無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土梁疲勞性能試驗研究

(湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，以下稱RPC) 是于90年代繼高強混凝土之后研制出的具備高強度、高韌性、高耐久性等優(yōu)良性能的新型水泥基復(fù)合材料[1,2]。近年來國內(nèi)外學(xué)者對其開展了大量研究,但大多集中在其靜力性能方面[3，4]。然而，如起重機的梁、海上工作臺以及公路和鐵路橋梁在反復(fù)外力實施下，材料內(nèi)部損傷會不斷地積累，最終在不大于靜載強度的情況下呈現(xiàn)突然的破壞[5]。為使RPC材料能夠在土木領(lǐng)域得到廣泛的推廣及應(yīng)用，對RPC材料構(gòu)成的構(gòu)件需進(jìn)行疲勞試驗以了解其疲勞性能。本文對4根RPC材料構(gòu)成的梁施加等幅疲勞荷載，研究RPC梁的性能劣化過程。

1 試驗概況

1.1 試驗梁基本資料

試驗共制造了5根具有相同截面尺寸的RPC梁，1根為普通鋼筋RPC梁，另4根為無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力RPC梁。并根據(jù)文獻(xiàn)[6]配制普通鋼筋，普通鋼筋配筋率為3.3%，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁同時配置1根7股Φs15.2底松弛鋼絞線。從4根無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力RPC梁中選擇1根進(jìn)行靜載試驗確定疲勞荷載，另3根和普通鋼筋RPC梁進(jìn)行疲勞試驗。試驗梁配合比見表1，澆筑每根試驗梁時同時制作3個100 mm×100 mm×100 mm立方體試塊用于測定立方體承擔(dān)壓力的能力，總共制作6個尺寸為100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體試塊用于測定棱柱體抗壓強度及彈性模量。借鑒普通混凝土力學(xué)性能試驗方法測定RPC材料力學(xué)性能，具體試驗成果見表2。

表1 RPC配合比水膠比水泥/(kg·m-3)硅灰/(kg·m-3)細(xì)砂/(kg·m-3)0 27701931078高效減水劑/(kg·m-3)鋼纖維/(kg·m-3)水/(kg·m-3)1977193

表2 RPC力學(xué)性能MPa試驗梁編號立方體抗壓強度棱柱體抗壓強度彈性模量S77 1CF?178 8CF?267 674 132752CF?372 9CF?487 1注：S為用于靜載試驗的無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力RPC梁，CF?1為普通鋼筋RPC梁，CF?2～CF?4為用于疲勞試驗的無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力RPC梁。

1.2 試驗加載方案及測點布置

在開展疲勞探究前先進(jìn)行靜態(tài)試驗，以確定疲勞荷載上限值。疲勞荷載選擇出現(xiàn)概率為98%的橋梁疲勞應(yīng)力幅[5]，上限值為0.3Mu，下限值為0.05Mu。其中Mu為靜力試驗的極限承載力。靜態(tài)探究采取三分點加載，疲勞試驗運用PMS500型液壓脈動疲勞機以4 Hz的頻率實行正弦波加載。開始試驗前先進(jìn)行預(yù)加力，檢測梁體是有沒有放穩(wěn)定，設(shè)備能否很好地工作。正式加載過程中當(dāng)加載次數(shù)達(dá)到1﹑2﹑1萬﹑5萬﹑20萬﹑50萬﹑100萬﹑150萬和200萬次時暫停加載施行一次加卸載的靜力試驗，同時讀取設(shè)備讀數(shù)。

分別在跨中﹑加載點﹑支座位置安放百分表。跨中左右2個面分別張貼5片應(yīng)變片，普通鋼筋在跨中﹑加載點也粘貼應(yīng)變片。

2 RPC梁靜載與疲勞試驗結(jié)果及分析

2.1 靜載試驗結(jié)果與分析

無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力RPC梁在靜力加載歷程中，當(dāng)外部力加載到75 kN時梁體跨中開始產(chǎn)生豎向裂紋。當(dāng)加力到270 kN時，跨中位置產(chǎn)生2條急劇拓展的豎向裂紋,此時受拉普通鋼筋已經(jīng)屈服，受壓區(qū)RPC被壓潰。實測的無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力RPC梁的開裂值Mcr=30.5 kN·m和極限值Mu=108.5 kN·m，開裂彎矩與極限彎矩之比為0.28。高于鋼筋混凝土梁0.1的值。無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力RPC梁表現(xiàn)出較好的耐拉能力，主要是因為摻入鋼纖維的RPC材料具有較高的抗拉強度，同時預(yù)應(yīng)力的施加也使得梁的延性及抗裂能的增長。荷載撓度曲線如圖1所示，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力增量如圖2所示。

圖1 荷載-撓度曲線

圖2 荷載-預(yù)應(yīng)力增量曲線

從上述曲線可以看出無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力RPC梁在靜力實施下，其受力和形變表現(xiàn)為3階段轉(zhuǎn)變過程：第1過程，在開裂前荷載和撓度基本成線形關(guān)系。第2過程，開裂后撓度比荷載增加快但非線性并不是特別明顯，主要是因為開裂后RPC中摻入的鋼纖維還具有抗拔能力。第3過程，受拉區(qū)普通鋼筋屈服撓度變化速度加快非線性特性較為明顯。

2.2 疲勞試驗結(jié)果與分析

通過對普通鋼筋RPC梁和預(yù)應(yīng)力RPC梁施加荷載幅值為0.25倍靜載極限強度的等幅疲勞荷載。在反復(fù)外力實施下，不論是普通鋼筋RPC梁還是無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋RPC梁都能承擔(dān)200萬次的反復(fù)外力而不損毀。200萬次時RPC梁試驗成果與靜載試驗梁成果對比如表3所示。通過表3呈現(xiàn)出，在200萬次反復(fù)外力實施后，梁跨中撓度﹑RPC受壓區(qū)邊緣應(yīng)變﹑受拉區(qū)普通鋼筋應(yīng)變﹑預(yù)應(yīng)力增量分別占RPC梁靜載極狀態(tài)時的7%﹑38%﹑26%﹑11%﹑20%，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力RPC梁體現(xiàn)了較強的抗疲勞性能。

表3 靜力和疲勞試驗相應(yīng)參數(shù)實測值試驗梁編號最大裂縫寬度/mm跨中撓度/mm受壓區(qū)邊緣RPC應(yīng)變受拉鋼筋應(yīng)變預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力增量/MPaS1 122 283154με2836με315CF?10 1291147με1226με0CF0 088 5 925με 303με63 3(7%)(38%)(29%)(11%)(20%)注：S為無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力RPC梁靜載試驗結(jié)果，CF?1為普通鋼筋RPC梁疲勞試驗結(jié)果，CF為3根無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力RPC梁疲勞試驗結(jié)果平均值，括號內(nèi)為CF/S的值。

2.2.1 RPC梁撓度

在試驗梁跨中位置安裝百分表，利用百分表可以測出撓度隨外力循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，通過撓度的變化可以體現(xiàn)出梁剛度的轉(zhuǎn)變。不同外力循環(huán)作用次數(shù)下普通鋼筋RPC梁及無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力RPC梁跨中撓度變化曲線如圖3、圖4所示。不論是普通鋼筋RPC梁還是無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力RPC梁隨反復(fù)外力實施次數(shù)的增加撓度值都不斷的增長，并且曲線向撓度坐標(biāo)軸傾斜，其中無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力RPC梁撓度傾斜程度比普通鋼筋RPC梁傾斜程度大。說明無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力RPC梁在反復(fù)外力下剛度退化比普通鋼筋RPC梁剛度退化快。同時疲勞荷載撓度曲線都呈現(xiàn)出先疏后密的特點。

圖3 普通鋼筋RPC梁跨中撓度隨加載次數(shù)變化曲線

圖4 無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力RPC梁跨中撓度隨加載次數(shù)變化曲線

2.2.2 受壓區(qū)邊緣RPC應(yīng)變

等幅疲勞荷載作用下RPC梁受壓區(qū)應(yīng)變隨外力次數(shù)的變化規(guī)律如圖5、圖6所示。圖中規(guī)律表現(xiàn)為：受壓區(qū)邊緣應(yīng)變隨疲勞加載次數(shù)不斷增加，相同循環(huán)次數(shù)作用下無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力RPC梁受壓區(qū)邊緣應(yīng)變小于普通鋼筋RPC梁。經(jīng)過200萬次加載后，普通鋼筋RPC梁邊緣壓應(yīng)變?yōu)?1 147με，預(yù)應(yīng)力RPC梁邊緣壓應(yīng)變?yōu)?850με。無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力RPC梁承壓區(qū)邊緣總應(yīng)變平均值及累積殘余應(yīng)變平均值隨疲勞加載次數(shù)的變化規(guī)律如圖7所示。從圖中體現(xiàn)出無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力RPC梁承壓區(qū)邊緣殘余應(yīng)變和總應(yīng)變都隨疲勞加載次數(shù)不停增長，在200萬次外力循環(huán)過程中表現(xiàn)出兩階段的發(fā)展規(guī)律：第1階段結(jié)束時疲勞荷載加載次數(shù)為23萬次，總應(yīng)變和殘余變形分別為662με及115με，該過程總應(yīng)變和殘余應(yīng)變增長速率較快約占整個過程的11%；第2階段總變形和殘余變形變化速率逐漸減緩，第2階段末達(dá)到200萬次循環(huán)，總應(yīng)變?yōu)?50με,殘余應(yīng)變?yōu)?62με。第1階段末總變形和殘余應(yīng)變分別占整個過程的78%和44%，主要因為隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加材料內(nèi)部的損傷不斷地累積導(dǎo)致殘余應(yīng)變在不斷地增加。

圖5 普通鋼筋RPC梁邊緣應(yīng)變隨加載次數(shù)變化曲線

圖6 無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力RPC梁邊緣應(yīng)變隨加載次數(shù)變化曲線

圖7 無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力RPC梁應(yīng)變隨N發(fā)展曲線

2.2.3 鋼筋應(yīng)變

對于鋼筋的疲勞探究主要通過在空氣中實施軸拉試驗和對RC梁彎曲加載試驗間接測試出鋼筋疲勞。首種方式可以加較高的頻率值，另一方式更接近實際。圖8、圖9給出了本次試驗過程中普通鋼筋應(yīng)變隨加載次數(shù)的變化規(guī)律。隨著反復(fù)外力次數(shù)的增加2種類型RPC梁中的普通鋼筋應(yīng)變變化速率都在增長。普通鋼筋RPC梁加載至53 kN時鋼筋應(yīng)變斜率開始明顯變化，而預(yù)應(yīng)力鋼筋RPC梁中鋼筋應(yīng)變變化斜率無普通梁中的變化快。同時預(yù)應(yīng)力梁每次加載完后鋼筋殘余應(yīng)變不小于普通鋼筋梁中鋼筋的殘余應(yīng)變。在200萬次加載完成后預(yù)應(yīng)力梁中鋼筋最大應(yīng)變約為普通鋼筋梁中最大應(yīng)變的0.5倍。所以對于普通鋼筋梁中的鋼筋比預(yù)應(yīng)力RPC梁中鋼筋更易出現(xiàn)疲勞斷裂。

圖8 普通鋼筋RPC梁鋼筋應(yīng)變變化曲線

圖9 預(yù)應(yīng)力RPC梁鋼筋應(yīng)變變化曲線

3 結(jié)論

1)無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力RPC梁在靜態(tài)加載過程中表現(xiàn)出了3階段的規(guī)律，第2階段占整個階段的60%左右，開裂荷載及極限荷載的比值為0.28。體現(xiàn)出了較強的抗裂能力。

2)在反復(fù)外力實施下，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力RPC梁的位移變化速率比普通鋼筋RPC梁位移變化速率快，說明預(yù)應(yīng)力RPC梁的剛度比普通梁剛度退化快。200萬次加載后無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁的撓度值為靜力破壞時的28%，表現(xiàn)出較好抗疲勞性。

3)無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力RPC梁中受壓區(qū)邊緣RPC總應(yīng)變及殘余應(yīng)變變化體現(xiàn)出兩階段的變化趨勢，第1階段占整個過程的11%，其階段末總應(yīng)變及殘余應(yīng)變占整個過程的78%及44%。

4)預(yù)應(yīng)力RPC梁中普通鋼筋應(yīng)變較普通鋼筋RPC梁中鋼筋應(yīng)變值小，約為其值的0.5倍，同時應(yīng)變發(fā)展速率也較小，所以預(yù)應(yīng)力RPC梁中普通鋼筋抗疲勞性能較在普通鋼筋RPC梁中強。

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