劉 問徐世烺李慶華

(1北京林業(yè)大學(xué)水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083)

(2浙江大學(xué)高性能建筑結(jié)構(gòu)與材料研究所, 杭州 310058)

(3大連理工大學(xué)結(jié)構(gòu)研究所, 大連 116024)

目前,混凝土是應(yīng)用最為廣泛的工程材料,但其自身缺陷極大影響了工程結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性．為改善混凝土脆性,早在上世紀(jì)70年代,已有學(xué)者提出利用分散或連續(xù)纖維來增強(qiáng)基體韌性[1].其中,效果較為顯著的是超高韌性水泥基復(fù)合材料(ultra-high toughness cementitious composites, UHTCC)．該材料通過優(yōu)化基體、纖維、纖維與基體界面的基本性能、改善三者之間的相互作用,在纖維摻量較少(通常小于2.5%)的條件下仍能滿足應(yīng)變硬化特征的2條設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[2-3]．UHTCC實(shí)現(xiàn)了多重裂紋的穩(wěn)態(tài)開裂模式,極限拉應(yīng)變可達(dá)到3%以上;極限應(yīng)變時(shí)的平均裂縫寬度可以控制在100μm以內(nèi)[4-5]．

Suthiwarapirak等[6-8]研究了UHTCC的彎曲疲勞性能,結(jié)果表明,UHTCC上產(chǎn)生了多條疲勞裂縫,S-N單對(duì)數(shù)曲線呈現(xiàn)雙線性關(guān)系．徐世烺等[9-11]研究了UHTCC的疲勞損傷過程,建立了該材料的彎曲損傷模型．Zhang等[12-13]對(duì)UHTCC作為既有混凝土體系修復(fù)層在疲勞荷載作用下的彎曲性能進(jìn)行了研究分析,結(jié)果表明,UHTCC增強(qiáng)了復(fù)合梁的承載能力與延性變形,增強(qiáng)程度取決于修復(fù)層厚度．此外,徐世烺等[14]將UHTCC作為混凝土梁的補(bǔ)強(qiáng)層,對(duì)尺寸相同但UHTCC層厚度不同的UHTCC/混凝土復(fù)合梁(UC復(fù)合梁)的彎曲性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究,結(jié)果表明,隨著UHTCC層厚度的增加,復(fù)合梁的變形能力和承載能力都得到明顯的改善,且UHTCC層還起到分散上層裂縫的作用．

將UHTCC作為混凝土結(jié)構(gòu)的保護(hù)層、替換局部混凝土或者加強(qiáng)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn),均能彌補(bǔ)混凝土抗拉強(qiáng)度低的缺點(diǎn),提高整體的抗彎強(qiáng)度和韌性．本文將UHTCC用作既有混凝土梁的受拉側(cè),觀測(cè)UC復(fù)合梁在疲勞荷載作用下的工作性能與破壞方式,討論了疲勞荷載作用下平截面假定的適用性,研究了UHTCC層對(duì)復(fù)合梁變形與壽命的增強(qiáng)作用．

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)中采用二次澆筑制備試件．首先,對(duì)底部尺寸為400mm×100mm×50mm的混凝土部分進(jìn)行澆注,水中養(yǎng)護(hù)28d后,對(duì)黏結(jié)界面進(jìn)行鑿毛(粗糙度為0.9～1.5mm)處理,并保持黏結(jié)面濕潤;然后, 對(duì)50mm厚的UHTCC進(jìn)行澆注,成型試件尺寸為400mm×100mm×100mm．試件制作過程如圖1所示．混凝土的28d抗壓強(qiáng)度為38.5MPa,UHTCC的28d抗壓強(qiáng)度為39MPa,極限抗拉強(qiáng)度為5.9MPa,極限拉應(yīng)變?yōu)?%．

圖1 UC復(fù)合梁的制作過程示意圖

采用三點(diǎn)彎曲加載,試件尺寸與加載裝置見圖2．跨中撓度由2個(gè)位移傳感器(LVDT)測(cè)得.在梁體底部跨中固定一個(gè)標(biāo)距為1cm的夾式引申儀,測(cè)量范圍為40mm.為驗(yàn)證平截面假定,在試件一側(cè)跨中沿豎直方向粘貼6個(gè)測(cè)量長度為2cm的混凝土應(yīng)變片,具體布置如圖3所示．

圖2 試驗(yàn)加載示意圖(單位:mm)

圖3 跨中應(yīng)變片位置示意圖 (單位:mm)

試驗(yàn)在MTS疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行．試驗(yàn)過程為荷載控制,正弦波加載,頻率為8Hz．該種形式復(fù)合梁的平均極限荷載為20.9kN,據(jù)此設(shè)置的疲勞加載情況見表1．共設(shè)置4級(jí)應(yīng)力水平,即S=0.8,0.7,0.6,0.5,高低應(yīng)力比R=0.1．S=0.6～0.8時(shí),每組包含4～5個(gè)試件;S=0.5時(shí),每組包含2個(gè)試件．

表1 疲勞荷載情況

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 平截面假定

平截面假定是正截面計(jì)算的基礎(chǔ).圖4為不同應(yīng)力水平時(shí)UC梁在不同荷載循環(huán)下的截面應(yīng)變.由圖可知,在疲勞作用下,UC梁截面上不同高度處的應(yīng)變呈近似線性分布,基本符合平截面假定．

圖4 疲勞荷載作用下沿截面高度的應(yīng)變分布

2.2 裂縫模式

試驗(yàn)觀察到,疲勞荷載作用下,本文所用的復(fù)合梁UHTCC層底部先產(chǎn)生裂縫,且這一可見裂縫隨荷載循環(huán)的增加逐步向混凝土層發(fā)展;當(dāng)界面處混凝土應(yīng)變達(dá)到開裂應(yīng)變后,混凝土層出現(xiàn)裂縫．圖5為靜載與疲勞荷載作用下的破壞底面照片,靜載作用下UHTCC層的裂縫數(shù)目多而細(xì)密,達(dá)到幾十條之多;疲勞荷載作用下,裂縫明顯減少．由圖6可知，試件疲勞破壞后UHTCC層的平均裂縫數(shù)目隨應(yīng)力水平的降低而逐漸減少．混凝土層形成1～3條裂縫．

圖5 靜載與疲勞荷載作用下試件破壞后底面裂縫照片

圖6 試件底面平均裂縫數(shù)目與應(yīng)力水平的關(guān)系

由梁底部夾子測(cè)量的變形量與裂縫觀測(cè)儀測(cè)到的最大裂縫寬度的發(fā)展過程見圖7．圖中，a為底面中心變形量，b為最大裂縫寬度變形量.近似認(rèn)為,夾子所測(cè)數(shù)值為梁底跨中40mm范圍內(nèi)的裂縫總變形量．由圖可知,在初始若干循環(huán)中,最大裂縫寬度小于50μm,明顯小于夾子所測(cè)數(shù)值;隨后,二者同步增長,但由于試件裂縫數(shù)目較多,最大裂縫寬度的發(fā)展仍落后于總裂縫;隨著荷載循環(huán)次數(shù)的進(jìn)一步增加,試件主裂縫開始發(fā)展,不再有新裂縫出現(xiàn),除主裂縫外其余裂縫寬度不再增加,主裂縫寬度越來越接近夾子所測(cè)數(shù)值,直至試件破壞．

圖7 不同應(yīng)力水平下夾子所測(cè)數(shù)值與最大裂縫寬度隨荷載循環(huán)變化曲線

2.3 疲勞變形

不同應(yīng)力水平下,試件混凝土層頂部壓應(yīng)變、UHTCC層底部拉應(yīng)變及跨中撓度的最大值隨荷載循環(huán)率的變化過程見圖8．UC-0.5試件在2×106次荷載循環(huán)時(shí)未發(fā)生破壞,停止試驗(yàn),記其疲勞壽命為2×106．由于UHTCC的增韌效果,復(fù)合梁的疲勞變形表現(xiàn)出一定的延性特征,彎曲變形符合三階段發(fā)展規(guī)律:① 疲勞前期,試件變形隨荷載循環(huán)率的增加顯著增大.在變形第1階段,少量可見裂縫產(chǎn)生,一般首個(gè)荷載循環(huán)內(nèi)便有1～2條寬度小于20μm的宏觀裂縫產(chǎn)生,這些可見裂縫促使試件變形快速增大.該階段在疲勞壽命中所占比例很少,約為5%．② 隨著荷載循環(huán)率增加,原有裂縫繼續(xù)擴(kuò)展且新裂縫不斷產(chǎn)生,這一階段試件變形平穩(wěn)增大,變形曲線斜率平緩，復(fù)合梁變形平穩(wěn)增大.該階段在疲勞壽命中所占比例最大,約為90%．③ 裂縫局部化,一條主裂縫快速發(fā)展,試件變形快速增長直至破壞.該階段所占比例約為5%．由圖8可知,隨應(yīng)力水平的降低,試件變形能力逐漸下降．

圖8 試件變形最大值隨荷載循環(huán)率的變化曲線

2.4 疲勞壽命分析

應(yīng)用威布爾分布研究UC復(fù)合梁的疲勞壽命．表2列出了試驗(yàn)所測(cè)復(fù)合梁的疲勞壽命與威布爾分布存活率．根據(jù)威布爾參數(shù)擬合得出的復(fù)合梁S-N雙對(duì)數(shù)曲線如圖9所示．圖中箭頭表示試件疲勞循環(huán)2×106次未發(fā)生破壞而停止試驗(yàn)．由試驗(yàn)結(jié)果可得S-N雙對(duì)數(shù)方程為

表2 試驗(yàn)所測(cè)疲勞壽命

圖9 S-N雙對(duì)數(shù)曲線

logS=-0.1639logN+0.7322

在高周疲勞循環(huán)(循環(huán)次數(shù)大于104)情況下,根據(jù)威布爾參數(shù)擬合的S-N雙對(duì)數(shù)曲線具有線性特征,且與實(shí)際結(jié)果符合良好;對(duì)于低周疲勞循環(huán)(循環(huán)次數(shù)小于等于104)情況，由于實(shí)際很少發(fā)生,本文未作研究．

3 結(jié)論

1) 疲勞荷載作用下,UC梁截面變形符合平截面假定．

2) UHTCC層產(chǎn)生若干條可見裂縫,數(shù)目隨應(yīng)力水平降低而減少,混凝土層裂縫數(shù)目為1～3.由于多條裂縫產(chǎn)生,復(fù)合梁隨荷載循環(huán)的疲勞變形曲線表現(xiàn)出延性特征,呈三階段發(fā)展,變形能力隨應(yīng)力水平減小而降低．

3) 高周疲勞循環(huán)情況下,復(fù)合梁的S-N雙對(duì)數(shù)疲勞曲線線性良好．

)

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