超高韌性水泥基復合材料疲勞裂紋擴展速率影響因素研究

王軍陣，郭琛

（山東科技大學土木工程與建筑學院，山東 青島 266590）

?

超高韌性水泥基復合材料疲勞裂紋擴展速率影響因素研究

王軍陣，郭琛

（山東科技大學土木工程與建筑學院，山東 青島 266590）

依據疲勞裂縫擴展規律的Paris公式，采用尺寸為80mm×150mm ×700mm和100mm×100mm×400mm及裂縫縫高為50mm和60mm的試件，進行試驗探究裂紋擴展速率的相關影響因素，即荷載幅值、縫高比等對裂紋的擴展速率的影響。結果表明：荷載幅值、縫高比等因素都對疲勞裂紋的擴展有較大影響，同時得出疲勞裂縫覆蓋面積A的變形趨勢與最大CMOD基本趨于一致，隨著荷載循環次數的增加呈現出五階段發展。

疲勞試驗；裂縫擴展速率；影響因素

1　研究背景

超高韌性水泥基復合材料（UHTCC）是由水泥、水、增強纖維、精細骨料以及粉煤灰和硅灰等活性礦物摻合料組成的新型工程材料，具有多縫開裂的特征，是一種新型的高性能纖維水泥基復合材料。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[1]，對基體裂縫的擴展有很好的抑制作用，從而探究UHTCC疲勞裂縫的擴展的影響因素具有重要作用。目前國內外大量學者對UHTCC的疲勞斷裂進行了研究，由美國學者 Li的研究，可知UHTCC的斷裂是一種“延性斷裂”[2]。吳智敏采用等幅疲勞荷載方式加載，對混凝土試件疲勞裂紋擴展進行研究，即超高韌性水泥基復合材料的開裂模式為多條細密裂紋，裂縫分散能力較強，所以大大降低了裂縫擴展的速率，正是由于UHTCC多縫開裂模式，其斷裂又稱為“延性斷裂”[3]，同時研究了混凝土試件縫高比對裂縫擴展的影響[4]。再有劉問博士對UHTCC的疲勞裂紋擴展進行了研究，即研究UHTCC的裂縫擴展依據Paris公式比較恰當，同時給出了疲勞過程中，UHTCC的裂縫覆蓋面積隨荷載循環呈現的關系[5]，本研究根據非線性斷裂力學對尺寸為80mm×150mm×700mm和100mm×100mm× 400mm，預制裂縫縫高為50mm和60mm的試件進行研究，看能否確定荷載幅值、縫高比等對裂紋擴展速率的影響，以及疲勞裂縫覆蓋面積A的變形趨勢與最大CMOD是否基本趨于一致。

2　試驗概況

采用常用三點彎曲加載試驗，試件尺寸為80mm ×150mm×700mm和100mm×100mm×400mm，即C、D兩種尺寸，水泥基體配合比為：水泥∶砂子∶粉煤灰∶水=1∶1.2∶0.8∶0.58，PVA纖維體積摻量為2%，初始縫高比為0.33、0.4兩種。

UHTCC疲勞裂縫擴展實驗和計算參數　表1

3　實驗結果分析

已知荷載幅值、載荷順序、環境和加載頻率等都因素對疲勞裂紋的擴展有較大影響[6]。根據不同縫高比試件的荷載幅值與裂紋擴展速率的變化情況，如圖1所示。隨著加載條件荷載幅值Pa的增大，單個荷載循環的疲勞裂縫速率dA/dN大體是呈現升高趨勢。對于縫高比不同的試件，縫高比小（0.33）的試件，其荷載幅值可變化范圍較大，其疲勞裂紋擴展速率的dA/dN變化比較大，其升高的趨勢比較明顯。對于縫高比大（0.4）的試件，其荷載幅值可變化范圍相對較小，其疲勞裂紋擴展速率的變化較小，其升高的趨勢相對減弱。因此荷載幅值對疲勞裂紋擴展的速率dA/dN影響作用較為明顯，隨著荷載幅值的增大，疲勞裂紋擴展速率也增大，反之，則降低。

圖1　疲勞裂紋擴展速率dA/dN隨荷載幅值Pa的變化情況

由于在低的加載頻率條件下，試件中的初始裂縫、孔隙和缺陷在裂紋尖端有足夠的作用時間促使裂紋加速擴展[7]。即加載設備限制的原因，沒有對加載頻率的較寬范圍進行實驗，所以對于加載頻率對于疲勞裂紋擴展速率的影響作用有多明顯，本實驗沒有得到。

根據表1可看出，當試件的荷載幅值相近時，如C-5、D-1和D-2試件，其荷載幅值均為2.7kN，縫高比為0.33的試件，疲勞裂紋擴展速率dA/dN為0.001211，而縫高比為0.4的試件，疲勞裂紋擴展速率dA/dN為0.00264和0.001385，均比縫高比0.33的試件有所增高增大。由此可得，試件的預制切口深度越大，即縫高比越大，試件的疲勞裂紋擴展速率dA/dN越大。

4　UHTCC試件在重復荷載作用下表現出延性特征

圖3示出試件在動態斷裂作用下最大CMOD與試件表面裂縫覆蓋面積隨荷載循環的變化過程，裂縫覆蓋面積A的變化趨勢與最大CMOD基本趨于一致，裂縫寬度隨循環次數的變化趨勢如圖2，變化呈五階段發展：（Ⅰ）變形較快發展階段；（Ⅱ）緩慢變形階段；（Ⅲ）變形穩定擴展階段；（Ⅳ）主裂縫擴展階段；（Ⅴ）斷裂破壞階段。

5　實驗結論

①加載條件中的荷載幅值Pa對疲勞裂紋擴展的速率dA/dN影響作用最為明顯。荷載幅值最為明顯。荷載幅值越大，疲勞裂紋擴展速率dA/dN越大，反之，則越小。當荷載幅值相近時，試件的預制切口深度越大，即縫高比越大，試件的疲勞裂紋擴展速率dA/dN越大。

圖2　裂縫寬度隨循環次數的變化趨勢

圖3　裂縫覆蓋面積A和最大CMOD隨加載循環次數的演化曲線

②疲勞裂縫覆蓋面積A的變形趨勢與最大CMOD基本趨于一致，隨著荷載循環次數的增加也呈現出五階段發展。

[1]徐世烺，李賀東.超高韌性水泥基復合材料研究進展及其工程應用[J].土木工程學報，2008，41（6）：72-87.

[2]LI Victor C.高延性纖維增強水泥基復合材料的研究進展及應用[J].硅酸鹽學報，2007，35（4）：531-536.

[3]吳智敏，宋玉普，趙國藩.疲勞荷載作用下砼裂縫擴展過程[J].大連理工大學學報，1997，37（1）：45-48.

[4]吳智敏，趙國藩.混凝土試件縫高比對裂縫擴展過程及斷裂韌度的影響[J].應用基礎與工程科學學報，1995，3（2）：126-130.

[5]劉問，徐世烺，李慶華.超高韌性水泥基復合材料疲勞裂縫擴展公式的理論與研究[J].工程力學，2013，30（11）：67-74.

[6]陳傳堯.疲勞與斷裂[M].武漢：華中科技大學出版社，2001.

[7]范天佑.斷裂動力學原理與應用[M].北京：北京理工大學出版社，2006.

[8]Li V C，Hashida T.Engineering Ductile Fracture in Brittle-Matrix Composites[J].Journal ofMaterialsScienceLetters，1993，12（12）：898-901.

TU599

A

1007-7359(2016)03-0078-02

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.03.026

王軍陣（1991-），男，山東菏澤人，山東科技大學在讀碩士，研究方向：混凝土。