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UHPC的疲勞性能(三)

發布時間:2018-01-29

文/ 曹君輝 邵旭東

復核/ 黃政宇


引言:在彎拉荷載作用下,UHPC表現出良好的抗疲勞性能,主要原因為:1)UHPC中無粗骨料,材料內部的應力集中顯著降低;2)UHPC中摻有鋼纖維,均勻分布的纖維能夠有效阻止疲勞裂縫的增長與貫通。3)鋼纖維與水泥基體間有較強的粘結強度,可進一步改善抗疲勞性能。本期與大家分享UHPC抗彎拉疲勞性能的相關研究,具體包含疲勞破壞特征、疲勞強度、變形規律、剩余強度等方面的內容。


一、UHPC的彎拉疲勞破壞模式與特征

曹霞等采用尺寸為35×35×244mm的試件,進行了UHPC的彎拉疲勞試驗。試驗中根據最大應力水平Smax(最大疲勞荷載引起的彎拉應力與靜力彎拉強度之比)將試件分為四組,即Smax=0.75、0.8、0.85、0.9,共45個試件。

根據試驗結果,試件的疲勞裂縫發展可分為以下三個階段(圖1):1)裂縫潛伏階段,試件底端開始出現微小裂縫,但隨著荷載循環次數的增加,試件表面未出現其他裂縫,該階段約占總疲勞壽命的15%;2)裂縫穩定擴展階段,隨著循環次數繼續增加,裂縫開始擴展增長,隨著荷載變化,裂縫不斷開合,疲勞裂縫逐漸擴展,該階段占總疲勞壽命的75%左右;3)失穩破壞階段,當循環次數超過總疲勞壽命的90%后,主裂縫迅速擴展,試件發生疲勞破壞,喪失承載力。


圖1. UHPC彎拉疲勞破壞過程照片

試驗中還觀察到,當發生疲勞破壞時,試件裂縫處的溫度比其他部位要高,說明裂縫在疲勞荷載作用下反復摩擦、擠壓,伴隨著熱量的釋放,這一現象在疲勞應力水平較低時尤為突出。

UHPC試件破壞時都伴隨著UHPC基體的斷裂和鋼纖維的拔出。Al-Azzawi B.S.等的研究表明,在相同荷載條件下,當試件的疲勞壽命較短時,疲勞斷裂面上的鋼纖維分布不均勻,存在明顯的低纖維含量區甚至是無纖維區(圖2a),而當試件的疲勞壽命較長時,斷裂面上的鋼纖維分布較為均勻(圖2b)。



(a)低疲勞壽命試件:纖維分布不均勻



(b)高疲勞壽命試件:纖維分布較均勻

圖2.不同疲勞壽命UHPC試件中的纖維分布情況

Farhat F.A.等對疲勞破壞后的試件進行了疲勞斷口分析,得到了疲勞斷口中的鋼纖維分布密度(圖3),進一步證實了UHPC試件彎拉疲勞壽命與鋼纖維分布的關聯性:高疲勞壽命試件中的鋼纖維分布一般較為均勻。



圖3. UHPC試件疲勞斷口中的鋼纖維分布密度云圖(單位:根/cm2,斷面尺寸:100×100mm)


Graybeal B.A.等對預加載至開裂的UHPC試件進行了彎拉疲勞試驗,結果表明,隨著疲勞荷載循環次數的增加,初始裂縫逐漸增大,一些位于試件底部的鋼纖維被拔出,而另一些鋼纖維發生疲勞斷裂,可聽到鋼纖維拔斷的聲音,圖4a示意了原始鋼纖維端面的微觀形貌,圖4b示意了疲勞斷裂后的鋼纖維端面形貌。這一現象說明,當UHPC基體開裂后,受應力重分布影響,鋼纖維中的拉應力較高,可能出現鋼纖維自身疲勞斷裂現象。



圖4. 鋼纖維端面掃描電鏡照片


二、UHPC的彎拉疲勞強度和S-N曲線

Parant E.等采用尺寸為40×200×600mm的試件,對UHPC進行了四點彎曲疲勞試驗。這種UHPC中的鋼纖維摻量高達11%,彎拉強度可達61.7 MPa。疲勞試驗中控制最大應力水平Smax=0.7-1.03,Smax為疲勞荷載引起的最大彎拉應力與UHPC靜力彎拉強度特征值(已考慮纖維取向系數)之比。

圖5示意了主要試驗結果。不難看出,當Smax不超過0.65時,所有試件的疲勞壽命均超過200萬次。因此,這種UHPC的抗彎拉疲勞極限約為 Smax=0.65。



圖5. 最大疲勞應力-荷載循環次數關系


在此基礎上,作者還分析了應變-疲勞荷載循環次數關系,并通過擬合建立了計算方程,如圖6所示。分析表明,UHPC試件的彎拉應變存在一個限值(約為1270-1440με),當疲勞應變不超過該限值時,試件在200萬次循環內不會破壞,而當應變超過該限值時,試件的疲勞壽命大致與應變線性相關。



圖6. 初始彎拉應變-疲勞荷載循環次數關系


Al-Azzawi B.S.等采用尺寸為35×100×340 mm的試件,對UHPC進行了彎拉疲勞試驗。UHPC中所摻入的鋼纖維直徑為0.55mm,長度為30mm,體積含量為2.5%。試驗中按最大應力水平將試件分為三組,即Smax=0.64、0.72、0.89,而最小應力水平保持恒定(Smin=0.1)。試驗結果如圖7所示,圖中共包含兩條曲線,一條為實測的S-N曲線,另一條為根據Goodman公式修正后,平均應力為零的S-N曲線。



圖7. UHPC彎拉疲勞S-N曲線


由上圖可知,平均彎拉應力(Smax+Smin)/2對UHPC抗彎拉疲勞強度的影響顯著。相較于彎拉應力為零的情形,當平均彎拉應力大于零時,UHPC的疲勞強度明顯降低。進一步分析表明,纖維的分布對UHPC的抗彎拉疲勞性能有顯著影響:當鋼纖維均勻分布時,其疲勞極限可達Smax=0.8;當纖維分布不均勻時,疲勞極限僅為Smax=0.64。

基于Basquin準則,作者通過數據擬合建立了UHPC彎拉疲勞的S-N曲線方程,如式(1)所示:



式中,σ0為平均應力為零時的應力幅;Nf為疲勞壽命;σF為UHPC的靜力彎拉強度,該研究中為σF=22.02 MPa。

公式(1)要求平均應力為零,當平均應力大于零時,UHPC的彎拉疲勞壽命會降低,因而在實際應用中需要對應力幅進行換算,換算依據為Goodman公式,如式(2)所示。


式中,?σσm為考慮非零平均應力修正的應力幅;σ0為平均應力為零時的應力幅;|σm| 為平均應力的絕對值;σF為UHPC的靜力彎拉強度。

Lin M.等采用尺寸為40×40×160mm的試件,研究了鋼纖維對UHPC彎拉疲勞壽命的影響,試驗中最大應力水平為Smax=0.85,最小應力水平為Smin=0.15。UHPC中鋼纖維直徑為0.18-0.2mm,長度為12mm,而纖維體積摻量考慮了四種情形,即Vf=0%、1%、2%、3%。

試驗結果表明,試件的疲勞壽命較好地符合Weibull分布。通過數據擬合,建立了不同鋼纖維摻量下,UHPC的疲勞壽命計算公式,如式(3)-(6)所示,其中p為存活率:



在混凝土材料中,疲勞極限是衡量其疲勞性能的一項重要指標。對于UHPC,由于材料組分、纖維種類和摻量、試件尺寸等方面的差異,不同學者通過試驗得出的UHPC疲勞極限結果存在一定差異。表1歸納了相關文獻中對UHPC彎拉疲勞極限的建議取值,以供參考:

表1. UHPC彎拉疲勞極限試驗結果歸納



三、UHPC的彎拉疲勞變形規律

曹霞等在試驗中記錄了UHPC試件的彎拉應變發展規律,試驗結果如圖8 所示。圖中分別給出了最大應變和殘余應變隨疲勞荷載循環次數的變化規律。



圖8. 應變-荷載循環次數關系(Smax=0.9)


由圖8可以看出,與裂縫發展的三階段相似,UHPC 試件的應變也大體呈現三階段變化模式:1)第一階段,試件的縱向變形快速發展;2)第二階段,變形隨應力循環次數的增加而增長,此時UHPC的應變增率接近恒定;3)第三階段,變形迅速增長,變形再次快速發展,試件歷經短循環次數后破壞。試驗同時表明,UHPC在第二階段的應變增長率大致與最大應力水平Smax成正比。

Parant E.等對比了不同試件的撓度-循環次數曲線(圖9)。從圖9可以看出,試件的撓度發展也表現出三個典型階段:1)第一階段對應基體微裂縫開始開裂的階段,撓度發展較快;2)第二階段撓度增長緩慢,表明裂縫緩慢擴展;3)第三階段,表明試件疲勞裂縫的失穩發展。需要說明的是,對于疲勞壽命較短的試件,撓度的三個發展階段較為充分,而當試件經歷200萬次疲勞循環未破壞時,并未觀察到第三個階段。




圖9.撓度隨荷載循環次數的變化規律


進一步分析發現,圖9中兩個試件的裂縫形態也存在差異。對于疲勞壽命較短的試件(1135次),試件受拉區出現了明顯的集中裂縫(圖10a),而對于疲勞壽命超過200萬次的試件,裂縫分布較為均勻,且裂縫寬度較小,最大裂縫寬度不超過0.1mm(圖10b),表現出良好的變形能力。



圖10. 試件的兩種疲勞裂縫分布形態

四、UHPC的彎拉疲勞剩余強度

Parant E.等在試驗中對經歷200萬次疲勞循環而未破壞的試件進行了靜力試驗,得到了試件在疲勞試驗后的應力-撓度曲線,并與未經歷疲勞試驗的試件進行了對比(圖11)。



圖11. 疲勞試驗前后,UHPC試件彎拉應力-撓度曲線對比

可以看出,對于經歷200萬次疲勞荷載循環后的試件,其彎拉強度與未經歷疲勞試驗的試件十分接近。因此,在疲勞荷載作用下,UHPC的彎拉強度并無明顯衰減,表明UHPC在彎拉荷載下表現出良好的抗疲勞性能。



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