钢纤维掺量对活性粉末混凝土疲劳强度的影响

2018-07-30孙劲舟

山西建筑 2018年18期

孙劲舟

(中南林业科技大学土木工程学院，湖南长沙 410018)

1 概述

活性粉末混凝土(Reactive Powder Contrete，缩写为RPC)这一术语最早见于1994年法国的Richard等人发表的《具有高韧性、抗压强度达200 MPa～800 MPa的活性粉末混凝土》一文[1],RPC是20世纪末由法国布伊格(Bouygues)公司研究成功的继高强、高性能混凝土后开发出的超高强度、高韧性、高耐久、体积稳定性良好水泥基复合材料，是DSP材料与纤维增强材料相复合的新型超高强混凝土[2,3]。

在长期实践中，某些机械零件工作时，承受随时间做周期性变化的应力，即交变应力。在交变应力作用下，虽应力远远低于材料的屈服极限，但是经过一段时间运行之后，构件会突然断裂。混凝土结构应用早期阶段由于材料自重大，其主要载荷为自重恒载。随着高性能高强度活性粉末混凝土材料应用的逐步推广，其结构承受活荷载的比例逐渐增大，对RPC疲劳性能的研究变得愈发重要。

2 常用疲劳试验参数

疲劳试验研究所涉及符号与专有名词较多，常见参数与概念如下所列：

交变应力——依据我国“材料力学”教程中的习惯用法，泛指随时间做周期循环的应力，在应力循环中各应力均用S表示，以与静力符号σ相区别。

最大应力(应力上峰值)Smax——在应力循环中具有最大代数值的应力。其中拉应力为正，压应力为负。

最小应力(应力下峰值)Smin——在应力循环中具有最小代数值的应力。其中拉应力为正，压应力为负。

应力比R——最小应力与最大应力的代数比值。

加载系数K——最大应力Smax与强度极限σb的代数比值。

应力水平S——代表一对应力Smax与Smin，定应力比或平均应力Sm，应力水平可用最大应力Smax来表示。

对数应力水平lgS——对应力水平S取对数。

疲劳极限Sl——经过无穷次应力循环而不发生破坏时的最大应力值，又称为持久极限。对于混凝土材料通常选用疲劳寿命N=2×106时对应应力水平作为其疲劳极限。

疲劳寿命N——在指定疲劳寿命下，试件疲劳破坏前所经受的应力循环次数，又称为破坏疲劳数。

对数疲劳寿命lgN——对破坏疲劳数N取对数。

在相关试验经验中可得知同一批次试件疲劳寿命N数据离散程度大，而统计对数疲劳寿命lgN，可以得到较好的效果。

p—S—N曲线——以应力为纵坐标，以存活率p的疲劳寿命为横坐标绘制的曲线，即存活率——应力——疲劳寿命曲线。作图时通常将疲劳寿命取对数，或者同时将应力和疲劳寿命取对数。

中值S—N曲线——以应力为纵坐标，以中值疲劳寿命为横坐标绘制的曲线，即50%存活率S—N曲线。通常简称为S—N曲线。

3 疲劳试验数据处理方法

实践经验指出，一般材料的S—N曲线，在某一区间内接近于直线。因此在绘制S—N曲线时，可以采用“直线段假设”，即在某一区间内用直线拟合各数据点。当然，这种作图法带有一定的近似性。但当数据不够充分、数据点过少或者过于分散时，参照同类型的S—N曲线形式用直线拟合某些数据点还是比较方便可靠的。

湖南大学的方志[4]对三种不同钢纤维掺量的活性粉末混凝土进行了单轴受压等幅疲劳试验，研究钢纤维含量对RPC抗疲劳性能的影响。分0.4，0.6，0.8三种最大应力水平控制加载。试验数据表明，未掺钢纤维的RPC强度离散型大，差异最大可达15%，掺钢纤维的RPC强度离散型相对较小。通过对对数应力水平lgS以及对数疲劳寿命lgN的线性拟合计算，代入疲劳方程：

lgS=A-BlgN。

求得待定系数A与B，并绘制出试件预期的S—N曲线。

4 单轴受压疲劳试验方案

4.1 RPC的制备、成型与养护

将要进行疲劳试验的活性粉末混凝土，配合比如表1所示，搅拌工艺参照《活性粉末混凝土》实行，将级配河沙、钢纤维、石英粉、水泥、硅灰依序倒入搅拌机内，干拌4 min后，加入均匀溶有减水剂的水后再搅拌12 min。

RPC搅拌均匀后浇筑于70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm标准砂浆模具内，分三层手动插捣后置于震动台上震动50 s，将表面抹平后置于标准养护室(气温，相对湿度不小于90%)养护1 d后脱模进行养护，试验采用热养护以提高活性粉末混凝土力学性能，其养护制度为：自加热起3 h内达到90 ℃，并在90 ℃±25 ℃恒温热水中养护48 h，自然冷却至室温。RPC抗压强度试验采用的试件尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm；抗折强度试验采用的试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm。

表1 RPC的配合比

4.2 RPC疲劳性能测试方法

RPC疲劳试验试件尺寸选用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，试验加载装置为“济南友金机械设备有限公司”生产的PLS-1000电液伺服土木结构试验系统。

试验为确定0%，1.5%，3%钢纤维掺量下活性粉末混凝土立方体试件的疲劳性能，对RPC进行疲劳寿命试验，试验加载应力比恒为0.1，不同钢纤维掺量试件均选取8组应力水平进行加载，应力水平各加载系数下试件数均为3个，试验应力比R=0.1，加载频率为4 Hz，试件最大疲劳试验次数为100万次。试件单轴抗压强如表2所示。

表2 RPC抗压强度测试表

5 试验现象与分析

活性粉末混凝土立方体试件单轴受压疲劳试验加载过程中试件的损伤过程裂纹演变主要分为三阶段，分别为裂纹潜伏阶段、裂纹稳定扩展阶段以及失稳破坏阶段。

第一阶段为裂纹潜伏阶段，立方体RPC试件上下端最先出现竖向短裂纹，阶段内裂纹不随着加载次数的增加而延伸，试件表面也未产生新的裂纹，结合试验结果表明，此阶段为总疲劳寿命的15%左右；

第二阶段为裂纹稳定扩展阶段，在试件中部出现数条纵向裂纹，裂纹逐渐发展至贯穿试件上下端，其中不掺钢纤维组试件四角少量碎屑出现剥落，该阶段约占总疲劳寿命的75%左右；

第三阶段为失稳破坏阶段，主裂纹迅速扩展直至贯通，试件丧失承载力，最终疲劳破坏，该阶段约占总疲劳寿命的10%左右。

0%,1.5%,3%钢纤维掺量不同加载系数下对数加载系数与对数试件疲劳寿命如图1～图3所示。数据表明，不同加载系数下RPC立方体试件疲劳寿命平均值随试件加载最大应力的增加而减少；应力水平一定试件疲劳寿命波动较大。

5.1 双对数疲劳方程

对疲劳试件对数应力水平以及对数疲劳寿命进行线性回归分析，结果表明，RPC立方体试件对数加载水平与对数疲劳寿命线性相关，服从双对数疲劳方程特征，如表3所示。

其中，0%钢纤维掺量试件双对数疲劳方程线性回归相关性系数最小，3%钢纤维试件相关性系数最大，钢纤维的掺入可有效减小疲劳寿命分布方差。

代入拟合公式可得疲劳寿命N=2×106时不同钢纤维掺量疲劳强度如表4所示。

表3 不同钢纤维掺量RPC单轴受压疲劳方程

表4 不同钢纤维掺量RPC疲劳寿命

数据表明，钢纤维的掺入可以有效提高活性粉末混凝土的疲劳寿命，相比基准组钢纤维1.5%体积掺量RPC疲劳极限提高了15.77%，相应的疲劳荷载提高了23.09%；钢纤维3%体积掺量RPC疲劳极限提高了29.28%，相应的疲劳荷载提高了70.31%。钢纤维的掺入对RPC疲劳极限的影响较小，对疲劳荷载强度提升较大。原因在于钢纤维的掺量掺入影响RPC疲劳性能的同时增加了其静力抗压强度，故对相应的疲劳荷载有显著的提升。