单轴压缩变形（弹性模量、变形模量）检测方法与应用

一、检测目的

二、核心检测项目

1. 弹性模量（E）测定

• 定义：材料在弹性阶段（应力-应变呈线性关系）的应力与应变的比值，表征材料抵抗弹性变形的能力。
• 测试方法：
  • 通过应力-应变曲线的线性段斜率计算： �=Δ�Δ�E=ΔεΔσ​ 其中，Δ�Δσ为应力增量，Δ�Δε为应变增量。
  • 国际标准：ASTM D3148（岩石）、GB/T 50266（工程岩体试验方法）。

2. 变形模量（Ed）测定

• 定义：材料在弹塑性阶段（包含弹性变形和不可逆塑性变形）的平均应力与应变比值，反映材料整体变形特性。
• 测试方法： ��=�50�50Ed​=ε50​σ50​​ 其中，�50σ50​为峰值强度的50%应力值，�50ε50​为对应应变。

3. 泊松比（μ）测定（可选）

• 定义：材料横向应变与轴向应变的比值，表征材料横向变形能力。
• 公式： �=−�横向�轴向μ=−ε轴向​ε横向​​

三、检测设备与试样制备

1. 设备要求

• 试验机：伺服控制万能试验机，量程满足试样破坏载荷的10%~90%。
• 变形传感器：
  • 轴向变形：LVDT或引伸计，精度≤1μm。
  • 横向变形：环式应变计或非接触式光学测量（DIC技术）。
• 数据采集系统：采样频率≥10Hz，确保连续记录应力-应变曲线。

2. 试样制备

• 形状：圆柱体（高度直径比2:1，如Φ50mm×100mm）或立方体。
• 加工精度：端面平行度误差≤0.02mm，侧面平整无裂纹。
• 含水率控制：饱和试样需浸泡至恒重（如岩石试样的48h水饱和）。

四、检测步骤

1. 预加载

• 以0.5MPa/s速率加载至预估峰值强度的10%，消除试样与压板间的间隙，随后卸载至零。

2. 正式加载

• 弹性模量阶段： 加载速率≤0.5MPa/s，连续记录轴向及横向应变，直至应力达到峰值强度的50%。
• 变形模量阶段： 继续加载至试样破坏（峰值强度后下降至80%载荷时停止）。

3. 数据采集

• 实时记录轴向载荷、轴向应变、横向应变，生成完整的应力-应变曲线。

五、数据处理与结果判定

1. 弹性模量计算

• 选择应力-应变曲线线性段（通常为峰值强度的20%~50%区间）进行线性拟合，斜率即为弹性模量E。

2. 变形模量计算

• 选取峰值强度50%对应的应力（σ50）与应变（ε50），代入公式计算Ed。

3. 异常值处理

• 若同一组试样中某数据偏离平均值±15%，需分析原因（如试样缺陷、加载偏心）后剔除。

六、注意事项

1. 端部摩擦控制：
   • 试样两端涂抹润滑剂（如聚四氟乙烯薄膜），减少端部约束对变形的干扰。
2. 加载速率影响：
   • 速率过快会导致表观模量偏高，需严格按标准控制加载速度。
3. 环境条件：
   • 温度波动≤2℃，湿度≤60%，避免试样的热胀冷缩影响。
4. 传感器校准：
   • 试验前对LVDT和载荷传感器进行零点校准和线性验证。

七、应用场景

• 岩土工程：隧道围岩支护设计、边坡稳定性分析。
• 建筑材料：混凝土配合比优化、抗裂性能评估。
• 地质勘探：岩体完整性分类、地应力反演。