碳纖維混凝土彎曲疲勞試驗(yàn)研究

徐薄

摘要：對(duì)加入體積含量為0.1%的碳纖維混凝土進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)研究，獲得了不同應(yīng)力水平作用下的碳纖維混凝土試件的疲勞壽命，和已有的素混凝土文獻(xiàn)資料對(duì)比，疲勞壽命次數(shù)有較大的提高。并應(yīng)用了疲勞壽命統(tǒng)計(jì)學(xué)理論確定了碳纖維混凝土疲勞壽命統(tǒng)計(jì)規(guī)律服從兩參數(shù)的威布爾分布。對(duì)每組試件底部應(yīng)變進(jìn)行曲線擬合，發(fā)現(xiàn)應(yīng)變?cè)?00范圍內(nèi)增長(zhǎng)曲線基本都符合對(duì)數(shù)曲線擬合，且找到了在本文中應(yīng)力水平對(duì)應(yīng)的跨中底部應(yīng)變和疲勞次數(shù)的最好關(guān)系表達(dá)式。

Abstract： In this research， reinforced concrete with 0.1% of carbon fiber was tested and various ranges of fatigue life of carbon fiber reinforced concrete specimens under different stress levels were obtained. Compared with the existing concrete literature， the fatigue life times were improved greatly. The fatigue life statistics of carbon fiber reinforced concrete were determined by the fatigue life statistic theory called Two-parameter Weibull distribution. The curves of the bottom strain of each specimen were fitted， the result showed that the growth curve of the strain is basically in accordance with the logarithmic curve fitting in the range of 100. Furthermore， the stress level corresponds to the optimal relationship between the bottom strain and the number of fatigue were found in the test.

關(guān)鍵詞：碳纖維混凝土；疲勞壽命；跨中撓度；底部應(yīng)變

Key words： carbon fiber reinforced concrete；fatigue life；mid-span deflection；bottom strain

中圖分類號(hào)：TU528.582 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）04-0128-03

0 引言

隨著我國(guó)科技的發(fā)展，工程發(fā)展的腳步也越來(lái)越快。自從混凝土被發(fā)明之后，大規(guī)模的應(yīng)用于工程建設(shè)中，在當(dāng)今世界成為了一種主流建筑材料，其地位不可替代。為了能充分的利用混凝土，學(xué)者們不斷地改良它的性能，使其達(dá)到經(jīng)濟(jì)最優(yōu)，性能最優(yōu)。近年來(lái)很多學(xué)者已經(jīng)取得了很多成果，但是在一些存在重復(fù)荷載領(lǐng)域，如高速公路、橋梁工程等領(lǐng)域中，雖然工程師已經(jīng)掌握了結(jié)構(gòu)理論，但還是在承受彎曲重復(fù)荷載作用下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件容易發(fā)生疲勞破壞，導(dǎo)致構(gòu)建承載力失效，影響工程結(jié)構(gòu)的正常使用。主要原因除了與結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)等因素有關(guān)外，還與混凝土的疲勞性能有關(guān)，因此怎樣提高混凝土抗疲勞性能，延長(zhǎng)其使用壽命是一個(gè)重要的研究?jī)?nèi)容?；炷林屑尤肜w維是很多學(xué)者公認(rèn)的能提高混凝土綜合性能的有效方式。隨著碳纖維的出現(xiàn)，碳纖維優(yōu)越的力學(xué)性能，也讓人們廣為熟知，由于其價(jià)格偏高，為了充分利用它的優(yōu)勢(shì)，已將它廣泛用于工程結(jié)構(gòu)加固并建立了一系列加固理論。目前鄧宗才[1][2][3]等對(duì)其低周疲勞斷裂特性，低周循環(huán)加載歷史對(duì)其斷裂特性影響，等幅、變幅疲勞斷裂與損傷性能做了大量研究，發(fā)現(xiàn)碳纖維對(duì)混凝土疲勞性能有較大提高。不足之處是對(duì)試件進(jìn)行預(yù)制缺口，讓其破壞，未對(duì)自然狀態(tài)的梁用應(yīng)力水平控制其應(yīng)力上下限來(lái)分析其壽命、應(yīng)變?；炷林屑尤胩祭w維，在疲勞過(guò)程中底部應(yīng)變的發(fā)展，都會(huì)影響其疲勞壽命，故本文以應(yīng)力水平為變量，在MTS疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，研究其應(yīng)力水平分別為S=0.6、S=0.7、S=0.8作用下疲勞壽命、跨中底部應(yīng)變。

1 試驗(yàn)材料及試樣制備

1.1 試驗(yàn)材料

按照普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程《JGJ55-2011》配置強(qiáng)度等級(jí)為C30的混凝土，配合比為水泥：水：砂：石= 349kg：185kg：597kg：1269kg。水泥用云南省紅河水泥廠生產(chǎn)的P·O425級(jí)水泥，粗骨料采用粒徑為5-20mm的機(jī)械碎石，細(xì)骨料采用機(jī)制中砂，加入體積含量為0.1%的碳纖維（東麗T700-12K-50C），力學(xué)性能參數(shù)見表1。

1.2 試樣制備

由于碳纖維在水中不能很好的分散，拌和工藝是一個(gè)很關(guān)鍵的因素，本文采用先骨料混拌和，再加水。具體拌和工藝：碎石+砂拌和1分鐘，再加入碳纖維拌和1分鐘，再加入水泥拌和1分鐘，最后加入水拌和3分鐘。拌和過(guò)程中采用強(qiáng)制攪拌機(jī)攪拌，盡量避免拌和不均勻影響成型質(zhì)量。制作尺寸150mm×150mm×550mm梁試件共18根，3根用于靜載試驗(yàn)，其余15根用于3組應(yīng)力水平對(duì)應(yīng)的疲勞試驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28天。試驗(yàn)進(jìn)行前，對(duì)試件進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置。在碳纖維混凝土梁底部跨中沿橫向均布3片應(yīng)變片（BX120-100AA），測(cè)量混凝土底部應(yīng)變，如圖1所示。

2 梁彎曲疲勞加載試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)備由MTS809和3817動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀組成。對(duì)于疲勞加載頻率，目前沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)范規(guī)定，根據(jù)試驗(yàn)機(jī)的性能和試件成本、周期，通常采取的加載頻率為5-15Hz。而加載頻率在100-900次/分鐘之間對(duì)混凝土的疲勞強(qiáng)度無(wú)明顯影響。本實(shí)驗(yàn)選擇MTS試驗(yàn)機(jī)加載頻率為10Hz，波形為正弦波，采用力控制加載方式，裝置圖如圖2所示。3817動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀采集頻率為5Hz，同時(shí)采集底部應(yīng)變和跨中撓度。試驗(yàn)中分別對(duì)三組梁試件（每組5根），以應(yīng)力水平為0.6、0.7、0.8進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。為了消除加載瞬間沖擊荷載帶來(lái)的影響，故先確定應(yīng)力比為0.1，由靜力加載試驗(yàn)得到的平均最大破壞強(qiáng)度為=25.71kN，由疲勞加載公式（1）和（2）可以得到應(yīng)力水平對(duì)應(yīng)的應(yīng)力上限和應(yīng)力下限，并進(jìn)行試驗(yàn)。endprint

S=σmax/f（1）

r=σmin/σmax （2）

式（1）、（2）中：S-應(yīng)力水平；σmax-最大應(yīng)力；f-平均破壞強(qiáng)度；σmin-最小應(yīng)力；r-應(yīng)力比，取為0.1。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.2.1 疲勞壽命結(jié)果及分析

不同應(yīng)力水平作用下，加入體積含量為0.1%的碳纖維混凝土各試件的疲勞壽命見表2。

李永強(qiáng)[4]等對(duì)素混凝土彎曲疲勞做了研究，研究結(jié)果顯示當(dāng)應(yīng)力水平S=0.8時(shí)，最大破壞次數(shù)為8411次，S=0.7時(shí)，最大破壞次數(shù)為58835次，S=0.6時(shí)，最大破壞次數(shù)為2116598次。與本文試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明：加入0.1%的碳纖維，對(duì)混凝土疲勞次數(shù)有較大提高。

由于混凝土是一種復(fù)合人工材料其離散性非常大，由于其樣本數(shù)量較小，必須借助較為科學(xué)的統(tǒng)計(jì)理論方法對(duì)其試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析探究，得出的結(jié)論才更為可靠。本文采用兩參數(shù)的weibull模型[5]來(lái)分析研究碳纖維混凝土的疲勞壽命分布。

兩參數(shù)的weibull分布概率密度函數(shù)為：

式（7）為一次函數(shù)關(guān)系表達(dá)式，c和β兩個(gè)參數(shù)可以從直線上得到。且式（7）可以用來(lái)做試驗(yàn)結(jié)果的兩參數(shù)weibull分布的假設(shè)檢驗(yàn)，如果試驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸分析結(jié)果能夠表明Y和X之間呈現(xiàn)出比較好的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，則假設(shè)就成立。將各個(gè)對(duì)應(yīng)應(yīng)力水平作用下，疲勞試驗(yàn)得到的K個(gè)試驗(yàn)結(jié)果從小到大按順序排列，順序號(hào)為i，疲勞壽命次數(shù)為NP所對(duì)應(yīng)的疲勞可靠度P可用下式（8）來(lái)計(jì)算：

2.2.2 底部應(yīng)變結(jié)果及分析

混凝土梁底部跨中沿橫向均布三片應(yīng)變片，觀測(cè)其應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)規(guī)律。在疲勞過(guò)程中，每組進(jìn)行五個(gè)試件的疲勞應(yīng)變統(tǒng)計(jì)（與撓度同步統(tǒng)計(jì)），對(duì)同一應(yīng)力水平的每個(gè)試件在0-100范圍內(nèi)應(yīng)變值和疲勞次數(shù)進(jìn)行對(duì)數(shù)曲線擬合，每組選擇擬合曲線最好的一根，如圖4所示。

圖4結(jié)果表明：疲勞應(yīng)變數(shù)值在0-100范圍以內(nèi)，各應(yīng)力水平對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值與疲勞次數(shù)符合對(duì)數(shù)曲線擬合。當(dāng)應(yīng)力水平S=0.8時(shí)， （a）擬合曲線的結(jié)果最好，即可以得到加入0.1%體積含量的碳纖維混凝土跨中底部應(yīng)變值在0-100范圍內(nèi)的應(yīng)變值和疲勞次數(shù)的關(guān)系表達(dá)式為ε= 26.631ln（N）+1.4367；當(dāng)應(yīng)力水平S=0.7時(shí)， （b）擬合曲線的結(jié)果最好，即可以得到加入0.1%體積含量的碳纖維混凝土跨中底部應(yīng)變值在0-100范圍內(nèi)的應(yīng)變值和疲勞次數(shù)的關(guān)系表達(dá)式為ε=7.5246ln（N）+15.67；當(dāng)應(yīng)力水平S=0.6時(shí)，（c）擬合曲線的結(jié)果最好，即可以得到加入0.1%體積含量的碳纖維混凝土跨中底部應(yīng)變值在0-100范圍內(nèi)的應(yīng)變值和疲勞次數(shù)的關(guān)系表達(dá)式為ε=7.3987ln（N）+16.118。此結(jié)論可以作為公路質(zhì)量疲勞檢測(cè)中底部應(yīng)變和疲勞次數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系的參考表達(dá)式。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)C30混凝土加入體積摻量為0.1%碳纖維進(jìn)行疲勞試驗(yàn)研究得到以下結(jié)論：①疲勞試驗(yàn)結(jié)果和已有文獻(xiàn)的素混凝土彎曲疲勞數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)加入0.1%的碳纖維，對(duì)混凝土疲勞次數(shù)有較大的提高。對(duì)其碳纖維混凝土壽命統(tǒng)計(jì)分析，得到每組壽命分布能較好地服從兩參數(shù)的weibull分布。②對(duì)各組試件的底部跨中應(yīng)變進(jìn)行疲勞過(guò)程連續(xù)采集，發(fā)現(xiàn)其應(yīng)變?cè)?00范圍內(nèi)，疲勞次數(shù)和應(yīng)變曲線擬合滿足對(duì)數(shù)曲線。且找到了本文應(yīng)力水平對(duì)應(yīng)次數(shù)和底部應(yīng)變的最好關(guān)系表達(dá)式。此關(guān)系表達(dá)式可作為公路疲勞檢測(cè)中，底部應(yīng)變與疲勞次數(shù)的參考關(guān)系表達(dá)式。

參考文獻(xiàn)：

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