鋼纖維高強(qiáng)灌漿料受壓循環(huán)力學(xué)性能分析

唐鳳英,張亞楠,吳志鵬,馬奎鑫，熊建程，王鴻凱，王亞龍

(中國石油大學(xué)(華東),山東青島 266580)

隨著對(duì)環(huán)境和氣候問題的日益關(guān)注，近年來風(fēng)力發(fā)電發(fā)展迅速。由于海域工況復(fù)雜多變，在水、溫度、地震等環(huán)境因素的影響下，其灌漿材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力場會(huì)不斷發(fā)生變化，這種循環(huán)反復(fù)的疲勞應(yīng)力會(huì)引起灌漿材料力學(xué)性能劣化和疲勞損傷，最終可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在低于容許應(yīng)力之下發(fā)生疲勞破壞。高強(qiáng)灌漿材料屬于新興材料，并且隨著新型復(fù)合材料的崛起，在高強(qiáng)灌漿材料中加入適量鋼纖維，制備出的鋼纖維高強(qiáng)灌漿材料也有著優(yōu)越的發(fā)展前景。

本文采用剩余強(qiáng)度理論對(duì)受壓循環(huán)荷載作用下灌漿材料的疲勞損傷進(jìn)行試驗(yàn)并與數(shù)值模擬相結(jié)合，得到灌漿材料受壓循環(huán)力學(xué)性能結(jié)果。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)為室內(nèi)試驗(yàn)，避免了諸多外部環(huán)境因素的影響，且高強(qiáng)灌漿料配比較為成熟，因此有較高的可靠性。灌漿料配合比見表1。

表1 灌漿料配合比 kg/m3

受壓循環(huán)試驗(yàn)采用多通道電液伺服加載控制系統(tǒng)，可以獲取被測件的受壓循環(huán)特性參數(shù)。剩余強(qiáng)度試驗(yàn)采用YAW系列微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)設(shè)備如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備

1.2 試件制作及試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)采用尺寸為和100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體試件。全部試件制作方式符合GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[1]規(guī)范要求，試件成形后第二天拆模，根據(jù)GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[2]將試件放入養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d。

本次試驗(yàn)的加載方式為力控加載，最大加載力fmax根據(jù)試驗(yàn)需求確定，應(yīng)力水平分別采用S1=0.85和S2=0.75，加載應(yīng)力比r=0.1(r=Smin/Smax=fmin/fmax)即最小應(yīng)力水平恒定為Smin=0.1Smax。實(shí)際加載時(shí)程曲線如圖2所示。

圖2 加載時(shí)程曲線

使用多通道電液伺服加載系統(tǒng)在S1=0.85和S2=0.75的應(yīng)力加載水平下進(jìn)行受壓循環(huán)加載次數(shù)分別為500次、2 000次、4 000次、6 000次、8 000次和10 000次的疲勞加載試驗(yàn)，試驗(yàn)試件分組如表2所示。

表2 試塊分組

不同循環(huán)次數(shù)加載后使用中國石油大學(xué)(華東)YAW系列微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)受壓循環(huán)作用下不同加載次數(shù)的兩種類型試件進(jìn)行靜力加載，加載速率為0.3 MPa/s，直到試件發(fā)生破壞，記錄兩種類型試件疲勞剩余強(qiáng)度、破壞形態(tài)等。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試件破壞形態(tài)

受不同循環(huán)次數(shù)的受壓疲勞加入鋼纖維體積率為1.5 %的高強(qiáng)灌漿材料，在循環(huán)次數(shù)達(dá)到10 000次時(shí)，試件表面產(chǎn)生的微小裂縫較少，試件表面僅有少量灌漿材料顆粒掉落，如圖3(a)所示。

對(duì)經(jīng)歷不同受壓循環(huán)次數(shù)的鋼纖維高強(qiáng)灌漿材料試件進(jìn)行靜力加載，直至破壞，記錄其剩余強(qiáng)度。

試件受壓破壞過程大致分為五個(gè)階段，如圖3(b)所示。

圖3 灌漿材料受壓破壞全過程示意

(1)OA階段為彈性階段：此階段應(yīng)力較低，鋼纖維抑制了內(nèi)部微裂紋的擴(kuò)展，裂縫處于穩(wěn)定狀態(tài)，試件表面無可見裂縫。

(2)AB階段為微裂紋擴(kuò)展階段：此階段材料內(nèi)部界面微裂紋不斷擴(kuò)展、聚集并向基體延伸，試件表面出現(xiàn)平行于加載方向的可見微細(xì)裂縫，此時(shí)鋼纖維的阻裂效應(yīng)明顯，抑制裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展。

(3)BD階段為宏觀裂縫穩(wěn)定發(fā)展階段：宏觀裂縫不斷擴(kuò)展增多，裂縫寬度逐漸變大，形成與加載方向呈45～60 °角的斜裂縫。達(dá)到峰值應(yīng)力后，只有少量碎屑剝落。此階段鋼纖維的橋接作用得到發(fā)揮，跨越裂縫的鋼纖維承擔(dān)斷裂面間荷載，緩和了裂縫尖端應(yīng)力集中程度，延緩了裂縫的擴(kuò)展。

(4)DE階段為裂縫失穩(wěn)階段：鋼纖維與基體間界面層破壞，鋼纖維與基體脫粘，纖維逐漸被拔出，并伴有碎屑剝落。

(5)EF階段為破壞階段，鋼纖維高強(qiáng)灌漿材料試件斷裂面間荷載全部由鋼纖維承擔(dān)，不斷被拔出的鋼纖維增多，試件最終發(fā)生破壞。

2.2 強(qiáng)度衰減規(guī)律

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知鋼纖維高強(qiáng)灌漿材料在最大水平為S1=0.85和S2=0.75下，經(jīng)過2 000次受壓循環(huán)后，強(qiáng)度分別下降為109.92 MPa和105.32 MPa，強(qiáng)度下降率分別為5.45 %和8.83 %；經(jīng)過10 000次受壓循環(huán)后，強(qiáng)度分別下降為70.83 MPa和77.22 MPa，強(qiáng)度下降率分別為39.17 %和33.68 %。剩余強(qiáng)度變化曲線如圖4所示。

圖4 鋼纖維灌漿材料剩余強(qiáng)度變化曲線

2.3 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖5所示為鋼纖維高強(qiáng)灌漿材料在不同應(yīng)力水平下(S1=0.85，S2=0.75)經(jīng)過不同受壓循環(huán)次數(shù)(0次、500次、2 000次、4 000次、6 000次、8 000次、10 000次)后得到的受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖5 不同循環(huán)次數(shù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

可以看出，隨著受壓循環(huán)次數(shù)的增加，峰值應(yīng)力均有所下降，在達(dá)到峰值應(yīng)力之前曲線的變化趨勢相近，差別較小，當(dāng)達(dá)到峰值應(yīng)力之后，曲線較為平緩，表現(xiàn)出良好的韌性。

3 有限元分析

數(shù)值模擬模型尺寸建立與試驗(yàn)試件大小相一致的模型進(jìn)行驗(yàn)算。對(duì)于鋼纖維高強(qiáng)灌漿材料，它是由兩種及以上不同物理性能的材料組成的復(fù)合材料，其本構(gòu)關(guān)系相較于普通混凝土或者普通灌漿材料更為復(fù)雜，目前還沒有針對(duì)鋼纖維高強(qiáng)灌漿材料本構(gòu)模型，故本文采用鋼纖維混凝土的單軸本構(gòu)模型。在實(shí)際循環(huán)加載過程中，對(duì)應(yīng)的荷載由最小值增加到最大值，然后又降低至最小值，很難對(duì)每一次的加載結(jié)果進(jìn)行分析，并且只有當(dāng)循環(huán)次數(shù)較多時(shí)，才會(huì)對(duì)高強(qiáng)灌漿材料產(chǎn)生一定程度的影響，因此也沒有必要對(duì)每一次加載后的損傷進(jìn)行計(jì)算，故本文采用一定次數(shù)的循環(huán)模塊，例如循環(huán)加載10 000次，每500次設(shè)為一個(gè)循環(huán)加載模塊，進(jìn)行20次等效迭代循環(huán)加載就可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)分析過程。峰值應(yīng)力如表3所示。

表3 鋼纖維灌漿材料受壓循環(huán)峰值應(yīng)力

鋼纖維高強(qiáng)灌漿材料在經(jīng)歷受壓循環(huán)后，其峰值應(yīng)力呈下降趨勢。在應(yīng)力水平為S1=0.85時(shí)，材料在經(jīng)歷500次受壓循環(huán)后，受壓峰值應(yīng)力下降2.46 %，經(jīng)歷2 000次受壓循環(huán)后，受壓峰值應(yīng)力下降5.43 %，經(jīng)歷4 000次受壓循環(huán)后，受壓峰值應(yīng)力下降11.16 %，經(jīng)歷6 000次受壓循環(huán)后，受壓峰值應(yīng)力下降16.88 %，經(jīng)歷8 000次受壓循環(huán)后，受壓峰值應(yīng)力下降22.95 %，在經(jīng)歷10 000次受壓循環(huán)后，受壓峰值應(yīng)力下降了30.24 %；在應(yīng)力水平為S2=0.75時(shí)，材料在經(jīng)歷500次受壓循環(huán)后，受壓峰值應(yīng)力下降0.51 %，經(jīng)歷2 000次受壓循環(huán)后，受壓峰值應(yīng)力下降2.86 %，經(jīng)歷4 000次受壓循環(huán)后，受壓峰值應(yīng)力下降6.97 %，經(jīng)歷6 000次受壓循環(huán)后，受壓峰值應(yīng)力下降11.72 %，經(jīng)歷8 000次受壓循環(huán)后，受壓峰值應(yīng)力下降17.25 %，經(jīng)歷10 000次受壓循環(huán)后，受壓峰值應(yīng)力則下降了23.52 %。

鋼纖維灌漿材料實(shí)驗(yàn)組與模擬組標(biāo)準(zhǔn)誤差分別為10.44 %及7.32 %，鋼纖維高強(qiáng)灌漿材料模擬產(chǎn)生的誤差相對(duì)較大，這是由于在模擬中簡化了這種復(fù)雜材料，相關(guān)參數(shù)準(zhǔn)確度欠缺，但是在工程應(yīng)用中，通常數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果之間的誤差根據(jù)實(shí)際的復(fù)雜程度確定，通常允許值為±20 %，在±10 %以內(nèi)則認(rèn)為較為精確。

4 結(jié) 論

通過試驗(yàn)研究得出以下結(jié)論：

(1)當(dāng)受壓循環(huán)達(dá)到10 000次時(shí)，鋼纖維灌漿材料表面發(fā)生細(xì)碎材料剝落及產(chǎn)生微裂縫，可以推測鋼纖維灌漿材料抗疲勞性能較好。

(2)鋼纖維灌漿材料強(qiáng)度下降率呈現(xiàn)在2 000次以前下降較快，2 000次以后下降率減緩，受壓循環(huán)次數(shù)至8 000次以后，由呈現(xiàn)增長較快的趨勢，基本呈“三階段”變化趨勢。

(3)受壓循環(huán)后的剩余強(qiáng)度試驗(yàn)所得到鋼纖維灌漿材料的受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線，峰值應(yīng)力隨著受壓循環(huán)次數(shù)的增加而降低，下降段相對(duì)較為平緩，表現(xiàn)出良好的韌性。

(4)從模擬結(jié)果計(jì)算可知，經(jīng)歷不同循環(huán)受壓次數(shù)后，材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段與下降段的斜率也隨著受壓循環(huán)次數(shù)的增加而降低，材料疲勞損傷不斷累積，強(qiáng)度降低并趨于發(fā)生破壞。