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        超高韌性水泥基復(fù)合材料疲勞裂紋擴展速率影響因素研究

        2016-08-23 07:35:46王軍陣郭琛
        安徽建筑 2016年3期
        關(guān)鍵詞:高韌性覆蓋面積幅值

        王軍陣,郭琛

        (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)合材料疲勞裂紋擴展速率影響因素研究

        王軍陣,郭琛

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

        依據(jù)疲勞裂縫擴展規(guī)律的Paris公式,采用尺寸為80mm×150mm ×700mm和100mm×100mm×400mm及裂縫縫高為50mm和60mm的試件,進(jìn)行試驗探究裂紋擴展速率的相關(guān)影響因素,即荷載幅值、縫高比等對裂紋的擴展速率的影響。結(jié)果表明:荷載幅值、縫高比等因素都對疲勞裂紋的擴展有較大影響,同時得出疲勞裂縫覆蓋面積A的變形趨勢與最大CMOD基本趨于一致,隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)出五階段發(fā)展。

        疲勞試驗;裂縫擴展速率;影響因素

        1 研究背景

        超高韌性水泥基復(fù)合材料(UHTCC)是由水泥、水、增強纖維、精細(xì)骨料以及粉煤灰和硅灰等活性礦物摻合料組成的新型工程材料,具有多縫開裂的特征,是一種新型的高性能纖維水泥基復(fù)合材料。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[1],對基體裂縫的擴展有很好的抑制作用,從而探究UHTCC疲勞裂縫的擴展的影響因素具有重要作用。目前國內(nèi)外大量學(xué)者對UHTCC的疲勞斷裂進(jìn)行了研究,由美國學(xué)者 Li的研究,可知UHTCC的斷裂是一種“延性斷裂”[2]。吳智敏采用等幅疲勞荷載方式加載,對混凝土試件疲勞裂紋擴展進(jìn)行研究,即超高韌性水泥基復(fù)合材料的開裂模式為多條細(xì)密裂紋,裂縫分散能力較強,所以大大降低了裂縫擴展的速率,正是由于UHTCC多縫開裂模式,其斷裂又稱為“延性斷裂”[3],同時研究了混凝土試件縫高比對裂縫擴展的影響[4]。再有劉問博士對UHTCC的疲勞裂紋擴展進(jìn)行了研究,即研究UHTCC的裂縫擴展依據(jù)Paris公式比較恰當(dāng),同時給出了疲勞過程中,UHTCC的裂縫覆蓋面積隨荷載循環(huán)呈現(xiàn)的關(guān)系[5],本研究根據(jù)非線性斷裂力學(xué)對尺寸為80mm×150mm×700mm和100mm×100mm× 400mm,預(yù)制裂縫縫高為50mm和60mm的試件進(jìn)行研究,看能否確定荷載幅值、縫高比等對裂紋擴展速率的影響,以及疲勞裂縫覆蓋面積A的變形趨勢與最大CMOD是否基本趨于一致。

        2 試驗概況

        采用常用三點彎曲加載試驗,試件尺寸為80mm ×150mm×700mm和100mm×100mm×400mm,即C、D兩種尺寸,水泥基體配合比為:水泥∶砂子∶粉煤灰∶水=1∶1.2∶0.8∶0.58,PVA纖維體積摻量為2%,初始縫高比為0.33、0.4兩種。

        UHTCC疲勞裂縫擴展實驗和計算參數(shù) 表1

        3 實驗結(jié)果分析

        已知荷載幅值、載荷順序、環(huán)境和加載頻率等都因素對疲勞裂紋的擴展有較大影響[6]。根據(jù)不同縫高比試件的荷載幅值與裂紋擴展速率的變化情況,如圖1所示。隨著加載條件荷載幅值Pa的增大,單個荷載循環(huán)的疲勞裂縫速率dA/dN大體是呈現(xiàn)升高趨勢。對于縫高比不同的試件,縫高比?。?.33)的試件,其荷載幅值可變化范圍較大,其疲勞裂紋擴展速率的dA/dN變化比較大,其升高的趨勢比較明顯。對于縫高比大(0.4)的試件,其荷載幅值可變化范圍相對較小,其疲勞裂紋擴展速率的變化較小,其升高的趨勢相對減弱。因此荷載幅值對疲勞裂紋擴展的速率dA/dN影響作用較為明顯,隨著荷載幅值的增大,疲勞裂紋擴展速率也增大,反之,則降低。

        圖1 疲勞裂紋擴展速率dA/dN隨荷載幅值Pa的變化情況

        由于在低的加載頻率條件下,試件中的初始裂縫、孔隙和缺陷在裂紋尖端有足夠的作用時間促使裂紋加速擴展[7]。即加載設(shè)備限制的原因,沒有對加載頻率的較寬范圍進(jìn)行實驗,所以對于加載頻率對于疲勞裂紋擴展速率的影響作用有多明顯,本實驗沒有得到。

        根據(jù)表1可看出,當(dāng)試件的荷載幅值相近時,如C-5、D-1和D-2試件,其荷載幅值均為2.7kN,縫高比為0.33的試件,疲勞裂紋擴展速率dA/dN為0.001211,而縫高比為0.4的試件,疲勞裂紋擴展速率dA/dN為0.00264和0.001385,均比縫高比0.33的試件有所增高增大。由此可得,試件的預(yù)制切口深度越大,即縫高比越大,試件的疲勞裂紋擴展速率dA/dN越大。

        4 UHTCC試件在重復(fù)荷載作用下表現(xiàn)出延性特征

        圖3示出試件在動態(tài)斷裂作用下最大CMOD與試件表面裂縫覆蓋面積隨荷載循環(huán)的變化過程,裂縫覆蓋面積A的變化趨勢與最大CMOD基本趨于一致,裂縫寬度隨循環(huán)次數(shù)的變化趨勢如圖2,變化呈五階段發(fā)展:(Ⅰ)變形較快發(fā)展階段;(Ⅱ)緩慢變形階段;(Ⅲ)變形穩(wěn)定擴展階段;(Ⅳ)主裂縫擴展階段;(Ⅴ)斷裂破壞階段。

        5 實驗結(jié)論

        ①加載條件中的荷載幅值Pa對疲勞裂紋擴展的速率dA/dN影響作用最為明顯。荷載幅值最為明顯。荷載幅值越大,疲勞裂紋擴展速率dA/dN越大,反之,則越小。當(dāng)荷載幅值相近時,試件的預(yù)制切口深度越大,即縫高比越大,試件的疲勞裂紋擴展速率dA/dN越大。

        圖2 裂縫寬度隨循環(huán)次數(shù)的變化趨勢

        圖3 裂縫覆蓋面積A和最大CMOD隨加載循環(huán)次數(shù)的演化曲線

        ②疲勞裂縫覆蓋面積A的變形趨勢與最大CMOD基本趨于一致,隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加也呈現(xiàn)出五階段發(fā)展。

        [1]徐世烺,李賀東.超高韌性水泥基復(fù)合材料研究進(jìn)展及其工程應(yīng)用[J].土木工程學(xué)報,2008,41(6):72-87.

        [2]LI Victor C.高延性纖維增強水泥基復(fù)合材料的研究進(jìn)展及應(yīng)用[J].硅酸鹽學(xué)報,2007,35(4):531-536.

        [3]吳智敏,宋玉普,趙國藩.疲勞荷載作用下砼裂縫擴展過程[J].大連理工大學(xué)學(xué)報,1997,37(1):45-48.

        [4]吳智敏,趙國藩.混凝土試件縫高比對裂縫擴展過程及斷裂韌度的影響[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報,1995,3(2):126-130.

        [5]劉問,徐世烺,李慶華.超高韌性水泥基復(fù)合材料疲勞裂縫擴展公式的理論與研究[J].工程力學(xué),2013,30(11):67-74.

        [6]陳傳堯.疲勞與斷裂[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2001.

        [7]范天佑.斷裂動力學(xué)原理與應(yīng)用[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2006.

        [8]Li V C,Hashida T.Engineering Ductile Fracture in Brittle-Matrix Composites[J].Journal ofMaterialsScienceLetters,1993,12(12):898-901.

        TU599

        A

        1007-7359(2016)03-0078-02

        10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.03.026

        王軍陣(1991-),男,山東菏澤人,山東科技大學(xué)在讀碩士,研究方向:混凝土。

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