劉偉生，王軍陣

（山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590）

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超高韌性水泥基復(fù)合材料疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律研究

劉偉生，王軍陣

（山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590）

采用尺寸為80mm×150mm×700mm和100mm×100mm× 400mm預(yù)制裂縫縫高為50mm和60mm的試件，對(duì)不同縫高比的梁體進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，依據(jù)疲勞裂縫擴(kuò)展規(guī)律的Paris公式，對(duì)UHTCC不同縫高比試件的疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)研究和計(jì)算。結(jié)果表明：大尺寸試件的疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值ΔJth小于小尺寸試件，相同尺寸試件的縫高比越大，疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值越低，并計(jì)算出了縫高比為0.33、0.4試件的疲勞裂縫擴(kuò)展速率的計(jì)算方法。

疲勞試驗(yàn)；J積分；裂紋擴(kuò)展速率

0　前言

UHTCC將普通混凝土在荷載下的單一裂縫形式轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄺l細(xì)密裂紋的模式，與普通混凝土相比超高韌性水泥基復(fù)合材料在抗裂性、耐久性、抗沖擊性方面都有較大改善，并且對(duì)基體裂縫的擴(kuò)展有很好的抑制作用，從而在提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使用性能方面具有廣闊的應(yīng)用前景。破壞時(shí)表現(xiàn)出具有裂縫細(xì)小和多點(diǎn)開裂的特征，裂縫間距僅為1～2mm[1]，UHTCC的微小裂縫在卸載后大部分會(huì)自動(dòng)愈合。Kabde和Horii[2]提出了短纖維增強(qiáng)水泥基材料的斷裂分析簡單模型，并用有限元分析和試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該模型的有效性。吳智敏采用等幅疲勞荷載方式加載，對(duì)混凝土試件的縫高比對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展的影響進(jìn)行研究，得出結(jié)論：縫高比對(duì)試件亞臨界擴(kuò)展的過程有明顯的影響，縫高比越小，亞臨界擴(kuò)展量越大，混凝土的初始裂縫尺寸與試件尺寸對(duì)裂縫擴(kuò)展速率也有一定的影響[3]。

1　實(shí)驗(yàn)概況

1.1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集方法

UHTCC在動(dòng)態(tài)斷裂荷載作用下的疲勞裂紋擴(kuò)展的實(shí)驗(yàn)研究，采用三點(diǎn)彎曲加載試驗(yàn)，試件尺寸為80mm×150mm×700mm、100mm×100mm×400mm，C試件有大小兩種尺寸，D試件只有大尺寸，水泥基體配合比為：水泥∶砂子∶粉煤灰∶水=1∶1.2∶0.8∶0.58，進(jìn)口PVA纖維體積摻量為2%，初始縫高比為0.33、0.4兩種。為了消除養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)疲勞性能的影響[4]，試件在室內(nèi)環(huán)境下放置至少3個(gè)月。靜載實(shí)驗(yàn)采用位移控制，加載速度為0.1mm/min，疲勞試驗(yàn)采用荷載控制，加載波采用無間歇的正弦波，加載示意圖如圖1，試件的加載參數(shù)如表1所示。

UHTCC動(dòng)態(tài)斷裂實(shí)驗(yàn)的加載條件　表1

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置圖

DH5922動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)中的采集頻率為5HZ，當(dāng)試件開始疲勞時(shí)，根據(jù)前人經(jīng)驗(yàn)疲勞初期階段試件表面裂紋、變形發(fā)展較快。所以對(duì)試件的前5000次疲勞進(jìn)行數(shù)據(jù)保存。為保證采取的數(shù)據(jù)點(diǎn)能顯示出飽滿的正弦曲線形狀，一個(gè)周期要保證采取的點(diǎn)數(shù)大于等于32個(gè)。所以在疲勞加載的過程中，采用的DH5922動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)采樣頻率為50HZ，當(dāng)試件的變形大約處于穩(wěn)定階段時(shí)，對(duì)事件的疲勞次數(shù)大約隔1000次保存一次數(shù)據(jù)。

1.2實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

UHTCC疲勞加載下重要特征就是產(chǎn)生多條細(xì)密裂縫和出現(xiàn)了準(zhǔn)應(yīng)變硬化現(xiàn)象。在重復(fù)荷載的作用下當(dāng)?shù)谝粭l裂縫出現(xiàn)后，由于纖維存在橋連應(yīng)力的作用，對(duì)應(yīng)試件的承載能力經(jīng)歷瞬間下降后馬上恢復(fù)，裂紋寬度基本穩(wěn)定在一個(gè)很細(xì)的水平上，與第一條裂紋的寬度大體一致，隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加，試件上呈現(xiàn)出大體均勻分布的多條細(xì)密裂縫，每條裂縫形狀蜿蜒，而不是直上直下的，每條裂縫的寬度大體接近，產(chǎn)生的位置與時(shí)間沒有規(guī)律可循，當(dāng)裂縫間基體內(nèi)嵌固纖維所提供的橋連應(yīng)力不足以抵抗循環(huán)荷載時(shí)，新裂縫就不再產(chǎn)生，而原裂縫則不斷變寬，直到某一條裂縫發(fā)生局部擴(kuò)展[5]。如圖2是靜載下C、D試件下斷裂能與荷載的曲線關(guān)系，隨著彎曲荷載的增加斷裂能逐漸增加，且增加的幅度越來越大。

圖2　斷裂能與荷載的曲線關(guān)系

1.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本研究根據(jù)P-CMOD曲線計(jì)算試件的J積分?jǐn)嗔涯埽?dāng)最小荷載Pmin小于2kN，最小荷載產(chǎn)生的斷裂能可以忽略其對(duì)dA/dN的影響[2]。有公式：

對(duì)于UHTCC疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值的分析，在實(shí)驗(yàn)過程中采用對(duì)試件C-7、D-5進(jìn)行疲勞加載20萬次，在實(shí)驗(yàn)過程中通過觀察試件表面并未出現(xiàn)主裂縫，CMOD進(jìn)入穩(wěn)定階段后無明顯擴(kuò)展。如圖3所示試件并未破壞，停止加載隨后進(jìn)行靜載破壞，測(cè)得疲勞后進(jìn)行靜載加載破壞的C-7、D-5極限承載力分別為7.66kN、6.74kN，與平均極限承載力相差不大，所以可認(rèn)為此試件的荷載水平處于裂紋擴(kuò)展門檻值以下，斷裂能臨界值ΔJth[6]作為疲勞裂縫不擴(kuò)展的門檻值。

圖3　試件最大CMOD與荷載循環(huán)關(guān)系發(fā)展曲線

根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果分析可知，對(duì)于縫高比均為0.4的80mm×150mm×700mm和100mm×100mm×400mm的尺寸試件，大試件尺寸的斷裂能臨界值ΔJth為0.288 kJ/m2小于小試件尺寸的斷裂能臨界值ΔJth為0.432kJ/m2。從而得知，大尺寸試件的疲勞裂縫擴(kuò)展門檻值ΔJth小尺寸試件。對(duì)于相同尺寸試件，從圖2中查得，縫高50mm試件5kN所對(duì)應(yīng)的為0.354kJ/m2，縫高60mm試件4.5kN所對(duì)應(yīng)的Jmax為0.288kJ/m2。分析可知，對(duì)于同種尺寸（80mm×150mm×700mm）縫高比越大，疲勞裂紋擴(kuò)展展門檻值ΔJth越小，0.288 kJ/m2（0.4）小于0.353kJ/m2（0.33）。

2　疲勞裂紋擴(kuò)展公式參數(shù)的確定

計(jì)算疲勞裂紋公式（1）的參數(shù)時(shí)，將該式進(jìn)行對(duì)數(shù)變換。

根據(jù)圖2查得各最大疲勞荷載值Pmax所對(duì)應(yīng)的Jmax，根據(jù)公式（2）進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到公式的C 和m值。圖4所示不同縫高比試件疲勞裂紋擴(kuò)展速率dA/dN的對(duì)數(shù)與Jmax對(duì)數(shù)關(guān)系和擬合直線。

圖4　log[dA/dN]-log（Jmax）的實(shí)驗(yàn)關(guān)系與擬合曲線

從圖4可知兩者的線性關(guān)系很接近，縫高比為0.33試件的擬合直線公式為：

線性相關(guān)系數(shù)為r=0.949，參數(shù)logC=-8.789，參數(shù)C=1.6255×10-9，m=1.241。

縫高比為0.4試件的擬合直線公式為：

線性相關(guān)系數(shù)為r=0.960，參數(shù)logC=-9.145，參數(shù)C=0.71614×10-9，m=0.986。

將上述參數(shù)代入（2）公式，則得到縫高比為0.33試件的疲勞裂縫擴(kuò)展速率函數(shù)關(guān)系為：

縫高比為0.4試件的疲勞裂縫擴(kuò)展速率函數(shù)為：

根據(jù)圖表與函數(shù)關(guān)系式可以得出縫高比越大，疲勞裂縫擴(kuò)展速率隨著斷裂能J積分的增長增速越快。

3　試驗(yàn)結(jié)論

①斷裂能臨界值ΔJth作為超高韌性水泥基復(fù)合材料UHTCC的疲勞裂縫不擴(kuò)展的門檻值，根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果分析可知：大尺寸試件的疲勞裂縫擴(kuò)展門檻值JΔth小于小尺寸試件。相同尺寸試件的縫高比越大，疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值ΔJth越低。

②基于Paris公式，本文計(jì)算出了試件尺寸80mm ×150mm×700mm的疲勞裂紋擴(kuò)展公式。并且縫高比越大，疲勞裂縫擴(kuò)展速率隨著斷裂能J積分的增長增速越快。

[1]李賀東，徐世烺.超高韌性水泥基復(fù)合材料彎曲性能及韌性評(píng)價(jià)方法[J].土木工程學(xué)報(bào)，2010，43（3）：32-33.

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[4]易成.局部高密度鋼纖維混凝土疲勞、斷裂性能及結(jié)構(gòu)應(yīng)用研[D].哈爾濱：哈爾濱建筑大學(xué)，2000.

[5]Mihashi H，deBarrosleiteJ P，Yamakoshi S Y，etal.ControllingFracture Toughness of Matrix with Mica Flake Inclusions toDesign Pseudo-Ductile FiberReinforcedCementitiousComposites[J].EngineeringFracture Mechanics，2007，74（1-2）：210-222.

[6]戴建國，黃承逵，趙國藩.混凝土中非結(jié)構(gòu)性裂縫分析及合成纖維控制[J].建筑結(jié)構(gòu)，2000（9）：56-59.

TU599

A

1007-7359(2016)03-0068-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.03.023

國家自然科學(xué)基金（51108151）；江蘇省土木工程材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目；國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2009CB623203）；河北省自然科學(xué)基金（E2012202097）。

劉偉生（1991-），男，山東菏澤人，山東科技大學(xué)在職研究生，研究方向：結(jié)構(gòu)工程。