鋼纖維摻量對(duì)活性粉末混凝土疲勞強(qiáng)度的影響

孫 勁 舟

(中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410018)

1 概述

活性粉末混凝土(Reactive Powder Contrete，縮寫為RPC)這一術(shù)語最早見于1994年法國的Richard等人發(fā)表的《具有高韌性、抗壓強(qiáng)度達(dá)200 MPa～800 MPa的活性粉末混凝土》一文[1],RPC是20世紀(jì)末由法國布伊格(Bouygues)公司研究成功的繼高強(qiáng)、高性能混凝土后開發(fā)出的超高強(qiáng)度、高韌性、高耐久、體積穩(wěn)定性良好水泥基復(fù)合材料，是DSP材料與纖維增強(qiáng)材料相復(fù)合的新型超高強(qiáng)混凝土[2,3]。

在長期實(shí)踐中，某些機(jī)械零件工作時(shí)，承受隨時(shí)間做周期性變化的應(yīng)力，即交變應(yīng)力。在交變應(yīng)力作用下，雖應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的屈服極限，但是經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行之后，構(gòu)件會(huì)突然斷裂。混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用早期階段由于材料自重大，其主要載荷為自重恒載。隨著高性能高強(qiáng)度活性粉末混凝土材料應(yīng)用的逐步推廣，其結(jié)構(gòu)承受活荷載的比例逐漸增大，對(duì)RPC疲勞性能的研究變得愈發(fā)重要。

2 常用疲勞試驗(yàn)參數(shù)

疲勞試驗(yàn)研究所涉及符號(hào)與專有名詞較多，常見參數(shù)與概念如下所列：

交變應(yīng)力——依據(jù)我國“材料力學(xué)”教程中的習(xí)慣用法，泛指隨時(shí)間做周期循環(huán)的應(yīng)力，在應(yīng)力循環(huán)中各應(yīng)力均用S表示，以與靜力符號(hào)σ相區(qū)別。

最大應(yīng)力(應(yīng)力上峰值)Smax——在應(yīng)力循環(huán)中具有最大代數(shù)值的應(yīng)力。其中拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。

最小應(yīng)力(應(yīng)力下峰值)Smin——在應(yīng)力循環(huán)中具有最小代數(shù)值的應(yīng)力。其中拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。

應(yīng)力比R——最小應(yīng)力與最大應(yīng)力的代數(shù)比值。

加載系數(shù)K——最大應(yīng)力Smax與強(qiáng)度極限σb的代數(shù)比值。

應(yīng)力水平S——代表一對(duì)應(yīng)力Smax與Smin，定應(yīng)力比或平均應(yīng)力Sm，應(yīng)力水平可用最大應(yīng)力Smax來表示。

對(duì)數(shù)應(yīng)力水平lgS——對(duì)應(yīng)力水平S取對(duì)數(shù)。

疲勞極限Sl——經(jīng)過無窮次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生破壞時(shí)的最大應(yīng)力值，又稱為持久極限。對(duì)于混凝土材料通常選用疲勞壽命N=2×106時(shí)對(duì)應(yīng)應(yīng)力水平作為其疲勞極限。

疲勞壽命N——在指定疲勞壽命下，試件疲勞破壞前所經(jīng)受的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，又稱為破壞疲勞數(shù)。

對(duì)數(shù)疲勞壽命lgN——對(duì)破壞疲勞數(shù)N取對(duì)數(shù)。

在相關(guān)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)中可得知同一批次試件疲勞壽命N數(shù)據(jù)離散程度大，而統(tǒng)計(jì)對(duì)數(shù)疲勞壽命lgN，可以得到較好的效果。

p—S—N曲線——以應(yīng)力為縱坐標(biāo)，以存活率p的疲勞壽命為橫坐標(biāo)繪制的曲線，即存活率——應(yīng)力——疲勞壽命曲線。作圖時(shí)通常將疲勞壽命取對(duì)數(shù)，或者同時(shí)將應(yīng)力和疲勞壽命取對(duì)數(shù)。

中值S—N曲線——以應(yīng)力為縱坐標(biāo)，以中值疲勞壽命為橫坐標(biāo)繪制的曲線，即50%存活率S—N曲線。通常簡稱為S—N曲線。

3 疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)指出，一般材料的S—N曲線，在某一區(qū)間內(nèi)接近于直線。因此在繪制S—N曲線時(shí)，可以采用“直線段假設(shè)”，即在某一區(qū)間內(nèi)用直線擬合各數(shù)據(jù)點(diǎn)。當(dāng)然，這種作圖法帶有一定的近似性。但當(dāng)數(shù)據(jù)不夠充分、數(shù)據(jù)點(diǎn)過少或者過于分散時(shí)，參照同類型的S—N曲線形式用直線擬合某些數(shù)據(jù)點(diǎn)還是比較方便可靠的。

湖南大學(xué)的方志[4]對(duì)三種不同鋼纖維摻量的活性粉末混凝土進(jìn)行了單軸受壓等幅疲勞試驗(yàn)，研究鋼纖維含量對(duì)RPC抗疲勞性能的影響。分0.4，0.6，0.8三種最大應(yīng)力水平控制加載。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，未摻鋼纖維的RPC強(qiáng)度離散型大，差異最大可達(dá)15%，摻鋼纖維的RPC強(qiáng)度離散型相對(duì)較小。通過對(duì)對(duì)數(shù)應(yīng)力水平lgS以及對(duì)數(shù)疲勞壽命lgN的線性擬合計(jì)算，代入疲勞方程：

lgS=A-BlgN。

求得待定系數(shù)A與B，并繪制出試件預(yù)期的S—N曲線。

4 單軸受壓疲勞試驗(yàn)方案

4.1 RPC的制備、成型與養(yǎng)護(hù)

將要進(jìn)行疲勞試驗(yàn)的活性粉末混凝土，配合比如表1所示，攪拌工藝參照《活性粉末混凝土》實(shí)行，將級(jí)配河沙、鋼纖維、石英粉、水泥、硅灰依序倒入攪拌機(jī)內(nèi)，干拌4 min后，加入均勻溶有減水劑的水后再攪拌12 min。

RPC攪拌均勻后澆筑于70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm標(biāo)準(zhǔn)砂漿模具內(nèi)，分三層手動(dòng)插搗后置于震動(dòng)臺(tái)上震動(dòng)50 s，將表面抹平后置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室(氣溫，相對(duì)濕度不小于90%)養(yǎng)護(hù)1 d后脫模進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，試驗(yàn)采用熱養(yǎng)護(hù)以提高活性粉末混凝土力學(xué)性能，其養(yǎng)護(hù)制度為：自加熱起3 h內(nèi)達(dá)到90 ℃，并在90 ℃±25 ℃恒溫?zé)崴叙B(yǎng)護(hù)48 h，自然冷卻至室溫。RPC抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用的試件尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm；抗折強(qiáng)度試驗(yàn)采用的試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm。

表1 RPC的配合比

4.2 RPC疲勞性能測試方法

RPC疲勞試驗(yàn)試件尺寸選用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，試驗(yàn)加載裝置為“濟(jì)南友金機(jī)械設(shè)備有限公司”生產(chǎn)的PLS-1000電液伺服土木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)系統(tǒng)。

試驗(yàn)為確定0%，1.5%，3%鋼纖維摻量下活性粉末混凝土立方體試件的疲勞性能，對(duì)RPC進(jìn)行疲勞壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)加載應(yīng)力比恒為0.1，不同鋼纖維摻量試件均選取8組應(yīng)力水平進(jìn)行加載，應(yīng)力水平各加載系數(shù)下試件數(shù)均為3個(gè)，試驗(yàn)應(yīng)力比R=0.1，加載頻率為4 Hz，試件最大疲勞試驗(yàn)次數(shù)為100萬次。試件單軸抗壓強(qiáng)如表2所示。

表2 RPC抗壓強(qiáng)度測試表

5 試驗(yàn)現(xiàn)象與分析

活性粉末混凝土立方體試件單軸受壓疲勞試驗(yàn)加載過程中試件的損傷過程裂紋演變主要分為三階段，分別為裂紋潛伏階段、裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段以及失穩(wěn)破壞階段。

第一階段為裂紋潛伏階段，立方體RPC試件上下端最先出現(xiàn)豎向短裂紋，階段內(nèi)裂紋不隨著加載次數(shù)的增加而延伸，試件表面也未產(chǎn)生新的裂紋，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果表明，此階段為總疲勞壽命的15%左右；

第二階段為裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段，在試件中部出現(xiàn)數(shù)條縱向裂紋，裂紋逐漸發(fā)展至貫穿試件上下端，其中不摻鋼纖維組試件四角少量碎屑出現(xiàn)剝落，該階段約占總疲勞壽命的75%左右；

第三階段為失穩(wěn)破壞階段，主裂紋迅速擴(kuò)展直至貫通，試件喪失承載力，最終疲勞破壞，該階段約占總疲勞壽命的10%左右。

0%,1.5%,3%鋼纖維摻量不同加載系數(shù)下對(duì)數(shù)加載系數(shù)與對(duì)數(shù)試件疲勞壽命如圖1～圖3所示。數(shù)據(jù)表明，不同加載系數(shù)下RPC立方體試件疲勞壽命平均值隨試件加載最大應(yīng)力的增加而減少；應(yīng)力水平一定試件疲勞壽命波動(dòng)較大。

5.1 雙對(duì)數(shù)疲勞方程

對(duì)疲勞試件對(duì)數(shù)應(yīng)力水平以及對(duì)數(shù)疲勞壽命進(jìn)行線性回歸分析，結(jié)果表明，RPC立方體試件對(duì)數(shù)加載水平與對(duì)數(shù)疲勞壽命線性相關(guān)，服從雙對(duì)數(shù)疲勞方程特征，如表3所示。

其中，0%鋼纖維摻量試件雙對(duì)數(shù)疲勞方程線性回歸相關(guān)性系數(shù)最小，3%鋼纖維試件相關(guān)性系數(shù)最大，鋼纖維的摻入可有效減小疲勞壽命分布方差。

代入擬合公式可得疲勞壽命N=2×106時(shí)不同鋼纖維摻量疲勞強(qiáng)度如表4所示。

表3 不同鋼纖維摻量RPC單軸受壓疲勞方程

表4 不同鋼纖維摻量RPC疲勞壽命

數(shù)據(jù)表明，鋼纖維的摻入可以有效提高活性粉末混凝土的疲勞壽命，相比基準(zhǔn)組鋼纖維1.5%體積摻量RPC疲勞極限提高了15.77%，相應(yīng)的疲勞荷載提高了23.09%；鋼纖維3%體積摻量RPC疲勞極限提高了29.28%，相應(yīng)的疲勞荷載提高了70.31%。鋼纖維的摻入對(duì)RPC疲勞極限的影響較小，對(duì)疲勞荷載強(qiáng)度提升較大。原因在于鋼纖維的摻量摻入影響RPC疲勞性能的同時(shí)增加了其靜力抗壓強(qiáng)度，故對(duì)相應(yīng)的疲勞荷載有顯著的提升。

5.2 應(yīng)力—疲勞壽命曲線擬合

由雙對(duì)數(shù)疲勞方程可擬合得出不同鋼纖維摻量活性粉末混凝土立方體試件應(yīng)力水平與疲勞壽命間函數(shù)關(guān)系，通過50%存活率下S—N關(guān)系可以對(duì)不同應(yīng)力水平下活性粉末混凝土疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測，S—N關(guān)系如圖4所示。

擬合所得S—N曲線與混凝土疲勞曲線顯示，三種不同鋼纖維摻量活性粉末混凝土循環(huán)次數(shù)與應(yīng)力水平成反比，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，其對(duì)應(yīng)的應(yīng)力水平下降速率放緩；相同循環(huán)次數(shù)下3%鋼纖維摻量應(yīng)力水平最高，1.5%摻量下的應(yīng)力水平較低，0%摻量下的應(yīng)力水平最低。

5.3 RPC疲勞性能分析

6 結(jié)語

1)鋼纖維的摻入可以提高活性粉末混凝土單軸受壓疲勞壽命，相對(duì)基準(zhǔn)組1.5%鋼纖維摻量疲勞極限下對(duì)應(yīng)的應(yīng)力水平提高了15.77%，3%摻量對(duì)應(yīng)的應(yīng)力水平提高了29.28%；

2)活性粉末混凝土鋼纖維摻量的提高可提高其疲勞壽命的分布連續(xù)性；

3)同應(yīng)力水平單軸受壓疲勞不同鋼纖維 摻量活性粉末混凝土疲勞壽命均優(yōu)于C50普通混凝土材料，活性粉末混凝土疲勞強(qiáng)度遠(yuǎn)高于普通混凝土材料。