新型單軸壓縮試驗

以擬脆性材料為例，於單軸壓縮應力路徑下之破壞(Failure)主要 係因荷重持續加載下材料內部微裂縫之產生、擴展及延伸所導致；因 此材料的破壞是指一過程，並非指一狀態。故研析擬脆性材料時，應 同時探討材料受載時之完整應力-應變加載歷程曲線與體積變化之特 性，因此藉由單軸壓縮試驗，可求得材料之抗壓強度(Strength, σc or qu)、彈性模數(Elastic Modulus, E)以及柏松比(Poisson Ratio, ν)。

第一項 單軸壓縮試驗完整加載歷程

Goodman(1989)曾說明脆性固材於單壓中的定性物理現象，如下 敘述(圖 2. 26)：

(1) 孔隙閉合(OA)階段

材料開始受壓而原生(Inherent)內部孔隙閉合，呈現一斜率漸增之 應力-應變曲線。

(2) 線彈性(AB)階段

假設原生內部孔隙已穩定閉合且不延伸，應力-應變曲線之斜率 為定值。就體積變化行為而言，軸向應力與側向應變或體積應變曲線 維持線性關係直至 B 點為止

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(3) 裂縫穩定延伸(BC)

通過 B 點時，新微裂開始在材料內部生成，通常發生於試體中 央附近，其延伸方向大致與最大主應力軸方向平行；於材料組構間互 鎖之控制下，微裂發展與外力呈一穩定關係，即施加定量之應力增量 (stress increment)，裂縫僅會增長有限長度隨後停止增長。於此階段下，

柏松比隨軸向應力增加而逐漸上升。

(4) 裂縫不穩定延伸(CD)階段

通過 C 點後，既有生成之裂縫則開始向試體周邊延伸，且裂縫 逐漸匯流合併，於試體表面上形成半連續(Semi-continuous)之破裂面，

或可被稱作為斷層(Fault)。當應力達到 C 點時，試體的總體積已大於 初始體積；Bieniawaki (1976)則是認為當應力達到 C 點時，試體開始 形成由壓縮轉為膨脹趨勢，相當為降伏點 (yield point)。

(5) 整體破壞或微裂縫連結(DE)階段

通常定義 D 點為材料尖峰強度(Peak Load)，且於此階段中，許多 為裂縫匯集而形成巨觀裂縫。

(6) 巨大裂縫滑動(E-End)階段

沿破裂面滑移，並由破裂面二端之摩擦力提供試體殘餘強度。

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(b)

圖 2. 26 (a) 軸向與側向應變-應變加載曲線 (b) 體積應變與軸向應變 之關係 (資料來源：Goodman, 1989)

第二項 加載歷程之峰後曲線類型

普遍之材料破壞性試驗 (如：單壓、三點彎矩試驗等) 均透過以 力量或位移作為試驗之加載控制模式，使該受控制之物理量(力量或 位移)隨時間作線性增長進而對試體加載，探求力 (應力) 與變形 (應 變) 行為，直至試體巨觀裂縫形成 (或稱破壞) 而中止試驗。某種程 度而言，於此控制模式下乃是強迫試體承擔荷重，因此尖峰強度後 (Post-peak Behavior，以下簡稱峰後)僅可探求沿巨觀剪裂縫 (Shear Fracture Faulting) 之殘餘摩擦角 (位移控制模式)；甚或如受測之樣品 屬極為脆性之材料，採以力量控制模式進行試驗，材料達尖峰強度後 恐突然爆裂而被迫中止試驗；因此以力量、位移控制模式進行試驗，

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無法獲得材料真正之尖峰強度後之反應行為。

Wawerisk (1968)指出峰後之破壞過程分為兩種，一為 Class I 的穩 定破壞 (Stable)，另一為 Class II 的不穩定破壞 (Unstable)，如圖 2. 27

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第三項 單軸壓縮試驗之影響因子

抗壓強度試驗對於試驗方法的改變具有高敏度性，依據試體的尺 寸、形狀改變所得出的強度皆不同。通常依美國的圓柱體與歐亞的立 方體為主。

(1) 形狀效應 (a) 圓柱試體

在北美地區，其標準圓柱的高度與直徑之比為 2:1 的圓柱體。台灣 亦是採用此標準，較常用的標準試體尺寸為直徑 150 mm ，長 300 mm；

高強度混凝土則是直徑 100 mm ，長 200 mm；執行抗壓試驗，試驗 以 1.41~3.52 kgf/cm² 控制其加載速率，直至試體破壞，其破壞時試 體所承受之荷重即為強度。

(b) 立方柱試體

在中國大陸、新家坡、英國等歐亞地區，採用立方柱試體作為標準 抗壓試驗試體，要求以 150 mm 之立方體模型灌鑄；執行抗壓試驗，

以加載速率 0.25 kgf/cm²/s至破壞。

立方體與圓柱體強度之比，隨著混凝土強度增加而減小，通常假 定立方試體強度為圓柱試體之 1.25 倍。

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(2) 尺寸效應

當試體尺寸增大時，混凝土之變異性隨之減小，通常我們假定混 凝土強度由弱之單元所控制，試體尺寸愈大，則在固定荷重下破壞的 單元產生可能性愈大。

(3) 長徑比的影響

長徑比受到端版效應的影響，長徑比愈低，則受到端版之效應的 影響愈大，則束制力越高，強度愈高。在試體長徑比小 2.0 之情況下，

根據 CNS 2138 提出修正係數，如表 2. 8 所示。

表 2. 8混凝土長徑比修正係數

長度/直徑 1.75 1.50 1.25 1.10 1.00

強度修正因數 0.98 0.96 0.93 0.90 0.87

(資料來源：CNS 2138) (4) 加載速率之影響

加載速率越高，其材料表現之強度越高，反之；原因為較慢的加載速 率，臨界裂縫生長機率提升，導致形成較大的裂縫，使其強度降低；

另一原因為較慢之加載速率使材料發生潛變，使其易達到應變之極限 值，降低其材料強度。

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