彎拉疲勞荷載損傷對蒸養(yǎng)混凝土動力特性的影響

馬小偉

摘要：為了研究彎拉疲勞荷載對混凝土動力特性的影響，對經(jīng)受疲勞荷載作用前后的混凝土動力特性進(jìn)行了測試，并研究了蒸養(yǎng)混凝土和標(biāo)養(yǎng)混凝土的差異。結(jié)果表明：（1）有限次彎拉疲勞荷載作用對混凝土產(chǎn)生永久性的損傷，應(yīng)力水平越高、疲勞次數(shù)越多，混凝土動彈性模量、動剪切模量降低的幅度越大。（2）同一應(yīng)力水平、同一彎拉疲勞次數(shù)下，蒸養(yǎng)混凝土比標(biāo)養(yǎng)混凝土的損傷要大。（3）混凝土泊松比的離散性比較大，可以認(rèn)為混凝土泊松比不受彎拉疲勞荷載的影響。

關(guān)鍵詞：蒸養(yǎng)混凝土;疲勞荷載;動力特性;動彈性模量

0 前言

實際的混凝土結(jié)構(gòu)在服役過程中，除了承受靜態(tài)荷載以外，在眾多的場合下往往還要承受動態(tài)荷載的影響，如橋梁、鐵路軌枕等，混凝土的動態(tài)力學(xué)特性和靜態(tài)力學(xué)特性有著比較明顯的差異，而這些差異在一定條件下往往決定著結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。自從Abram[1]在1917年發(fā)現(xiàn)混凝土具有應(yīng)變率效應(yīng)以來，人們進(jìn)行了混凝土軸壓、軸拉等各種受力形式的動態(tài)性能研究[2-3]，以及EPS、鋼纖維[4-5]等各種改性混凝土的動態(tài)性能研究。但以往對混凝土動態(tài)受壓、受拉研究較多，循環(huán)加載相對較少;同時，大多研究主要集中在混凝土動態(tài)強度及變形方面，關(guān)于動態(tài)加載過程中的損傷發(fā)展規(guī)律研究較少;另外，對蒸養(yǎng)混凝土動態(tài)性能的研究也較少。

本文通過試驗研究了經(jīng)受彎拉疲勞荷載作用前后的蒸養(yǎng)混凝土的動力特性，并對蒸養(yǎng)混凝土和普通混凝土的試驗結(jié)果進(jìn)行了比較。

1 試驗方案設(shè)計

1.1原材料及配合比

試驗采用P.O42.5級普通硅酸鹽水泥，比表面積350m2/kg，密度3.10g/cm3。粗骨料為5～20mm連續(xù)級配石灰石碎石。細(xì)骨料采用細(xì)度模數(shù)2.62，Ⅱ區(qū)級配合格河砂。試驗成型100×100×100 mm3的試件用于測試混凝土抗壓強度，成型100×100×400 mm3的試件用于彎拉疲勞加載，配合比和靜力抗壓抗折強度見表1。

采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和蒸汽養(yǎng)護(hù)兩種養(yǎng)護(hù)制度，標(biāo)養(yǎng)試件在成型24h后置于溫度20±1℃、相對濕度RH>95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。蒸養(yǎng)試件采用的養(yǎng)護(hù)制度為：常溫靜停2h，升溫2h，恒溫8h，降溫1h，恒溫溫度為60±5℃，蒸養(yǎng)完畢后置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)。為了減少混凝土齡期對試驗的影響，所有試件養(yǎng)護(hù)60天以上。

1.2循環(huán)荷載加載程序

試驗采用MTS電液伺服疲勞試驗機(jī)，試件尺寸100×100×400mm3，三點受力加載，試件兩個端部分別離支座50mm，中間彎曲段間距300mm，即50+300+50mm的布置形式。

試驗采用應(yīng)力控制方式，連續(xù)正弦波形，等幅連續(xù)加載，頻率12Hz。為了避免長時間試驗可能出現(xiàn)的零點漂移引起脫空對試件產(chǎn)生沖擊作用，設(shè)置連續(xù)正弦波最小荷載Pmin為最大荷載Pmax的10%，即荷載循環(huán)特征值Ρ = Pmin / Pmax= 0.1，最大應(yīng)力水平分別取靜力極限彎拉強度的50%、60%和70%，最大加載次數(shù)15萬次。同一加載工況重復(fù)測試3個混凝土試件，取測試結(jié)果的平均值。

1.3 動力特性測試方法

混凝土動彈性模量、動剪切模量采用美國Emodumeter動彈模量測試儀進(jìn)行測試。

混凝土泊松比計算公式如下：

式中：E，G——試件的動彈性模量和動剪切模量

進(jìn)一步引入混凝土動彈性（剪切）模量變化率作為混凝土的損傷度指標(biāo)：

式中：D為混凝土損傷度;E（x）為經(jīng)歷一定疲勞次數(shù)后混凝土動彈性模量;E0為疲勞試驗前混凝土動彈性模量。

1 試驗結(jié)果及分析

2.1彎拉疲勞荷載損傷對混凝土動彈性模量的影響

2.1.1 不同彎拉疲勞次數(shù)后混凝土動彈模量見表2。從圖1可見，隨著疲勞次數(shù)的增加，混凝土損傷逐步累積，動彈模量減少率及損傷度明顯增大。動彈模量在荷載循環(huán)1萬次之前，比1～15萬次之間的減少率要快得多。所以，混凝土損傷累積的速度與加載次數(shù)之間并非單一的線性關(guān)系，而是存在明顯的階段性特點，而這正好與混凝土疲勞應(yīng)變的三階段特性[6]相一致：

第一階段是混凝土內(nèi)部裂縫形成的階段。受荷前混凝土內(nèi)部存在界面微小裂縫，在開始加載的階段，隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加，水泥石和粗骨料結(jié)合處以及水泥砂漿內(nèi)部的薄弱區(qū)迅速產(chǎn)生大量的微裂縫，宏觀表現(xiàn)是混凝土縱向總應(yīng)變和殘余變形發(fā)展較為迅速。由于此階段微裂縫的快速發(fā)展，混凝土動彈性模量減少的幅度也較大。第一階段相對較短，約占總疲勞壽命的10%左右。0～1萬次區(qū)間范圍內(nèi)應(yīng)包含了該初始階段。

當(dāng)薄弱區(qū)微裂縫的形成基本完成以后，混凝土內(nèi)微裂縫的發(fā)展進(jìn)入第二階段，也就是應(yīng)變穩(wěn)定增長階段。本階段混凝土內(nèi)部損傷呈線性累積，縱向應(yīng)變、殘余應(yīng)變均隨荷載循環(huán)次數(shù)的增加而增加，增長速度相對緩慢且基本為定值。此時的內(nèi)部損傷主要是水泥砂漿中所形成的裂縫的積累以及原有微裂縫的擴(kuò)展所造成的。這個階段約占整個加載壽命的75%～80%。圖1基本呈現(xiàn)了階段二的規(guī)律特征。

第三階段為應(yīng)變急劇不穩(wěn)定增長直到試件破壞的階段，此階段約占整個加載壽命的10%～15%。該階段混凝土的變形速率增長較快，從耐久性的角度而言，已沒有實際意義，本試驗所做疲勞次數(shù)尚未到達(dá)此階段。

2.1.2 混凝土動彈模量減少率隨應(yīng)力水平的變化如圖2所示，應(yīng)力水平對混凝土動彈模量減少率的影響非常明顯，隨著應(yīng)力水平的增加，動彈模量減少率越大。

2.1.3 由圖1可得，相比標(biāo)養(yǎng)混凝土而言，在同一應(yīng)力水平及彎拉疲勞次數(shù)下，蒸養(yǎng)混凝土的動彈模量減少率更大。究其原因，可能是混凝土在蒸養(yǎng)過程中尤其是升溫過程中其內(nèi)部的氣相和液相受熱膨脹，對混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力作用;同時，在混凝土蒸養(yǎng)升溫過程中，水、氣發(fā)生的轉(zhuǎn)移會造成混凝土中產(chǎn)生定向孔隙;此外，蒸養(yǎng)過程中水泥水化速度比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時要快，短期內(nèi)生成大量水化產(chǎn)物，在一定程度上阻礙了水泥的后期水化。因為這些原因，導(dǎo)致了蒸養(yǎng)混凝土在疲勞荷載作用下動彈模量減少得更快，損傷擴(kuò)展得更快。

2.2 彎拉疲勞荷載損傷對混凝土動態(tài)剪切模量的影響

不同彎拉疲勞次數(shù)后混凝土動剪切模量見表3。從圖3和圖4可以看出，與動彈模量變化規(guī)律相似，隨著疲勞次數(shù)和應(yīng)力水平的增加，混凝土動剪切模量減少率越來越大，蒸養(yǎng)混凝土比標(biāo)養(yǎng)混凝土減少得要快。

2.3彎拉疲勞荷載損傷對混凝土泊松比的影響

表4是標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和蒸汽養(yǎng)護(hù)兩種混凝土在不同疲勞次數(shù)下的泊松比，其變化范圍為0.22～0.25，離散性比較大，變化趨勢不明顯，可以認(rèn)為，泊松比不受疲勞荷載的影響。

3 結(jié)語

3.1 彎拉疲勞荷載導(dǎo)致了混凝土內(nèi)部微裂縫的擴(kuò)展和連通，混凝土經(jīng)歷疲勞荷載后損傷增加明顯。應(yīng)力水平越高，混凝土動彈模量、動剪切模量減少得越快。

3.2 隨著彎拉疲勞荷載次數(shù)的增加，混凝土動彈性模量、動剪切模量的變化出現(xiàn)明顯的階段性特征，在疲勞應(yīng)變發(fā)展的第一階段比第二階段減少得要快。

3.3 隨著彎拉疲勞荷載次數(shù)和應(yīng)力水平的增加，蒸養(yǎng)混凝土的損傷速度要大于標(biāo)養(yǎng)混凝土。

3.4 彎拉疲勞荷載對混凝土泊松比的影響不明顯，可以認(rèn)為混凝土泊松比不受疲勞荷載的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1] Abrams D.A. Effect of rate of Application of Load on the compressive strength of concrete. ASTMJ，1917，17：364-377.

[2] 孫吉書.混凝土動態(tài)受壓力學(xué)特性的試驗研究與數(shù)值分析[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2012，41（3）：73-77.

[3] 竇遠(yuǎn)明.動態(tài)荷載作用下混凝土受拉性質(zhì)的研究[J].混凝土，2012（2）：1-3.

[4] 巫緒濤.EPS混凝土的動態(tài)抗壓強度和吸能特性[J].振動與沖擊，2013，32（17）：133-137.

[5] 王立成.鋼纖維輕骨料混凝土抗沖擊性能試驗研究與統(tǒng)計分析[J].大連理工大學(xué)學(xué)報，2010，50（4）：557-563.

[6] 宋玉普.混凝土結(jié)構(gòu)的疲勞性能及設(shè)計原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.