所有理由,建議使用液 壓作動的(楔形或平推)夾具。

圖 5 — 斷裂后的 #18 (57 mm) 鋼筋分離(彈回)

引伸計
在鋼筋試驗中,并非總是需要引伸計。如果可以看見明顯的屈服點(上屈服 — Reh),無需引伸計,只要報出此點的應力值就可以確定屈服強度。而斷后伸長率(ASTM 和 ISO)和最大力總伸長率 (ISO) 可在試驗后通過試樣表面上的標記手動確定。
不 過很多時候必須使用引伸計來計算偏置屈服 (Rp0.2) 等結果,另外通過自動而不是根據試樣標記手動確定伸長率時也需要使用引伸計。在這些情況下,常 用的引伸計比機械加工的金屬試樣所用的引伸計具有更大的標距長度。它們還必須足夠堅固,能夠承受試驗期間掉落在它們上面的鱗垢,而且能夠貼附在變形鋼筋的 不平坦表面上。根據變形,它們可以貼附在變形之間的平坦表面上,也可以貼附在縱向肋條上。
鋼筋試驗中最常用的引伸計為手動夾持式引伸計,在運行試驗前,由操作人員直接安裝到鋼筋上。如果引伸計不能承受斷裂,則必須在屈服發生后試樣斷裂前由操作人員手動拆除。能夠承受試樣斷裂的手動引伸計在這方面具有優勢,不過,如果經常跟蹤到斷裂,刀口磨損可能加速。


圖 6 — 手動夾持式鋼筋引伸計

大多數手動引伸計還具有固定的標距長度設計。在使用不同標距長度對多種規格的鋼筋進行試驗時,必須準備多個具有唯一標距長度的引伸計。市場上有些手動引伸計 可以配置多種不同的標距長度,因此一個引伸計可以滿足大多數常見需求。這些引伸計需要操作人員在需要不同標距長度的試驗之間正確地手動配置引伸計。
 
自動接觸式引伸計,如 Instron? AutoX750,相對于手動引伸計具有多項優勢。自動移除和夾持,操作人員不用進入試驗空間,消除了與試樣斷裂 相關的所有風險。自動根據軟件輸入設定標距長度,并且在引伸計的整個行程上可以無限調節,這樣一臺引伸計可以滿足所有試樣需求。需要時,還可以跟蹤到斷 裂。自動引伸計可能是需要自動記錄伸長率測量值的最佳解決方案。結論部分將對此進行進一步討論。


圖 7 — 1500KPX 上的 AutoX750 11 號 (36 mm) 鋼筋試驗

試驗速度與控制
遵循試驗標準頗具挑戰性的方面之一是確定如何正確高效地執行拉伸試驗。雖然標準對試驗不同階段的允許試驗速度和控制模式進行了具體詳細的說明,但正確地執行試驗仍可能非常困難。這可能與標準解釋起來困難和試驗設備存在限制二者有關。
可以看到,影響試驗控制和速度的詳細說明分散在試驗標準的各種部分。而且還可能必須參考多個標準才能獲得所有必需的試驗設置信息。因此充分理解試驗順序的所有方面,以及如何運用于既定試驗系統非常困難。
對于鋼筋拉伸試驗,將拉伸試驗分解成多個獨立的試驗階段很有用。無論遵循哪一種試驗標準,這種方法都適用。
 
5 個基本區域是:
 
· 試驗前準備
 
· 預加載
 
· 彈性區
 
· 屈服
 
· 塑性區
 
試驗前準備
在 試驗前準備階段,讓機器做好試驗準備。安裝正確的夾具,調整試驗開口。在安裝試樣前,應將力(載荷)測量值調零。一旦將試樣裝入系統,不能對力再做進一步 的調零,因為這將影響到試驗結果。如果使用手動引伸計測量應變,應將手動引伸計連接到試樣上,確保將刀口正確地設置在引伸計的標距長度上。然后在安裝試樣 前,應將應變測量設置為零。
 
預加載
預 加載階段用于在試驗前對試樣施加最低的預載荷(小于 5% 的預期屈服強度),以將它正確地設置在夾具中,同時幫助拉直試樣。應力或力相對于橫梁或作動缸 位移的曲線通常表明,由于夾具和加載鏈拉直(收縮系統柔度),載荷的微小增加會引起位移的大幅上升。如果不進行預加載就使用引伸計,許多鋼筋試樣將在試驗 開始時隨著試樣拉直而表現出負應變。由于這一原因和/或系統柔性,應力應變曲線上經常會忽略或不記錄試驗預加載期間的數據。
在伺服控制系統上,通常緩慢進行預加載,并使用橫梁或作動缸位移反饋來控制試驗速度。不建議根據載荷、變力或應變反饋來控制預加載,因為這可能導致加速過快,造成試樣在夾具中被迅速拉直,引起不良的后果。
根 據預加載期間收縮(減少)的系統柔度或松垂量,可能有必要或者最好在預加載結束時將應變測量置零。不過必須謹防對總應變測量產生不利影響。無論哪一種情 況,都應調整依靠引伸計應變獲得的試驗結果,這樣試驗曲線初始的任何非線性行為就不會對任何試驗結果產生不利影響。本文檔下文結果部分的線性斜率一節將對此進行闡述。
 
 
彈性區(屈服前)
應力應變曲線上可見的試驗彈性區或直線部分經常因為鋼筋試樣進一步拉直而在開始時表現出某種非線性行為。如果使用引伸計,在試驗開始時可能出現微負應變,對于鋼筋,這一般被認為是正常的。
根據遵循的標準,在彈性區和屈服發生前允許存在各種試驗控制和目標速度。使用的控制和相關速率可能取決于設備限制或被測的具體產品。
在伺服控制系統上運行試驗時,記住以下場景非常重要。如果使用橫梁或作動缸位移控制,一般可以在試驗的彈性和屈服部分使用相同的控制和速度,這是大家可以接受的。不過,如果使用應力或應變反饋控制,試驗必須在屈服正好發生前或開始時切換到橫梁或作動缸位移控制。
 
屈服
屈 服一旦開始,許多等級的鋼筋將呈現出確定的屈服點,這在應力應變試驗曲線上顯示為急轉彎。然后在作用力微增或者無增加的情況下出現一段試樣伸長率。為此, 必須使用橫梁或作動缸位移反饋控制伺服控制系統,以在整個屈服過程中保持恒定的速度。記住下面一點非常重要,在屈服期間使用應力控制將導致試驗過度加速, 這直接違反了標準的規定。而且還可能導致屈服點(上屈服)被掩蓋或抹平,造成屈服強度結果高出預期。同樣,引伸計的應變控制在屈服期間還可能變得不穩定, 因此在鋼筋試驗時建議不要使用。

圖 8 — 鋼筋應力應變曲線的彈性和屈服區

塑性區(屈服后)
如標準明確規定的那樣,在完成屈服后增加試驗速度是可以接受的。對于伺服控制的機器,在這一末端區域控制試驗的最好辦法是利用橫梁或作動缸位移控制(與屈服一樣)。不過可以按照所遵循的標準來提高速度。從而在更短的時間內完成試驗,同時仍可獲得可以接受的、可再現的結果。


表 2 — 鋼筋試驗區域的目標試驗速率

結果:術語
試 驗標準包含一系列術語、結果名稱和符號來正確標識在試驗期間收集到的關鍵信息。為確保符合標準和正確地報告結果,充分理解這些信息非常重要。如果依據多個 標準進行試驗,還必須解理它們之間的異同點。在某些情況下,標準組織可能采用不同的術語或結果名稱來表示同一個特性。下表所示 為 ISO 和 ASTM 標準中發現的幾個常見結果示例。從表格中可以看出它們的相同點,以及不同點。



在 上文討論試驗控制的部分已指出,機器作動缸或橫梁不應在屈服期間加速。這會導致屈服點在試驗曲線上被“隱藏”,因為加速將導致數據趨于平滑。如果使用的是 伺服控制系統,應確保在屈服過程中根據作動缸或橫梁位移執行試驗控制。如果使用的是手動控制系統,應確保在屈服過程中保持恒定的橫梁分離速率。如果沒有看 到期望的指定屈服點,應從檢查所用的試驗控制入手。
如果沒有使用引伸計,則必須根據試驗前刻在試樣上的標記手動確定伸長結果,例如上一表格中的伸長結果。如標準所述,試驗后將斷裂的兩半試樣重新放在一起,然后從試樣斷裂處兩側找到的標記進行手動測量。如果伸長結果出現沖突,通常需要使用手動方法解決這些沖突。
總之,手動試驗方法相對簡單,但嚴重依賴操作人員正確記錄屈服點和手動測量伸長。在此過程中,每增加一個手動步驟就可能降低操作人員和系統之間結果的可重復性和再現性。這將把結果置于具有爭議的風險,可能需要更多頻繁的重復試驗。
 
結果:使用引伸計
許多高級鋼筋不會呈現明顯的屈服點。在這種情況下,通常必須使用偏置方法確定屈服強度。這要求使用引伸計測量應變,并繪制應力-應變曲線,然后可以再確定 0.2% 偏置屈服強度 (Rp0.2)。
最現代的試驗系統能夠自動生成屈服強度。不過,確認和驗證試驗方法設置對于確保獲得一致、準確的屈服強度結果非常重要。應特別注意以下方面。
 
線性斜率
試 驗標準描述將直線擬合到試驗曲線的線性部分的各種方法。此線代表曲線彈性區的斜率,由于夾具夾緊和加載鏈拉直(如上文預加載部分所述),它可能在某個位置 與應變軸相交而不是原點。由于屈服強度取決于此線的斜率及其 X 軸截距,正確進行設置至關重要。下圖(圖 10)所示為適當定義的線性斜率和相應的偏置 屈服強度 (Rp0.2)。


圖 10 — 正確的線性斜率線和獲得的偏置屈服 (Rp0.2)

此斜率線設置不當可能導致屈服強度結果不準確而錯誤地造成材料不合格或合格!圖 11 中的圖表包括圖 10 中的相同圖表。不過定義線性斜率的直線沒有正確地擬合到試驗曲線上,因此相應的偏移屈服強度 (Rp0.2) 高于應有值。


圖 11 — 不正確的線性斜率線和獲得的偏移屈服 (Rp0.2)

利用線性斜率線的 X 軸截距以及應力-應變曲線的應變軸而不是原點計算(或調整)所有伸長測量也很重要。這將提高試驗結果的可重復性,還可在預加載結束時根據情況對應變調零。
 
屈服強度 — 偏置方法 (Rp0.2)
 
用 于確定鋼筋屈服強度的最常用偏移量是 0.2%。如標準所闡述,偏移線平行于代表曲線線性或彈性區的直線,并從此線的 X 軸截距偏移。為了確保正確偏 移,必須在屈服過程中一直準確地測量應變。對應變讀數造成不利影響的任何情況 — 例如不當的引伸計設置或試驗期間滑動 — 可能直接影響屈服強度結果。
 
屈 服期間不當的試驗控制可能造成屈服強度過高。如前面所述,屈服期間加速違反試驗標準。更重要的是,加速或試驗速度超過標準允許的范圍可能引起屈服強度值虛 高。這點在通常不產生明顯屈服點的鋼筋等級上不太明顯,容易造成原本不合格的材料被錯誤地測定為合格。應通過確認采取了正確的試驗控制來避免此類風險。
 
載荷下伸長 (EUL) 屈服
 
ASTM 鋼 筋標準的早期版本要求獲得額外的屈服強度結果,報告出 0.35% 位移時的應力。不顯示明顯屈服點的所有鋼筋產品需要此結果,其目的是使 ASTM 標 準與美國混凝土協會 (ACI) 建筑規范保持一致。對于這一要求,ASTM 和 ACI 之間達成了進一步的協調。自 2014 年起,ASTM 鋼筋 標準和 ACI 建筑規范不再要求獲得這一額外的 0.35% 載荷位移 (EUL) 屈服強度結果。
 
伸長 — 自動方法
 
使用引伸計時,可以直接從應變測量中記錄伸長結果,例如 Agt 或斷裂后伸長百分率 (A5)。這有助于自動記錄伸長結果,從而無需標記試樣并在試驗后手動測量。
 
在 自動確定 Agt 時,引伸計必須在通過最大力時保持連接狀態。然后由系統試驗軟件自動報出最大應力點處的總應變。它還可以自動適應線性斜率線的 X 軸 截距。不過,如果引伸計是需要在斷裂后拆除的手動設備,要求操作人員在最大力發生后拆除它極其危險。許多等級的鋼筋在達到最大力后很快就會發生猛烈的斷 裂。自動引伸計還提供在試驗期間任何時間點自動拆除的另一大優勢。這在保護操作人員乃至引伸計的同時,仍可自動捕獲 Agt。
 
在自動確定斷裂后伸長百分率時,引伸計通常必須經歷斷裂過程。然后記錄試驗結束時確定的斷裂點處的應變。試驗軟件還必須能夠減除應變的彈性部分,使結果更能與手動方法媲美。這取決于所遵循的標準。如果斷裂位置離刀口太近,伸長結果將低于預期值,并造成不合格。
 
或 者,如果系統能夠自動根據作動缸行程(橫梁位移)獲得應變,并在拆除引伸計后獲得試樣標距長度,則可在達到最大力后拆除引伸計。這是因為一旦達到最大力 后,系統柔度(拉伸)就不會再引起系統位移。而認為此點后發生的任何作動缸或橫梁行程完全是試樣伸長造成的。試驗軟件必須能夠切換引伸計拆除點處的應變 源,并將應變測量標準化,然后才有用。關于斷裂位置,還有另一個好處。由于在最大力后拆除引伸計,因此無論斷裂發生在什么位置(假設在夾具中沒有斷裂), 根據作動缸或橫梁行程測得的伸長將可以獲得試樣伸長。相對于讓引伸計經歷斷裂過程,這將得到更加一致的伸長結果,需要更少的重新試驗。
記住,在某些情況下仍可能需要手動伸長方法,結果不可直接與自動方法互換。在結果存在爭議的情況下,通常需要采用手動方法。
 
 
總結和結論
 
全球和地方鋼筋產品及試驗標準闡明了鋼筋規格和力學試驗要求。它們致力于確保全世界生產的鋼筋具有一致的質量。
 
確保遵循必需的標準,而且遵循的是最新標準對于任何拉伸試驗計劃來說都極為重要。為了進一步降低錯誤地將產品歸為合格或不合格的風險,定期評估試驗過程的所有方面并采取必要的糾正措施也很必要。評估應包括:
 
· 設備(機器、夾具、引伸計)
 
· 試樣設備 
 
· 設置(軟件和硬件)
 
· 試驗控制(自動或手動)
 
· 計算結果(自動或手動)
 
· 圖表分析
 

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