蔡 軍

（商洛學(xué)院 城鄉(xiāng)發(fā)展與管理工程系，陜西商洛 726000）

國內(nèi)外統(tǒng)計資料表明，耐久性不足是導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)在正常使用狀態(tài)下失效的最主要原因。為了解決日益嚴(yán)重的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題，日本東京大學(xué)的崗村甫教授開發(fā)了一種“不振搗的高耐久性混凝土”，稱之為自密實高性能混凝土(Self-Compacting High Performance Concrete，簡稱SCHPC)。由于具有顯著的優(yōu)勢，自密實混凝土被科學(xué)家們譽(yù)為“混凝土建筑技術(shù)中最具革命性的發(fā)展”[1-2]。鋼纖維自密實混凝土(Steel Fiber Reinforced Self-Compacting Concrete， 簡 稱SFRSCC)是一種性能優(yōu)良的新型復(fù)合材料，綜合了自密實混凝土和鋼纖維混凝土的優(yōu)點(diǎn)。與普通混凝土相比，鋼纖維自密實混凝土具有高耐久性的特點(diǎn)，同時具備優(yōu)良的力學(xué)性能，在各個工程領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛[3-6]。目前關(guān)于鋼纖維自密實混凝土疲勞性能的研究，國內(nèi)外還未見報道。為了進(jìn)一步推廣鋼纖維自密實混凝土在各個工程領(lǐng)域中的應(yīng)用，本文對鋼纖維自密實混凝土的彎曲疲勞性能進(jìn)行了試驗研究，并對鋼纖維自密實混凝土的疲勞性能進(jìn)行了分析。

1 試驗概況

本試驗水泥采用42.5級普通硅酸鹽水泥，粗骨料為粒徑5-20 mm連續(xù)級配碎石，細(xì)骨料為中砂，細(xì)度模數(shù)為2.6，礦物摻合料為原狀一級粉煤灰，減水劑采用南京水利科學(xué)研究院HLC型高效減水劑，鋼纖維采用長度30 mm、長徑比60的冷拔鋼絲弓形鋼纖維，抗拉強(qiáng)度為1000 MPa。材料配合比見表1。

表1 鋼纖維自密實混凝土配合比 單位：(kg·m-3)

按照《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（CECS203:2006），分別采用坍落擴(kuò)展度試驗和V型漏斗試驗對鋼纖維自密實混凝土的工作性能進(jìn)行檢測，如圖1、圖2所示。

圖1 坍落擴(kuò)展度試驗示意圖

圖2 V型漏斗形狀及尺寸

彎曲疲勞試驗采用100 mm×100 mm×400 mm的梁形試件，采用三分點(diǎn)加載方式，梁跨度為300 mm，試驗加載設(shè)備為國產(chǎn)SDS300電液伺服動靜萬能試驗機(jī)。應(yīng)力水平S取0.90、0.85、0.80和0.75，疲勞循環(huán)特征值R取0.1，正弦波加載，如圖3所示。

圖3 正弦型循環(huán)荷載

各參量關(guān)系為

式中，S——應(yīng)力水平；

Pmax——所施加最大荷載；

Pmin——所施加最小荷載；

Pu——靜載試驗極限荷載；

R——疲勞循環(huán)特征值。

當(dāng)S＞0.80時，荷載頻率取5 Hz，當(dāng)S≤0.80時，荷載頻率取10 Hz。進(jìn)行疲勞試驗前，通過靜載試驗測得極限靜荷載Pu，作為疲勞加載的依據(jù)。疲勞試驗的試件數(shù)量見表2。

表2 疲勞試驗的試件數(shù)量

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 工作性能

測得的鋼纖維自密實混凝土坍落擴(kuò)展度值為698 mm，V形漏斗時間為13 s，均達(dá)到規(guī)范規(guī)定的要求[6-7]。

2.2 疲勞試驗結(jié)果

鋼纖維自密實混凝土疲勞試驗結(jié)果見表3。

2.3 疲勞壽命概率分析

在同一循環(huán)荷載作用下，疲勞壽命的分布規(guī)律可以由威布爾頻率函數(shù)表示

式中，a——威布爾形狀參數(shù)；

u——特征壽命參數(shù)；

n0——最小壽命參數(shù)。

由于材料的離散特性，在威布爾頻率函數(shù)中取最小壽命參數(shù)n0為零[8-9]，分布函數(shù)簡化為兩參數(shù)威布爾頻率LN(n)函數(shù)，則存活率可表示為

對方程取兩次自然對數(shù)得

令 Y=1n[1n(1/LN)],X=lnn,β=alnu?？傻?/p>

式(6)可檢驗一組試驗數(shù)據(jù)是否服從兩參數(shù)威布爾分布，如果試驗數(shù)據(jù)的回歸分析結(jié)果表明，Y與X之間呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系，則試驗數(shù)據(jù)服從兩參數(shù)威布爾分布的假設(shè)成立，反之假設(shè)不成立。鋼纖維自密實混凝土疲勞壽命威布爾分布擬合曲線如圖4所示，回歸結(jié)果表明，1n[1n(1/LN)與lnn之間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，說明鋼纖維自密實混凝土疲勞壽命服從兩參數(shù)威布爾分布。

表3 鋼纖維自密實混凝土疲勞壽命

圖4 鋼纖維自密實混凝土疲勞壽命威布爾分布擬合曲線

2.4 疲勞方程

本文疲勞方程形式采用雙對數(shù)疲勞方程

不同存活率下疲勞方程的回歸參數(shù)a和b見表4。

表4 不同存活率下疲勞方程的回歸參數(shù)

2.5 疲勞性能分析

材料的疲勞性能取決于疲勞方程中的回歸參數(shù)a，參數(shù)a反映疲勞曲線的高度，a值越大，疲勞曲線越高，則材料的疲勞性能越好[10]。參照文獻(xiàn)[10]對不同類型混凝土的彎曲疲勞性能進(jìn)行了試驗研究，疲勞試驗采用100 mm×100 mm×400 mm梁形試件，各種類型混凝土存活率為0.9的雙對數(shù)疲勞方程回歸參數(shù)a見表5。

表5 各種類型混凝土疲勞方程的回歸參數(shù)

從疲勞方程回歸參數(shù)結(jié)果可以看出，對于相同存活率下的雙對數(shù)疲勞方程，鋼纖維自密實混凝土的回歸參數(shù)a值相比普通混凝土提高10.2%，鋼纖維自密實混凝土的疲勞性能相比普通混凝土明顯增強(qiáng)。

3 結(jié)論

本文對鋼纖維自密實混凝土的彎曲疲勞性能進(jìn)行了試驗研究，建立了在不同失效概率下的P-S-N疲勞方程，填補(bǔ)了這方面研究的空白。研究結(jié)果表明，鋼纖維自密實混凝土的疲勞壽命符合兩參數(shù)威布爾分布，與普通混凝土相比，鋼纖維自密實混凝土的疲勞性能明顯增強(qiáng)。

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