孫 勁 舟

(中南林業(yè)科技大學土木工程學院，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、抗壓強度達200 MPa～800 MPa的活性粉末混凝土》一文[1],RPC是20世紀末由法國布伊格(Bouygues)公司研究成功的繼高強、高性能混凝土后開發(fā)出的超高強度、高韌性、高耐久、體積穩(wěn)定性良好水泥基復合材料，是DSP材料與纖維增強材料相復合的新型超高強混凝土[2,3]。

在長期實踐中，某些機械零件工作時，承受隨時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)力遠遠低于材料的屈服極限，但是經(jīng)過一段時間運行之后，構(gòu)件會突然斷裂?；炷两Y(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RPC疲勞性能的研究變得愈發(fā)重要。

2 常用疲勞試驗參數(shù)

疲勞試驗研究所涉及符號與專有名詞較多，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”教程中的習慣用法，泛指隨時間做周期循環(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。

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。

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與強度極限σb的代數(shù)比值。

應(yīng)力水平S——代表一對應(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。

對數(shù)應(yīng)力水平lgS——對應(yīng)力水平S取對數(shù)。

疲勞極限Sl——經(jīng)過無窮次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生破壞時的最大應(yīng)力值，又稱為持久極限。對于混凝土材料通常選用疲勞壽命N=2×106時對應(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)。

對數(shù)疲勞壽命lgN——對破壞疲勞數(shù)N取對數(shù)。

在相關(guān)試驗經(jīng)驗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)計對數(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，以存活率p的疲勞壽命為橫坐標繪制的曲線，即存活率——應(yīng)力——疲勞壽命曲線。作圖時通常將疲勞壽命取對數(shù)，或者同時將應(yīng)力和疲勞壽命取對數(shù)。

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

3 疲勞試驗數(shù)據(jù)處理方法

實踐經(jīng)驗指出，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，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。當然，這種作圖法帶有一定的近似性。但當數(shù)據(jù)不夠充分、數(shù)據(jù)點過少或者過于分散時，參照同類型的S—N曲線形式用直線擬合某些數(shù)據(jù)點還是比較方便可靠的。

湖南大學的方志[4]對三種不同鋼纖維摻量的活性粉末混凝土進行了單軸受壓等幅疲勞試驗，研究鋼纖維含量對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。試驗數(shù)據(jù)表明，未摻鋼纖維的RPC強度離散型大，差異最大可達15%，摻鋼纖維的RPC強度離散型相對較小。通過對對數(shù)應(yīng)力水平lgS以及對數(shù)疲勞壽命lgN的線性擬合計算，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 單軸受壓疲勞試驗方案

4.1 RPC的制備、成型與養(yǎng)護

將要進行疲勞試驗的活性粉末混凝土，配合比如表1所示，攪拌工藝參照《活性粉末混凝土》實行，將級配河沙、鋼纖維、石英粉、水泥、硅灰依序倒入攪拌機內(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標準砂漿模具內(nèi)，分三層手動插搗后置于震動臺上震動50 s，將表面抹平后置于標準養(yǎng)護室(氣溫，相對濕度不小于90%)養(yǎng)護1 d后脫模進行養(yǎng)護，試驗采用熱養(yǎng)護以提高活性粉末混凝土力學性能，其養(yǎng)護制度為：自加熱起3 h內(nèi)達到90 ℃，并在90 ℃±25 ℃恒溫熱水中養(yǎng)護48 h，自然冷卻至室溫。RPC抗壓強度試驗采用的試件尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm；抗折強度試驗采用的試件尺寸為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疲勞試驗試件尺寸選用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，試驗加載裝置為“濟南友金機械設(shè)備有限公司”生產(chǎn)的PLS-1000電液伺服土木結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)。

試驗為確定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RPC進行疲勞壽命試驗，試驗加載應(yīng)力比恒為0.1，不同鋼纖維摻量試件均選取8組應(yīng)力水平進行加載，應(yīng)力水平各加載系數(shù)下試件數(shù)均為3個，試驗應(yīng)力比R=0.1，加載頻率為4 Hz，試件最大疲勞試驗次數(shù)為100萬次。試件單軸抗壓強如表2所示。

表2 RPC抗壓強度測試表

5 試驗現(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)下對數(shù)加載系數(shù)與對數(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較大。

5.1 雙對數(shù)疲勞方程

對疲勞試件對數(shù)應(yīng)力水平以及對數(shù)疲勞壽命進行線性回歸分析，結(jié)果表明，RPC立方體試件對數(shù)加載水平與對數(shù)疲勞壽命線性相關(guān)，服從雙對數(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時不同鋼纖維摻量疲勞強度如表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RPC疲勞極限的影響較小，對疲勞荷載強度提升較大。原因在于鋼纖維的摻量摻入影響RPC疲勞性能的同時增加了其靜力抗壓強度，故對相應(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)系可以對不同應(yīng)力水平下活性粉末混凝土疲勞壽命進行預(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，相對基準組1.5%鋼纖維摻量疲勞極限下對應(yīng)的應(yīng)力水平提高了15.77%，3%摻量對應(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度遠高于普通混凝土材料。