摘要
对含粗骨料超高性能混凝土(UHPC(CA))进行单轴受压疲劳试验,重点考察其疲劳破坏形态、疲劳变形、疲劳寿命及疲劳强度.在此基础上,分析了UHPC(CA)疲劳破坏全过程,建立了基于Weibull分布的存活率-应力水平-疲劳寿命(p‑S‑N)方程.结果表明:UHPC(CA)疲劳破坏形态为剪切破坏,破坏时试件呈现1条或2条主裂缝;UHPC(CA)疲劳破坏断面分为疲劳区和裂纹扩展区,疲劳区有明显的反复摩擦痕迹;UHPC(CA)疲劳变形发展呈现明显的三阶段特征,即微裂纹萌生发展阶段、微裂纹稳定发展和宏观裂缝萌生阶段、宏观裂缝发展阶段;UHPC(CA)单调应力-应变曲线仅在高应力水平(S≥0.8)下可作为其疲劳变形的包络线;UHPC(CA)具有95%存活率的疲劳强度为61.78 MPa,对应的应力水平为0.520.
关键词
超高性能混凝土(UHPC)作为一种可持续、高性能混凝土材料,具有强度高、耐久性好等优良特性,自问世20余年以来一直为国内外土木工程界所瞩目.迄今,UHPC可分为活性粉末混凝土(RPC)和含粗骨料超高性能混凝土(UHPC(CA))两类.RPC对原材料要求严格,制备工艺复杂,生产成本高,其推广应用受到一定限制.而UHPC(CA)因其原料易取、制备简单、成本较低等优势而更具竞争力,工程应用前景更加广阔.
UHPC结构在长期服役过程中,除了需要在静力荷载作用以及高应力状态下工作之外,还需要抵抗频繁的循环动荷载.这种具有周期性循环特性的疲劳荷载会引起UHPC内部应力场不断变化及重分布,推动内部初始微裂纹的不断萌生和发展,进而引起UHPC力学性能的渐进性劣化,最终导致材料及结构在低于容许应力之下发生疲劳破坏.因此,弄清UHPC在疲劳荷载下的力学行为,对UHPC构件或结构的设计计算至关重要.
UHPC现有研究主要以静力性能为
基于课题组前期研究成
为研究UHPC(CA)的高周和低周疲劳特性,本文试验以应力水平S作为主要影响因素,设置0.9、0.8、0.7、0.6、0.5共5个应力水平,每个应力水平包含5个平行试件.选用尺寸为100 mm×100 mm×300 mm的棱柱体试件进行静载和疲劳试验.另外浇筑3个边长为100 mm的立方体试件,用于测试UHPC(CA)的立方体抗压强度.
UHPC(CA)试件的浇筑过程见

图1 试件浇筑全过程
Fig.1 Whole process of specimen fabrication
单轴受压静载及疲劳试验均在MTS 2 500 kN电液伺服四立柱动态加载系统上进行.静载试验采用位移控制,加载速率为0.002 mm/s;疲劳试验采用荷载控制,采用正弦波加载,加载频率固定为5 Hz,最小荷载为Pmin,最大荷载为Pmax,且Pmin=0.1Pmax,疲劳试验加载制度见

图2 疲劳试验加载制度
Fig.2 Loading system of fatigue test
根据GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》,以1.2 MPa/s的加载速率进行立方体抗压强度试验,得到UHPC(CA)立方体试件28 d抗压强度平均值fcu=135.4 MPa;利用位移控制加载,得到UHPC(CA)棱柱体试件抗压强度平均值fc=118.8 MPa.
各应力水平下UHPC(CA)试件的疲劳破坏形态见

图3 各应力水平下UHPC(CA)试件的疲劳破坏形态
Fig.3 Fatigue failure patterns of UHPC(CA) specimens under different stress levels
UHPC(CA)试件的典型疲劳破坏断面见

图4 UHPC(CA)试件的典型疲劳破坏断面
Fig.4 Typical fatigue failure surface of UHPC(CA) specimen

图5 单调和疲劳荷载作用下UHPC(CA)试件应力-应变曲线
Fig.5 Stress‑strain curves of UHPC(CA) under monotonic and fatigue loads
将疲劳应变演化曲线(见

图7 UHPC(CA)的微观破坏过程
Fig.7 Microscopic failure process of UHPC(CA)
(1)第Ⅰ阶段——微裂纹萌生发展阶段(见

图8 UHPC(CA)的宏观破坏过程
Fig.8 Macroscopic failure process of UHPC(CA)
(2)第Ⅱ阶段——微裂纹稳定发展与宏观裂缝萌生阶段(见
(3)第Ⅲ阶段——宏观裂缝发展阶段(见
现有研究中,通常利用Weibull分布理论来研究混凝土疲劳寿
Weibull分布方程可简化为:
(1) |
式中:p为存活率;N为疲劳寿命;Na为特征寿命参数;b为直线方程的斜率.
从
(2) |
各应力水平下UHPC(CA)的疲劳寿命试验结果见
(3) |
式中:i为试件按疲劳寿命升序排列后的序号;k为样本容量.
通过线性拟合获得UHPC(CA)在各应力水平下的‑表达式,拟合曲线见

图9 ‑线性拟合曲线
Fig.9 Linear fitting curves of ‑
由
UHPC结构在疲劳设计时需考虑疲劳寿命和疲劳强度的离散性,因此,本节建立UHPC(CA)材料考虑存活率的p‑S‑N疲劳方程.
(4) |
式中:为对应失效概率的等效疲劳寿命.
基于Weibull分布参数可得各失效概率下UHPC(CA)的等效疲劳寿命.将UHPC(CA)的等效疲劳寿命以双对数疲劳方程形式进行线性拟合,即可获得不同失效概率下的S‑N方程,进而求得UHPC(CA)的疲劳强度.
将建立的p‑S‑N疲劳方程绘制于
(5) |

图10 UHPC(CA)疲劳寿命与p‑S‑N方程的关系
Fig.10 Relationship between fatigue life and p‑S‑N equation of UHPC(CA)
疲劳强度是指疲劳寿命N趋近无穷大时所施加的最大应力.混凝土材料的疲劳极限寿命通常取为200万次,由p‑S‑N疲劳方程可求出不同失效概率下UHPC(CA)疲劳强度对应的应力水平Sf,见
由
(1)UHPC(CA)的疲劳破坏形态为剪切破坏.与RPC不同,粗骨料的掺入使UHPC(CA)试件破坏时呈现1条或2条主裂缝,其典型破坏断面分为疲劳区和裂纹扩展区,其中疲劳区有明显的反复摩擦痕迹.
(2)疲劳荷载作用下,UHPC(CA)的变形发展呈现明显的三阶段特征,即微裂纹萌生发展阶段、微裂纹稳定发展和宏观裂缝萌生阶段、宏观裂缝发展阶段.
(3)在高应力水平(S≥0.8)下,UHPC(CA)的单调应力-应变曲线可以作为其疲劳应力-应变曲线的包络线,可用静载变形来预估疲劳破坏变形;在低应力水平(S<0.8)下,用静载变形预估的疲劳破坏变形比实际变形大.
(4)UHPC(CA)的单轴受压疲劳寿命服从Weibull分布.基于疲劳试验结果,建立了UHPC(CA)考虑存活率的p‑S‑N双对数疲劳方程,得出UHPC(CA)具有95%存活率的疲劳强度为61.78 MPa,对应的应力水平为0.520.
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