超高韌性水泥基復合材料疲勞裂紋擴展規律研究

劉偉生，王軍陣

（山東科技大學土木工程與建筑學院，山東 青島 266590）

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超高韌性水泥基復合材料疲勞裂紋擴展規律研究

劉偉生，王軍陣

（山東科技大學土木工程與建筑學院，山東 青島 266590）

采用尺寸為80mm×150mm×700mm和100mm×100mm× 400mm預制裂縫縫高為50mm和60mm的試件，對不同縫高比的梁體進行疲勞試驗，依據疲勞裂縫擴展規律的Paris公式，對UHTCC不同縫高比試件的疲勞裂紋擴展規律進行試驗研究和計算。結果表明：大尺寸試件的疲勞裂紋擴展門檻值ΔJth小于小尺寸試件，相同尺寸試件的縫高比越大，疲勞裂紋擴展門檻值越低，并計算出了縫高比為0.33、0.4試件的疲勞裂縫擴展速率的計算方法。

疲勞試驗；J積分；裂紋擴展速率

0　前言

UHTCC將普通混凝土在荷載下的單一裂縫形式轉變為多條細密裂紋的模式，與普通混凝土相比超高韌性水泥基復合材料在抗裂性、耐久性、抗沖擊性方面都有較大改善，并且對基體裂縫的擴展有很好的抑制作用，從而在提高鋼筋混凝土結構使用性能方面具有廣闊的應用前景。破壞時表現出具有裂縫細小和多點開裂的特征，裂縫間距僅為1～2mm[1]，UHTCC的微小裂縫在卸載后大部分會自動愈合。Kabde和Horii[2]提出了短纖維增強水泥基材料的斷裂分析簡單模型，并用有限元分析和試驗結果驗證了該模型的有效性。吳智敏采用等幅疲勞荷載方式加載，對混凝土試件的縫高比對疲勞裂紋擴展的影響進行研究，得出結論：縫高比對試件亞臨界擴展的過程有明顯的影響，縫高比越小，亞臨界擴展量越大，混凝土的初始裂縫尺寸與試件尺寸對裂縫擴展速率也有一定的影響[3]。

1　實驗概況

1.1實驗準備與實驗數據采集方法

UHTCC在動態斷裂荷載作用下的疲勞裂紋擴展的實驗研究，采用三點彎曲加載試驗，試件尺寸為80mm×150mm×700mm、100mm×100mm×400mm，C試件有大小兩種尺寸，D試件只有大尺寸，水泥基體配合比為：水泥∶砂子∶粉煤灰∶水=1∶1.2∶0.8∶0.58，進口PVA纖維體積摻量為2%，初始縫高比為0.33、0.4兩種。為了消除養護齡期對疲勞性能的影響[4]，試件在室內環境下放置至少3個月。靜載實驗采用位移控制，加載速度為0.1mm/min，疲勞試驗采用荷載控制，加載波采用無間歇的正弦波，加載示意圖如圖1，試件的加載參數如表1所示。

UHTCC動態斷裂實驗的加載條件　表1

圖1　實驗裝置圖

DH5922動態采集系統中的采集頻率為5HZ，當試件開始疲勞時，根據前人經驗疲勞初期階段試件表面裂紋、變形發展較快。所以對試件的前5000次疲勞進行數據保存。為保證采取的數據點能顯示出飽滿的正弦曲線形狀，一個周期要保證采取的點數大于等于32個。所以在疲勞加載的過程中，采用的DH5922動態采集系統采樣頻率為50HZ，當試件的變形大約處于穩定階段時，對事件的疲勞次數大約隔1000次保存一次數據。

1.2實驗現象

UHTCC疲勞加載下重要特征就是產生多條細密裂縫和出現了準應變硬化現象。在重復荷載的作用下當第一條裂縫出現后，由于纖維存在橋連應力的作用，對應試件的承載能力經歷瞬間下降后馬上恢復，裂紋寬度基本穩定在一個很細的水平上，與第一條裂紋的寬度大體一致，隨著荷載循環次數的增加，試件上呈現出大體均勻分布的多條細密裂縫，每條裂縫形狀蜿蜒，而不是直上直下的，每條裂縫的寬度大體接近，產生的位置與時間沒有規律可循，當裂縫間基體內嵌固纖維所提供的橋連應力不足以抵抗循環荷載時，新裂縫就不再產生，而原裂縫則不斷變寬，直到某一條裂縫發生局部擴展[5]。如圖2是靜載下C、D試件下斷裂能與荷載的曲線關系，隨著彎曲荷載的增加斷裂能逐漸增加，且增加的幅度越來越大。

圖2　斷裂能與荷載的曲線關系

1.3實驗結果分析

本研究根據P-CMOD曲線計算試件的J積分斷裂能，當最小荷載Pmin小于2kN，最小荷載產生的斷裂能可以忽略其對dA/dN的影響[2]。有公式：

對于UHTCC疲勞裂紋擴展門檻值的分析，在實驗過程中采用對試件C-7、D-5進行疲勞加載20萬次，在實驗過程中通過觀察試件表面并未出現主裂縫，CMOD進入穩定階段后無明顯擴展。如圖3所示試件并未破壞，停止加載隨后進行靜載破壞，測得疲勞后進行靜載加載破壞的C-7、D-5極限承載力分別為7.66kN、6.74kN，與平均極限承載力相差不大，所以可認為此試件的荷載水平處于裂紋擴展門檻值以下，斷裂能臨界值ΔJth[6]作為疲勞裂縫不擴展的門檻值。

圖3　試件最大CMOD與荷載循環關系發展曲線

根據數據結果分析可知，對于縫高比均為0.4的80mm×150mm×700mm和100mm×100mm×400mm的尺寸試件，大試件尺寸的斷裂能臨界值ΔJth為0.288 kJ/m2小于小試件尺寸的斷裂能臨界值ΔJth為0.432kJ/m2。從而得知，大尺寸試件的疲勞裂縫擴展門檻值ΔJth小尺寸試件。對于相同尺寸試件，從圖2中查得，縫高50mm試件5kN所對應的為0.354kJ/m2，縫高60mm試件4.5kN所對應的Jmax為0.288kJ/m2。分析可知，對于同種尺寸（80mm×150mm×700mm）縫高比越大，疲勞裂紋擴展展門檻值ΔJth越小，0.288 kJ/m2（0.4）小于0.353kJ/m2（0.33）。

2　疲勞裂紋擴展公式參數的確定

計算疲勞裂紋公式（1）的參數時，將該式進行對數變換。

根據圖2查得各最大疲勞荷載值Pmax所對應的Jmax，根據公式（2）進行數據擬合，得到公式的C 和m值。圖4所示不同縫高比試件疲勞裂紋擴展速率dA/dN的對數與Jmax對數關系和擬合直線。

圖4　log[dA/dN]-log（Jmax）的實驗關系與擬合曲線

從圖4可知兩者的線性關系很接近，縫高比為0.33試件的擬合直線公式為：

線性相關系數為r=0.949，參數logC=-8.789，參數C=1.6255×10-9，m=1.241。

縫高比為0.4試件的擬合直線公式為：

線性相關系數為r=0.960，參數logC=-9.145，參數C=0.71614×10-9，m=0.986。

將上述參數代入（2）公式，則得到縫高比為0.33試件的疲勞裂縫擴展速率函數關系為：

縫高比為0.4試件的疲勞裂縫擴展速率函數為：

根據圖表與函數關系式可以得出縫高比越大，疲勞裂縫擴展速率隨著斷裂能J積分的增長增速越快。

3　試驗結論

①斷裂能臨界值ΔJth作為超高韌性水泥基復合材料UHTCC的疲勞裂縫不擴展的門檻值，根據數據結果分析可知：大尺寸試件的疲勞裂縫擴展門檻值JΔth小于小尺寸試件。相同尺寸試件的縫高比越大，疲勞裂紋擴展門檻值ΔJth越低。

②基于Paris公式，本文計算出了試件尺寸80mm ×150mm×700mm的疲勞裂紋擴展公式。并且縫高比越大，疲勞裂縫擴展速率隨著斷裂能J積分的增長增速越快。

[1]李賀東，徐世烺.超高韌性水泥基復合材料彎曲性能及韌性評價方法[J].土木工程學報，2010，43（3）：32-33.

[2]Kabele P，Horii H.Analytical Model for Fracture Behaviors of Pseudo Strain-Hardening Cementitious Composites[J].Journal of Materials，ConcreteStructuresandPavements，1996，30（2）：209-219.

[3]Li V C，Hashida T.Engineering Ductile Fracture in Brittle-Matrix Composites[J].Journal of Materials Science Letters，1993，12（12）：898-901.

[4]易成.局部高密度鋼纖維混凝土疲勞、斷裂性能及結構應用研[D].哈爾濱：哈爾濱建筑大學，2000.

[5]Mihashi H，deBarrosleiteJ P，Yamakoshi S Y，etal.ControllingFracture Toughness of Matrix with Mica Flake Inclusions toDesign Pseudo-Ductile FiberReinforcedCementitiousComposites[J].EngineeringFracture Mechanics，2007，74（1-2）：210-222.

[6]戴建國，黃承逵，趙國藩.混凝土中非結構性裂縫分析及合成纖維控制[J].建筑結構，2000（9）：56-59.

TU599

A

1007-7359(2016)03-0068-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.03.023

國家自然科學基金（51108151）；江蘇省土木工程材料重點實驗室開放基金資助項目；國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）資助項目（2009CB623203）；河北省自然科學基金（E2012202097）。

劉偉生（1991-），男，山東菏澤人，山東科技大學在職研究生，研究方向：結構工程。