鋼纖維聚合物高強(qiáng)混凝土的溫度疲勞性能*

鄭順潮 黃培彥 郭馨艷 鄭小紅 周昊

(華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東廣州510640)

鋼纖維混凝土［1-4］、聚合物混凝土［5-7］等纖維混凝土復(fù)合材料的研發(fā)對于改善普通混凝土的抗裂、抗磨損及抗疲勞性能，使混凝土增強(qiáng)、增韌，具有重要的科學(xué)意義和廣闊的應(yīng)用前景.為此，筆者所在課題組研發(fā)了一種纖維混凝土復(fù)合材料——鋼纖維增強(qiáng)聚合物改性混凝土(SFRPC)，并在公路橋梁橋面鋪裝工程中得到了很好的應(yīng)用［8-10］.然而，SFRPC屬于低強(qiáng)度鋪裝材料，無法應(yīng)用于高強(qiáng)度混凝土結(jié)構(gòu)中.為了使纖維混凝土能夠應(yīng)用于橋梁上部結(jié)構(gòu)，筆者所在課題組又對SFRPC進(jìn)行二次開發(fā)，研發(fā)了一種新型的纖維混凝土材料——鋼纖維聚合物高強(qiáng)混凝土(SPHC)［11］.

橋梁上部結(jié)構(gòu)是承受活載的主要構(gòu)件，它的疲勞性能決定了整座橋梁的安全性及耐久性.為了確保橋梁上部結(jié)構(gòu)的疲勞性能及其耐久性，首先要探明其構(gòu)成材料在實(shí)際工作環(huán)境下的疲勞性能.對于室溫下SFRPC的疲勞性能，羅立峰［12］的研究結(jié)果表明，與同等強(qiáng)度的普通混凝土材料相比，SFRPC的疲勞性能得到了大幅度的提高;對于室溫下SPHC的疲勞性能，筆者所在課題組也作了一些前期的研究工作［13］.然而，無論是SFRPC還是SPHC，由于聚合物的摻入以及混凝土本身的溫度效應(yīng)，工作環(huán)境溫度對其疲勞性能是有較大影響的.但是，目前有關(guān)新型纖維混凝土復(fù)合材料的溫度疲勞性能的研究成果還未見報道.為此，文中考慮廣東省的氣候條件，采用理論推導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，對實(shí)際橋梁工程上應(yīng)用的SPHC的溫度疲勞性能進(jìn)行探討，并在室溫條件下和與其靜力學(xué)性能相近的C60混凝土的疲勞性能進(jìn)行對比分析.

1 溫度疲勞壽命表達(dá)式

根據(jù)SPHC組成材料的物理、力學(xué)性能，可以認(rèn)為工作環(huán)境溫度對該材料的疲勞性能有重要影響.其影響主要體現(xiàn)在以下幾方面:1)溫度變化時，由于SPHC的主要構(gòu)成材料——水泥漿體、鋼纖維、聚合物乳膠的熱膨脹系數(shù)不同，即使在沒有外載的情況下，SPHC也會產(chǎn)生溫度應(yīng)力，而溫度應(yīng)力會影響SPHC的疲勞性能;2)在混凝土中摻入聚合物乳膠后，聚合物的膜狀物填充或連接在水泥水化產(chǎn)物的縫隙或空穴之間，使水化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)更致密，微裂紋明顯減少，疲勞性能得以提高，但是，當(dāng)工作環(huán)境溫度提高或降低后，聚合物的膜狀物的填充或連接作用會隨著溫度的變化而改變，從而影響其抗疲勞性能;3)當(dāng)聚合物乳膠的含量較低時，乳膠對鋼纖維與基體的界面的力學(xué)性能影響不明顯，但溫度變化時，界面的力學(xué)性能會有變化，加上乳膠的影響，界面的疲勞性能將會有所變化.

基于上述理由，當(dāng)工作環(huán)境溫度變化時，SPHC試件疲勞壽命的計(jì)算公式應(yīng)考慮外力和溫度的耦合作用.為了描述這種耦合作用，筆者認(rèn)為溫度對材料疲勞性能的影響將主要通過應(yīng)力的變化而起作用.因此，在經(jīng)典疲勞壽命表達(dá)式

中，將應(yīng)力或載荷S的指數(shù)(常數(shù))m處理為溫度t的函數(shù)m(t)，即假設(shè)SPHC試件(以三點(diǎn)彎曲梁為例)的溫度疲勞壽命的表達(dá)式為

式中:N為載荷循環(huán)次數(shù)，即SPHC試件的疲勞壽命;C為常數(shù).

對式(2)兩邊取對數(shù)，并寫成級數(shù)的形式，有

式中，A為常數(shù).

將式(3)展開，并只取其級數(shù)的常數(shù)項(xiàng)和線性項(xiàng)，有

對于三點(diǎn)彎曲矩形梁，在集中載荷P作用下，式(4)可改寫為

式中，b、h、Ls分別為三點(diǎn)彎曲梁的寬度、高度和跨距(兩支點(diǎn)間距).

假定材料性能指數(shù)m(t)的表達(dá)式為

式中，A1、A2、A3為常數(shù).

將式(6)代入式(5)，整理后可寫成如下的一般表達(dá)形式:

式中，溫度函數(shù)g(t)取為

壽命函數(shù)取為

式(7)和(8)中，C1-C5為待定常系數(shù)，可由實(shí)驗(yàn)確定;載荷P取其最大值Pmax，單位為kN;溫度t的單位為℃.

若將式(7)中的載荷P改用載荷水平或應(yīng)力水平RS=Pmax/Pu表示，則式(7)可改寫為

式中:C'i=Ci/Pu(i=1，2，3，4)，Pu為三點(diǎn)彎曲梁在靜載下的極限承載力.

利用式(7)-(9)或式(8)-(10)，可方便地估算考慮工作環(huán)境溫度影響下SPHC試件的疲勞壽命及其疲勞極限.

2 溫度疲勞實(shí)驗(yàn)

2.1 材料及試件

溫度疲勞實(shí)驗(yàn)所采用試件為三點(diǎn)彎曲梁，如圖1所示.實(shí)驗(yàn)梁分別由C60混凝土和SPHC制成.試件共計(jì)28根:SPHC試件21根，C60試件7根.試件尺寸(長×寬 ×高):450 mm×150mm×150mm，跨距Ls=400mm.

圖1 溫度疲勞實(shí)驗(yàn)所用的三點(diǎn)彎曲梁(單位:mm)Fig.1 Three-point bending beam for fatigue test at different temperatures(Unit:mm)

本次實(shí)驗(yàn)使用的C60混凝土采用標(biāo)準(zhǔn)配合比設(shè)計(jì).對于SPHC材料的配合比設(shè)計(jì)，首先按照結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求(與C60混凝土的靜力學(xué)性能相近)，然后考慮鋼纖維的摻量、水灰比、砂率、單位體積用水量、膠凝材料用量等，兼顧復(fù)合材料的施工性，如流動性(坍落度)、經(jīng)濟(jì)性等，最終確定本次SPHC材料的配合比是在基準(zhǔn)配合比w(水泥)∶w(砂)∶w(碎石)∶w(水)∶w(減水劑)=1.000∶1.346∶1.860∶0.287∶0.014的基礎(chǔ)上，摻入0.64%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的鋼纖維以及0.015%的聚合物乳膠.各實(shí)驗(yàn)材料的具體情況如文獻(xiàn)［13］中所述.

2.2 實(shí)驗(yàn)方法及裝置

SPHC材料的溫度疲勞實(shí)驗(yàn)在3種符合廣東省氣候條件的環(huán)境溫度(t=20，50，80℃)、4級應(yīng)力水平(RS=0.60，0.65，0.70，0.80，相應(yīng)的最大載荷值Pmax=25.7，27.8，30.0，34.0kN)下予以實(shí)施.其中，室溫(20℃)疲勞實(shí)驗(yàn)在4級應(yīng)力水平下進(jìn)行，而50℃和80℃的溫度疲勞實(shí)驗(yàn)在3級應(yīng)力水平(RS=0.65，0.70，0.80)下進(jìn)行.上述實(shí)驗(yàn)條件示于表1中.

表1 SPHC疲勞實(shí)驗(yàn)條件及結(jié)果Table 1 Test conditions and results for SPHC

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由MTS810試驗(yàn)機(jī)、自行設(shè)計(jì)的環(huán)境箱(見圖2)和Wavebook516E動態(tài)應(yīng)變儀組成.疲勞實(shí)驗(yàn)采用三點(diǎn)彎曲加載方式，波形為正弦波，加載頻率為10Hz，應(yīng)力比 r=0.1，采用力控制模式.試驗(yàn)中，材料測試系統(tǒng)(MTS)自動記錄載荷、試件的跨中撓度(位移)、載荷循環(huán)次數(shù)等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，每一循環(huán)記錄8組數(shù)據(jù);應(yīng)變采集系統(tǒng)自動記錄混凝土的應(yīng)變數(shù)據(jù)，采集頻率為100Hz.

圖2 溫度疲勞實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Equipment for thermal fatigue test

一般情況下，如果循環(huán)次數(shù)達(dá)到2×106試件仍未破壞，將停止試驗(yàn)，并認(rèn)為該試件可承受無限次循環(huán)載荷，即具有無限壽命.

為了比較SPHC與C60混凝土的疲勞性能，研究中還對C60混凝土試件實(shí)施疲勞實(shí)驗(yàn).在該部分實(shí)驗(yàn)中，將7根C60混凝土試件按照5級載荷水平進(jìn)行分組，具體情況見文獻(xiàn)［13］.在室溫(20℃)下進(jìn)行疲勞實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方法與SPHC試件的相同.

3 溫度疲勞壽命分析

3.1 疲勞壽命實(shí)驗(yàn)曲線

SPHC的疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果示于表1中，C60混凝土的疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果詳見文獻(xiàn)［13］.在室溫(20℃)下，兩種材料的Pmax-N實(shí)驗(yàn)曲線如圖3所示.由圖3可知，SPHC的實(shí)驗(yàn)曲線完全在C60混凝土的Pmax-N曲線的上方.也就是說，SPHC的疲勞壽命比C60混凝土高得多.例如:當(dāng)Pmax=29.2 kN時，C60混凝土的疲勞壽命不夠7次循環(huán)，而新材料的則達(dá)2×106次循環(huán).

圖3 室溫下SPHC和C60混凝土的Pmax-N實(shí)驗(yàn)曲線Fig.3 Tested Pmax-N curves of SPHC and C60 concrete at room temperature

當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度不同時，SPHC的疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果(溫度疲勞實(shí)驗(yàn)曲線)如圖4所示.由圖3和4可知，SPHC的溫度疲勞壽命(對數(shù)值)與最大載荷值Pmax之間有近似的線性關(guān)系.采用最小二乘法分別對各實(shí)驗(yàn)溫度下的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，可得SPHC的Pmax-N曲線的表達(dá)式為

圖4 不同溫度場中SPHC的Pmax-N實(shí)驗(yàn)曲線Fig.4 Tested Pmax-N curves of SPHC at different temperatures

3.2 溫度疲勞壽命半經(jīng)驗(yàn)公式

利用式(7)-(9)，針對3種實(shí)驗(yàn)溫度(20、50和80℃)下的疲勞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用最小二乘法進(jìn)行擬合，確定系數(shù)C1-C5，可得到在外力與溫度耦合作用下SPHC試件疲勞壽命(溫度疲勞壽命)的計(jì)算公式:

同理，利用式(8)-(10)和上述溫度疲勞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可確定系數(shù) C＇1-C＇4和 C5，并得到以應(yīng)力水平表示的SPHC試件溫度疲勞壽命的計(jì)算公式:

利用式(12)或式(13)，可方便地估算考慮工作環(huán)境影響的SPHC試件的疲勞壽命及疲勞極限.

將N=2×106代入式(12)可求得SPHC試件的疲勞極限 Pf，然后除以靜載下的極限承載力 Pu(SPHC 的 Pu=42.75 kN)［13］，就可以得到圖 5 所示的相對疲勞極限(Pf/Pu)的計(jì)算曲線.由圖5可知，在本研究的工作環(huán)境溫度范圍內(nèi)，SPHC試件的相對疲勞極限隨著溫度的升高而降低.

圖5 環(huán)境溫度對SPHC疲勞極限的影響Fig.5 Effect of temperature on fatigue limit of SPHC

將式(12)的計(jì)算結(jié)果與Pmax-N實(shí)驗(yàn)曲線(見圖4)的推定結(jié)果進(jìn)行比較可知，由半經(jīng)驗(yàn)公式(12)預(yù)測的SPHC試件的疲勞極限Pf與上述3個溫度(20、50 和 80℃)下的實(shí)驗(yàn)推定值(28.1、28.4、27.5kN)的相對誤差分別為 1.42%、4.93%和6.55%，說明在本研究條件下，由式(12)預(yù)測SPHC試件的疲勞極限是可行的.

4 結(jié)語

文中考慮廣東省的溫度變化情況，在不同工作環(huán)境溫度(20、50、80℃)下，對筆者所在課題組研發(fā)的新型纖維混凝土材料——SPHC的抗彎疲勞性能進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，提出了外力與溫度耦合作用下SPHC三點(diǎn)彎曲梁的溫度疲勞壽命的計(jì)算公式.結(jié)果表明，利用該公式可以有效地預(yù)測環(huán)境溫度與外力共同作用下SPHC三點(diǎn)彎曲梁的抗彎疲勞壽命，并能方便地推定其疲勞極限.然而，由于目前的數(shù)據(jù)積累還不夠，還不能提供設(shè)計(jì)用的S-N疲勞壽命曲線.今后將在不斷積累實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的同時，對溫度疲勞壽命的計(jì)算公式進(jìn)行修正，并對其適用范圍及精度進(jìn)行進(jìn)一步的探討;另外，溫度疲勞壽命計(jì)算公式的有效性也應(yīng)通過與本研究不同的環(huán)境溫度下的疲勞實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證.

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