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11.UHPC的疲勞性能(二)

發布時間:2018-01-29

文/曹君輝 邵旭東

復核/黃政宇


引言:超高性能混凝土(UHPC)基體致密,且摻入了鋼纖維,極大地改善了材料的抗拉性能,在設計中可充分利用,但目前對UHPC軸拉疲勞性能的研究甚少。瑞士洛桑理工大學(EPFL)學者Tohru Makita和Eugen Brühwiler對不配筋和配筋UHPC開展了軸拉疲勞試驗,為探索UHPC的軸拉疲勞性能積累了經驗。本期將與大家分享相關研究成果。


一、不配筋UHPC的軸拉疲勞性能

1.1 疲勞試驗概況

Makita和Brühwiler對不配筋UHPC試件開展了軸拉疲勞試驗。UHPC中鋼纖維尺寸為Φ0.16mm×13mm,體積含量為3%。試件尺寸為40×150×750mm,采用伺服液壓疲勞試驗機加載,荷載頻率為10Hz。試驗裝置如圖1所示。

圖1. UHPC軸拉疲勞試驗裝置


試驗中先對試件進行軸拉靜力試驗,以獲得完整的應力-應變曲線,然后開展疲勞試驗。疲勞試驗考慮三類最大疲勞荷載水平Smax(定義為最大疲勞荷載Fmax與試件彈性極限荷載Fe之比)情形(圖2)。S1系列的目的是確定UHPC在彈性范圍內的疲勞極限,與此相對應,S2和S3系列的目的是模擬UHPC分別處于應變硬化和應變軟化階段的疲勞行為。

圖2. UHPC的三種軸拉疲勞試驗情形


各試件疲勞荷載情況如下:1)S1系列,考慮到各試件彈性極限的變異性較大,最大疲勞荷載Smax控制試件的拉應變為250με;2)對于S2系列,首先進行靜力加載,最大拉應變為500-4000 με,對于S3系列,最大拉應變為3000-6000 με,然后進行疲勞試驗,最大疲勞荷載Smax控制試件的拉應變分別為100 με、150 με、200 με。三個系列中,最小疲勞荷載水平Smin均控制為Smax的10%。疲勞試驗中,常幅疲勞極限定義為一千萬次,而不是常用的兩百萬次。


1.2 疲勞破壞模式與特征

UHPC的疲勞斷裂過程與鋼材具有一定相似性。首先,裂縫萌生于最薄弱位置,并隨應力循環不斷擴展,試件逐漸喪失承載力,并伴隨著模量降低現象,當剩余面積不足以承擔荷載時,試件斷裂。疲勞擴展面較為光滑,而最終斷裂產生的斷裂面較為粗糙。掃描電鏡分析發現,UHPC試件的疲勞斷裂面具有以下三個特征:

(1)UHPC基體的剝離與粉碎

斷裂面上的UHPC基體出現了剝離和粉碎現象(圖3)。分析表明,剝離應該與斜向鋼纖維的拔出有關,同時,鋼纖維拔出后出現了彎曲現象。而粉碎可能與剝離后留在裂縫間的UHPC顆粒有關,顆粒被反復摩擦、擠壓,逐漸被磨碎。


圖3. UHPC基體的剝離與粉碎現象


(2)光滑斷裂面

圖4展示了斷裂面上的光滑區域。該區域位于疲勞斷裂的萌生位置,這一特征與鋼材的疲勞斷裂特征較為相似。

圖4. UHPC疲勞斷裂面上的光滑區域


分析表明,光滑區域的形成應與兩方面的因素有關。一方面,由于鋼纖維的隨機分布,UHPC內部某些區域的纖維含量較低,可能過早出現微裂縫,該區域受疲勞荷載的不斷摩擦,形成光滑的斷裂面。

另一方面,該區域還伴隨著鋼纖維的“磨損腐蝕”現象。當UHPC基體開裂后,鋼纖維跨過裂縫而傳遞拉應力,疲勞荷載使得鋼纖維反復拔出、滑移回縮,導致鋼纖維和基體不斷磨損(圖5)。磨損腐蝕現象可以使鋼纖維在常規大氣環境和低濕度條件下腐蝕,從而降低纖維斷面,導致該區域內鋼纖維被拉斷而不是被拔出。

圖5. 鋼纖維的反復拉拔與回縮


(3)銹色粉末產物

UHPC疲勞斷裂面的部分區域覆蓋有銹色粉末產物,大致位于光滑區域,且鋼纖維附近的粉末厚度大于其他區域,表明這些產物由鋼纖維的腐蝕所引起。X射線能譜分析和掃描電鏡觀測發現(圖6),粉末物的大部分成分是硅和鈣,且該部分顏色無異常,可推斷主要為UHPC基體成分;而銹色產物具有明顯的鐵、氧成分(即氧化鐵),證實了銹蝕產物的存在。同時,原始狀態下鋼纖維表面平整且光滑,而銹色區的鋼纖維表面粗糙,進一步證實鋼纖維在疲勞過程中經歷了銹蝕。

(a)正常顏色區域                                             (b)銹色區域

圖6. 疲勞斷裂面粉末產物掃描電鏡圖像


需要說明的是,雖然UHPC試件的斷裂面呈現上述特點,與金屬斷裂具有一定相似性,但應該認識到兩者的疲勞裂縫擴展行為仍存在差異。對于UHPC,當鋼纖維被拔出或拉斷時,其疲勞裂縫逐漸擴展,因而UHPC的疲勞裂縫擴展與鋼纖維的分布密切相關,而鋼材為均質材料,疲勞裂紋的擴展主要由微塑性變形引起。


1.3疲勞強度和S-N曲線

圖7給出了各組疲勞試驗結果。對于S1系列,由于無法測定疲勞試件的實際彈性極限強度,只能通過平行的靜力試驗獲取相應強度值;而對于S2和S3系列,由于在疲勞試驗前進行了靜力加載,可以獲得每個試件的彈性極限強度fe,i。

(a)S1系列


(b)S2系列


(c)S3系列

圖7. 不同試件的軸拉疲勞試驗結果


由上圖可知,S1系列的試驗結果離散性較大,主要是由于疲勞試件的真實彈性極限強度fe,i無從知曉。但仍可以看出,試件的疲勞極限約為Smax=0.70。

對于S2系列,UHPC的疲勞極限強度為Smax=0.55-0.65,即當UHPC的實際應力不超過該限值時,可確保其軸拉疲勞壽命超過一千萬次。同時,通過線性擬合得到了UHPC的軸拉疲勞S-N曲線,如式(1)所示:

對于S3系列,疲勞試驗結果的離散性同樣較大,難以得到擬合公式。但分析發現,該系列中UHPC試件的疲勞極限約為Smax=0.45。


1.4變形規律

試驗中每個試件的標距長250mm,該范圍共分為5段,每段(50mm)內布置一個變形傳感器,以測試UHPC的局部變形;同時,對全標距(250mm)的整體變形也進行了測試,以對比試件的整體和局部變形。

以S1系列為例,試件的整體和局部軸向變形如圖8所示。可以發現,當疲勞荷載加載到910萬次時,G1位移計處的變形突然增大(圖8a),結果發現該位置出現了一條寬約0.1mm的裂縫,但是試件的整體變形增長仍然緩慢(圖8b)。


(a)局部變形


(b)整體變形

圖8. UHPC軸拉試件的變形規律


雖然該試件在 910萬次時出現了0.1mm的裂縫,但繼續加載到兩千萬次時,試件仍未破壞,隨后將拉應力由7.8MPa提高到8.7MPa,繼續加載42萬次才破壞。該現象說明,得益于鋼纖維的橋接作用,UHPC表現出良好的變形重分布能力。

基于試驗數據,得到了UHPC的變形模量(即每次荷載循環中應力幅與應變幅之比)隨整體變形的衰減規律,如圖9所示。該圖同樣以S1系列試驗結果為例。

圖9. UHPC變形模量隨整體變形的變化規律


由上圖可以看出,所有曲線均呈現下降趨勢,尤其是當試件進入應變硬化階段后,變形模量下降顯著:當應變從320με增加到1660με時(分別對應靜力試驗中彈性極限強度和抗拉強度下的應變),變形模量從最開始的38.9 GPa降低至9.7 GPa。UHPC在應變硬化階段的模量降低主要與基體的持續開裂和鋼纖維滑移有關,而在應變軟化階段,模量的降低與宏觀裂縫的發展和纖維的拔出有關。


二、配筋UHPC的軸拉疲勞性能

2.1 疲勞試驗概況

為探明鋼筋對UHPC軸拉疲勞性能的影響,Makita和Brühwiler還對配筋UHPC進行了軸拉疲勞試驗,試件尺寸及試驗裝置與圖1相同。每個試件中配置三根直徑8mm的鋼筋,鋼筋間距為40mm。鋼筋的名義屈服強度為500 MPa。

首先對配筋UHPC試件進行軸拉靜力試驗,以獲得試件的極限抗拉荷載及應力-變形曲線。如圖10所示,配筋UHPC的軸拉荷載-變形曲線大致經歷四個階段,即彈性階段、UHPC多裂縫階段、鋼筋屈服階段及鋼筋斷裂階段。


圖10. 靜力荷載下配筋UHPC試件的荷載-變形曲線


隨后對同批制作的試件進行軸拉疲勞試驗,考慮到配筋UHPC的疲勞性能與鋼筋的疲勞行為密切相關,疲勞荷載主要根據鋼筋應力確定。疲勞試驗過程如下:1)對試件進行靜力試驗,并控制拉應變在1000-1500με之間,然后卸載;2)按預期的最大、最小荷載進行疲勞試驗,加載頻率為10Hz。試驗中,作者仍然定義試件的常幅疲勞極限為一千萬次。


2.2 疲勞破壞模式與特征

根據試驗結果,對于發生疲勞破壞的試件,其破壞模式均為鋼筋斷裂。鋼筋疲勞斷裂面上存在兩個明顯的區域,即光滑斷裂面和粗糙斷裂面。光滑斷裂面由疲勞裂紋穩定增長引起,而粗糙斷裂面為鋼筋剩余面積不足以承擔所施加的荷載時,突然斷裂所引起。

根據鋼筋斷裂面上兩個區域的大小可推斷出鋼筋斷裂的先后順序。圖11中,最左邊的鋼筋光滑斷裂面分布面積最大,為最先斷裂,原因是三根鋼筋共同承擔荷載時疲勞應力較低,使得疲勞裂紋緩慢擴展,形成光滑斷裂面;最右邊的鋼筋粗糙斷裂面區域最大,由最后斷裂時的高應力引起,同時,該鋼筋斷裂后伴隨著明顯的頸縮現象。


圖11.UHPC中鋼筋的斷裂順序與特征


2.3 疲勞強度和S-N曲線

作者共對12組(共19個)配筋UHPC試件進行了軸拉疲勞試驗,圖12示意了試驗結果,圖中“溜號”試件是指經歷一千萬次循環仍未破壞的試件。同時,通過數據擬合得到了配筋UHPC的軸拉疲勞S-N曲線方程,如式(2)所示。

圖12. 配筋UHPC軸拉疲勞試驗結果

根據試驗結果,當最大荷載水平Smax小于0.54時,所有試件均未出現疲勞破壞。因此,配筋UHPC的疲勞極限強度(對應一千萬次疲勞壽命)可取Smax=0.54,應用中可偏保守地取Smax=0.5。

進一步分析表明,當最大荷載水平Smax處于不同狀態時(圖13),配筋UHPC的疲勞行為表現出不同的特征,具體如下:

圖13. 配筋UHPC在不同Smax下的變形

(1)Smax≤0.23

此時UHPC和鋼筋的應力遠低于各自的疲勞極限強度。相關研究表明,UHPC的疲勞極限約為其彈性極限強度的70%,而配筋UHPC的彈性極限強度為其極限抗拉強度的0.33倍,因而對于該狀態有Smax =0.23。由于鋼筋的應力很低,該狀態下UHPC對配筋UHPC疲勞抗力的貢獻遠大于鋼筋。

(2)0.23

此時UHPC中的拉應力超過了材料的疲勞極限強度,且已進入應變硬化階段,因而理論上UHPC(無配筋)會出現疲勞破壞。但由于鋼筋應力仍低于其疲勞極限,因而在疲勞荷載作用下,UHPC中的應力會逐漸往鋼筋上轉移,限制了UHPC中變形的發展。因此,該階段UHPC和鋼筋對試件疲勞抗力的貢獻大體相似。

(3)Smax>0.54

此時UHPC仍然處于應變硬化階段,且鋼筋中的拉應力也超過其疲勞極限強度。因此,試件的疲勞抗力主要取決于鋼筋,而UHPC僅起到輔助作用。隨著荷載循環次數的增加,該狀態下的試件出現了明顯的應力重分布現象(圖14),UHPC應力降低,而鋼筋應力增加。

圖14. 鋼筋及UHPC中的應力重分布現象


2.4變形規律

由圖15可知,配筋UHPC的整體變形僅在疲勞壽命早期內增長,隨后大致保持不變,而當第一根鋼筋斷裂后,變形迅速增長。分析其原因為:在疲勞壽命早期,試件的應力主要由UHPC承擔,隨著UHPC中疲勞裂縫的發展,試件的整體變形逐漸增加;隨后由于應力重分布,試件的疲勞變形主要由鋼筋控制,但鋼筋在疲勞荷載下的變形增長并不明顯,使得該階段內試件變形的增長也不明顯。

圖15. 試件變形隨循環次數的變化

同時,分析了試件中UHPC的變形模量隨疲勞荷載循環次數的變化規律。根據圖16,試件中UHPC的疲勞模量衰減過程可分為三個階段,其中第一、三階段衰減緩慢,而第二階段衰減較快。


圖16. 配筋UHPC試件中UHPC變形模量衰減曲線


在配筋UHPC試件中,UHPC主要在疲勞壽命早期承擔疲勞荷載,因而該階段UHPC的變形模量下降明顯;隨著UHPC疲勞損傷的加劇,其應力逐漸往鋼筋上轉移。根據試驗結果,當循環次數約為50萬次時,UHPC的變形模量衰減了約30%,隨后應力轉移基本停止,鋼筋的應力保持恒定,直到鋼筋疲勞斷裂,因而該階段UHPC的模量基本不變。

根據試驗結果,UHPC變形模量衰減方程如式(3)所示,式中Efat為循環次數N對應的變形模量,E0為第一次疲勞循環對應的變形模量。但作者指出,該方程僅適用于配筋UHPC中的常幅軸拉疲勞問題,且UHPC應已進入應變硬化階段。

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