超高韌性水泥基復(fù)合材料疲勞裂紋擴展規(guī)律研究

李魏魏，郭琛，劉勇

（1.山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東外國語職業(yè)學(xué)院 信息工程學(xué)院，山東 日照 276800）

超高韌性水泥基復(fù)合材料疲勞裂紋擴展規(guī)律研究

李魏魏1，郭琛1，劉勇2

（1.山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東外國語職業(yè)學(xué)院 信息工程學(xué)院，山東 日照 276800）

為了研究影響超高韌性水泥基復(fù)合材料（UHTCC）疲勞裂紋擴展規(guī)律的因素，進行了試驗研究。通過調(diào)整 UHTCC動態(tài)斷裂試驗的加載條件和試驗參數(shù)得到荷載幅值、加載頻率和縫高比對疲勞裂紋擴展速率的影響關(guān)系。并通過試驗數(shù)據(jù)擬合，確定了縫高比分別為0.33、0.40的疲勞裂紋擴展公式參數(shù)。試驗結(jié)果表明：加載條件中，荷載幅值對疲勞裂紋擴展速率影響最大，荷載幅值越大，裂紋擴展速率越大；加載頻率增大時，裂紋擴展速率趨于減??；在一定范圍內(nèi)，初始縫高比越大，疲勞裂紋擴展速率越大。

超高韌性水泥基；疲勞裂紋；擴展規(guī)律；加載條件

1 概 述

超高韌性水泥基復(fù)合材料［1］（Ultra-high toughness cementitious composites，簡稱UHTCC）是由水泥為基礎(chǔ)材料、纖維為增強材料，同時加入精細骨料，以及活性礦物摻合料粉煤灰或硅灰等，組成的新型水泥基復(fù)合材料。本試驗基于UHTCC的疲勞裂紋穩(wěn)定擴展階段對其荷載循環(huán)次數(shù)的裂紋擴展量函數(shù)［2］表達式：

式中：A為宏觀裂縫覆蓋面積；N為疲勞次數(shù)；C、m為材料常數(shù)；ΔJ為斷裂能差值。

本試驗中動態(tài)斷裂試驗的最小荷載 Pmin均小于2kN，由此產(chǎn)生的Jmin→0，所以最小荷載產(chǎn)生的斷裂能可以忽略其對 dA/dN的影響。于是可將本試驗中ΔJ→Jmax，所以公式（1）可替換為：

試驗將根據(jù)此公式計算出UHTCC疲勞裂紋擴展公式的C、m系數(shù)，得到試件尺寸為80mm×150mm ×700mm、縫高比分別為0.33和0.4下的疲勞裂紋擴展速率的函數(shù)關(guān)系。并根據(jù)試驗結(jié)果，分析荷載幅值Pa［3］、加載頻率 f和縫高比［4］對于疲勞裂紋擴展速率dA/dN的影響。

2 試驗研究

2.1 試驗準備

對UHTCC在動態(tài)斷裂荷載作用下的疲勞裂紋擴展規(guī)律的研究采用三點彎曲加載試驗［5］，試件尺寸80mm×150mm×700mm，初始縫高比為0.33、0.4兩種。UHTCC基體配合比為：水泥∶砂子∶粉煤灰∶水=1∶1.2∶0.8∶0.58。進口纖維體積摻加量為2%。所有試件采用木模澆筑，在室溫下養(yǎng)護24h后脫模，放入養(yǎng)護室標準養(yǎng)護28d。試件在室內(nèi)環(huán)境下放置至少3個月，目的是為了消除養(yǎng)護齡期對疲勞性能的影響。

試驗在500-kN FCS-9331液壓伺服萬能試驗機上進行，試驗過程中，采用東華DH5922動態(tài)采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)。靜載試驗采用位移控制，加載速度為0.1mm/min。疲勞試驗采用荷載控制，加載波采用無間歇的正弦波。加載示意圖及測點布置如圖1。

圖1 動載試驗裝置圖

試件的加載參數(shù)如表1。

2.2 試驗結(jié)果

根據(jù)動載試驗所得的數(shù)據(jù)，UHTCC疲勞裂縫擴展試驗參數(shù)如表2。

表1 UHTCC動態(tài)斷裂試驗的加載條件

表2 UHTCC疲勞裂縫擴展試驗和計算參數(shù)

3 試驗結(jié)果分析與結(jié)論

3.1 荷載幅值對疲勞裂紋擴展的影響

根據(jù)表2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)升高的趨勢。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變化也較大，dA/dN值在0.000634～0.00650之間，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也較小，dA/dN值在 0.000848～0.00264之間其升高的趨勢相對減弱。

3.2 加載頻率對疲勞裂紋擴展速率的影響

當(dāng)荷載幅值一定的情況下，加載頻率 f 對疲勞裂紋發(fā)展的速率dA/dN也有一定的影響。對于縫高比為0.3的C-2和C-4試件，其荷載幅值相近，當(dāng)加載頻率 f 增大時，其疲勞裂紋擴展速率 dA/DN有所降低。對于縫高比為0.4的D-1和D-2試件，其荷載幅值相同，當(dāng)加載頻率增大時，疲勞裂紋擴展速率dA/dN也有下降的趨勢。原因可能是由于在低的加載頻率條件下，試件中的初始裂紋、孔隙和缺陷在裂紋的尖端有足夠的作用時間促使裂紋加速擴展。但是由于加載設(shè)備限制的原因，沒有對加載頻率的較寬范圍進行試驗，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，本試驗沒有得到，對是否存在裂紋擴展速率的頻率無關(guān)區(qū)域尚有待研究［6］。

3.3 縫高比對疲勞裂紋擴展速率的影響

根據(jù)表2可看出，UHTCC預(yù)制切口試件的縫高比對疲勞裂紋擴展速率有一定的影響。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，疲勞裂縫擴展速率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，均比縫高比為 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。

3.4 疲勞裂紋擴展公式參數(shù)的確定

計算疲勞裂紋擴展公式的參數(shù)時，將該式進行對數(shù)變換：

根據(jù)查得各最大疲勞荷載值Pmax所對應(yīng)的Jmax，根據(jù)公式（3）進行數(shù)據(jù)擬合，得到公式的C和m值。圖3所示不同縫高比試件疲勞裂紋擴展速率dA/dN的對數(shù)與Jmax對數(shù)關(guān)系和擬合直線。

圖2 不同縫高比試件疲勞裂紋擴展速率dA/dN的對數(shù)與Jmax對數(shù)關(guān)系和擬合直線

4 結(jié) 論［7-8］

①加載條件中的荷載幅值對疲勞裂紋擴展的速率dA/dN影響作用最為明顯。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。

②當(dāng)荷載幅值一定時，加載頻率對疲勞裂紋擴展速率也有影響，加載頻率越低，疲勞裂紋擴展速率越大。

③縫高比在一定范圍內(nèi)時，縫高比越大，試件的疲勞裂紋擴展速率越大。

④本試驗計算出試件尺寸為 80mm×150mm× 700mm的UHTCC疲勞裂紋擴展公式，其中縫高比為0.33試件的疲勞裂紋擴展速率函數(shù)關(guān)系為：

縫高比為0.4試件的疲勞裂紋擴展速率函數(shù)關(guān)系為：

［1］徐世烺，劉問.超高韌性水泥基復(fù)合材料疲勞損傷模型試驗研究［J］.中國公路學(xué)報，2011，24（6）：1-8.

［2］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試驗研究［J］.工程力學(xué)，2013，30（11）：67-74.

［3］徐世烺，王楠，李慶華.超高韌性水泥基復(fù)合材料增強普通混凝土復(fù)合梁彎曲性能試驗研究［J］.土木工程學(xué)報，2010，43（5）：17-22.

［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］Chen Xiaobao，Ma Hongwang，Chen Huafu.Design and Plastic Analysis on Prestressed Concrete Frames with On-End-Section Plastic Hinge of Beam Hinging Collapse Mechanism under Lateral Action of Earthquake［J］.Key Engineering Materials Vols，2004：274-276.

［6］徐世烺，趙國藩.光彈貼片法研究混凝土裂縫擴展過程［J］.水力發(fā)電學(xué)報，1991，10（3）：8-19.

［7］劉問，徐世烺，李慶華.等幅疲勞荷載作用下超高韌性水泥基復(fù)合材料彎曲疲勞壽命試驗研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2012，33（1）：119-127.

［8］王海超，等.超高性能水泥基復(fù)合材料動態(tài)斷裂下承載能力和剛度退化分析［J］.混凝土，2014（7）：8-12.

［9］劉問.超高韌性水泥基復(fù)合材料動態(tài)力學(xué)性能的試驗研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2012.

TU599

A

1007-7359（2016）02-0169-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.02.060

李魏魏（1990-），女，山東濟寧人，山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院在讀碩士，研究方向：結(jié)構(gòu)工程。