摘要
为探究橡胶水泥基材料的疲劳及损伤演化特性,以橡胶水泥砂浆为研究对象,对其分别进行10、20、30 kN荷载等级下的10次(低次/限次)等荷循环加-卸载试验,并对试件产生的加载应变、加载应变差、累积残余应变、累积残余应变差、不闭合度、累积残余应变损伤(塑性损伤),以及加载和卸载变形模量进行分析.结果表明:试件的加载应变和累积残余应变均随着循环荷载等级的增大而增大;试件的加载应变差和累积残余应变差随着循环次数的增加以互相交错波动的形式逐渐减小至0附近;随着循环次数的增加,试件的不闭合度减小,塑性损伤增大,且两者均随循环荷载等级增大而增大;试件的加载和卸载变形模量随着循环次数的增加以分段线性波动的形式增大,也随着循环荷载等级的增大而增大.同时建立了基于临界塑性损伤假定条件下的塑性损伤模型和刚度变化模型,对试件在高次/不限次等荷循环加-卸载过程中的疲劳塑性损伤和刚度演化特征进行了初步预测和表征.
橡胶水泥砂浆/混凝土是由柔软的废旧橡胶颗粒和硬脆的砂浆/混凝土复合而成的特殊水泥基材料,在一定程度上集聚了橡胶材料和普通水泥基材料的性
鉴于此,本文对橡胶水泥砂浆试件在3种循环荷载等级下的低次等荷循环加-卸载试验中产生的形变、变形模量以及塑性损伤进行了系统且全面的分析,并根据低次循环疲劳试验结果到高次循环疲劳理论分析的过程,建立了基于临界塑性损伤假定条件下橡胶水泥砂浆的塑性损伤模型和刚度变化模型.
水泥为P·O 52.5级普通硅酸盐水泥;细集料为天然河砂,密度为2 600 kg/
试验采用RMT‑150B电液伺服岩石力学测试系统进行加-卸载,加载和卸载速率均为0.50 kN/s,加载波形为斜坡.先分别以0~10、0~20、0~30 kN这3种荷载等级区间对试件进行10次循环加-卸载试验,再继续加载至试件破坏.加载方式列于
Note: F‑0—Uniaxial compression.

图1 3种荷载等级循环加-卸载路径图
Fig.1 Cyclic loading‑unloading paths of three kinds of constant load levels

图2 试件轴向力-轴向位移曲线和典型加-卸载滞回曲线
Fig.2 Axial force‑axial displacement curves and typical loading‑unloading hysteresis curve
结合文献[

图3 循环加-卸载下疲劳性能分析原理图
Fig.3 Schematic diagram of fatigue performance analysis under cyclic loading‑unloading
在外载荷作用下,水泥基材料往往不可避免地产生可逆形变(弹性形变)和不可逆形变(塑性形变/残余形变

图4 试件的累积残余应变与加载应变的关系
Fig.4 Relationship between cumulative residual strain and loading strain of specimens

图5 试件加载应变差、累积残余应变差与循环次数的关系
Fig.5 Relationship between loading strain difference, cumulative residual strain difference and number of cycles of specimens
试件每次循环加-卸载下的加-卸载曲线都是不闭合的(见

图6 试件不闭合度、塑性损伤与循环次数的关系
Fig.6 Relationship between degree of non‑closure, cumulative residual strain damage and number of cycles of specimens

图7 试件塑性损伤与循环次数的非线性拟合曲线
Fig.7 Nonlinear fitting curves of cumulative residual strain damage and number of cycles of specimens
Note: n is number of cycle.
材料的变形模量是反映材料抵抗变形能力的指标,探究橡胶水泥基材料在循环加-卸载下加载和卸载变形模量的变化情况,对揭示其力学特征具有重要意义.

图8 试件加载和卸载变形模量与循环次数的关系
Fig.8 Relationship between deformation modulus of loading‑unloading and number of cycles
由
综上所述,在不造成明显结构损伤的前提下,循环荷载等级的增大和循环次数的增加可在一定程度上对橡胶水泥砂浆试件的加载和卸载变形模量起到增强作用.
上述试验结果表明,在等荷循环加-卸载过程中,橡胶水泥砂浆试件同时体现出塑性损伤增大和刚度强化这一看似互相矛盾的现象.为此,结合循环加载过程中橡胶颗粒在水泥砂浆中的作用机制,对试件疲劳塑性损伤机理和变形模量增强机理进行如下分析和讨论.

图9 普通水泥砂浆和橡胶水泥砂浆局部切割区域的细观形貌
Fig.9 Mesoscopic morphology of local cutting areas of normal cement mortar and rubber cement mortar
探究疲劳塑性损伤机理和变形模量增强机理,需要从细观角度理解塑性损伤和结构性损伤这2个概念.

图10 橡胶颗粒、砂以及水泥浆体三者之间相互作用的示意图
Fig.10 Schematic diagram of interaction among rubber particle, sand and cement paste
结合本次试验结果及橡胶水泥砂浆试件疲劳塑性损伤机理和变形模量增强机理,对橡胶水泥砂浆在高次循环及不同荷载水平(FC,循环荷载与峰值荷载之比)下的塑性损伤和刚度变化进行初步预测,并建立相应的演化模型.
对10次等荷循环加-卸载试验来说,必然存在1个荷载水平临界值(0.8<<1).若FC大于此值时试件结构发生损伤;若FC小于等于此值时试件结构不发生损伤.因此,必然存在1个临界损伤(0.369<<1).同样的,对高次等荷循环加-卸载试验来说,是否也存在1个荷载水平临界值呢?根据一维疲劳损伤理论,试件在循环荷载水平较低的高次循环下的变形主要为弹性变

图11 等荷循环加-卸载模式示意图
Fig. 11 Schematic diagrams of constant load cyclic loading‑unloading modes
因此,在高次等荷循环加-卸载下的疲劳塑性损伤模型可以划分为增长型‑Ⅰ和增长型‑Ⅱ‑①/②.相应地,以加载模量为代表,刚度变化模型可以划分为先增后减型‑Ⅰ和先增后稳型‑Ⅱ‑①/先增后减型‑Ⅱ‑②.结合3.3和3.4的分析,选用ExpDec1和一次函数分别反映橡胶水泥砂浆试件塑性损伤和加载变形模量的变化,由此可以得到高次等荷循环加-卸载下的塑性损伤模型和刚度变化模型,如

图12 塑性损伤模型和刚度变化模型的示意图
Fig.12 Schematic diagrams of plastic damage model and stiffness change model
在第1次循环加-卸载后,压密效应明显减弱,变形模量明显增大,试件处于弹塑性变形阶段.随着循环次数的增加,塑性损伤和变形模量继续增大,但增长速率明显减小.此阶段,依然未产生明显的结构性损伤.
对于加载方式Ⅱ‑①,基于临界损伤假定可以认为,由于循环荷载水平较小,试件不发生结构性损伤;与此同时,压密效应因循环次数的增加而逐渐减小至消失,使得塑性损伤累积效应逐渐减小至消失,即试件由弹塑性变形阶段进入了线弹性变形阶段.此阶段塑性损伤和变形模量基本上均分别保持为某一常数值DC‑Ⅱ和ELC‑Ⅱ.对于加载方式Ⅰ和加载方式Ⅱ‑②,由于循环荷载水平较大或者较小的循环荷载水平在高次循环下产生了较大的塑性累积损伤,使得塑性损伤逐渐转化为结构性损伤,导致结构骨架产生损伤;损伤快速增大,变形模量因水泥基材料本身所具有的脆性失效效应而快速减小,发生了明显的刚度退化现象,尤其体现在CD阶段.此阶段塑性损伤值最终达到了最大值1,变形模量基本上减小为0.
本研究仅是对橡胶水泥砂浆疲劳损伤演化特性的初步探讨.在后续研究中还需结合工程实际,深入探究橡胶掺量、循环加-卸载方式等因素对橡胶水泥砂浆疲劳损伤演化特性的影响;通过实际或者数值模拟高次等荷循环加-卸载试验,对本研究的预测模型做进一步的判断与验证.
(1)在10次等荷循环加-卸载作用下,橡胶水泥砂浆试件的加载应变和累积残余应变均随着循环荷载等级的增大而增大;其加载应变差和累积残余应变差随着循环次数的增加以互相交错波动的形式逐渐减小至0附近;随着循环次数的增加,试件的不闭合度不断减小,塑性损伤不断增大,两者均随着循环荷载等级的增大而增大.
(2)在10次等荷循环加-卸载下的加载和卸载变形模量具有相同的变化趋势,即随着循环次数的增加以分段线性波动的形式不断增大,且随着循环加载等级的增大而增大.
(3)在10次等荷循环加-卸载下的塑性损伤仅为0.103~0.369,说明试件在整个循环加-卸载过程中主要发生了塑性压密变形,并未对试件内部骨架造成明显的破坏.塑性压密作用反而一定程度上增大了试件结构的密实度,进而导致变形模量有所增大.
(4)基于临界塑性损伤假定条件下建立的塑性损伤模型和刚度变化模型表明,高次等荷循环加-卸载下的塑性损伤和加载变形模量在不同的阶段具有不同的演化特征.所建立的模型能够对橡胶水泥基材料在高次等荷循环加-卸载过程中的疲劳塑性损伤和刚度演化特征进行有效地初步预测和表征.
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