超高韌性水泥基復(fù)合材料疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律研究

李魏魏，郭琛，劉勇

（1.山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東外國(guó)語(yǔ)職業(yè)學(xué)院 信息工程學(xué)院，山東 日照 276800）

超高韌性水泥基復(fù)合材料疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律研究

李魏魏1，郭琛1，劉勇2

（1.山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東外國(guó)語(yǔ)職業(yè)學(xué)院 信息工程學(xué)院，山東 日照 276800）

為了研究影響超高韌性水泥基復(fù)合材料（UHTCC）疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律的因素，進(jìn)行了試驗(yàn)研究。通過(guò)調(diào)整 UHTCC動(dòng)態(tài)斷裂試驗(yàn)的加載條件和試驗(yàn)參數(shù)得到荷載幅值、加載頻率和縫高比對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響關(guān)系。并通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，確定了縫高比分別為0.33、0.40的疲勞裂紋擴(kuò)展公式參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明：加載條件中，荷載幅值對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率影響最大，荷載幅值越大，裂紋擴(kuò)展速率越大；加載頻率增大時(shí)，裂紋擴(kuò)展速率趨于減小；在一定范圍內(nèi)，初始縫高比越大，疲勞裂紋擴(kuò)展速率越大。

超高韌性水泥基；疲勞裂紋；擴(kuò)展規(guī)律；加載條件

1 概 述

超高韌性水泥基復(fù)合材料［1］（Ultra-high toughness cementitious composites，簡(jiǎn)稱UHTCC）是由水泥為基礎(chǔ)材料、纖維為增強(qiáng)材料，同時(shí)加入精細(xì)骨料，以及活性礦物摻合料粉煤灰或硅灰等，組成的新型水泥基復(fù)合材料。本試驗(yàn)基于UHTCC的疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段對(duì)其荷載循環(huán)次數(shù)的裂紋擴(kuò)展量函數(shù)［2］表達(dá)式：

式中：A為宏觀裂縫覆蓋面積；N為疲勞次數(shù)；C、m為材料常數(shù)；ΔJ為斷裂能差值。

本試驗(yàn)中動(dòng)態(tài)斷裂試驗(yàn)的最小荷載 Pmin均小于2kN，由此產(chǎn)生的Jmin→0，所以最小荷載產(chǎn)生的斷裂能可以忽略其對(duì) dA/dN的影響。于是可將本試驗(yàn)中ΔJ→Jmax，所以公式（1）可替換為：

試驗(yàn)將根據(jù)此公式計(jì)算出UHTCC疲勞裂紋擴(kuò)展公式的C、m系數(shù)，得到試件尺寸為80mm×150mm ×700mm、縫高比分別為0.33和0.4下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率的函數(shù)關(guān)系。并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，分析荷載幅值Pa［3］、加載頻率 f和縫高比［4］對(duì)于疲勞裂紋擴(kuò)展速率dA/dN的影響。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

對(duì)UHTCC在動(dòng)態(tài)斷裂荷載作用下的疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律的研究采用三點(diǎn)彎曲加載試驗(yàn)［5］，試件尺寸80mm×150mm×700mm，初始縫高比為0.33、0.4兩種。UHTCC基體配合比為：水泥∶砂子∶粉煤灰∶水=1∶1.2∶0.8∶0.58。進(jìn)口纖維體積摻加量為2%。所有試件采用木模澆筑，在室溫下養(yǎng)護(hù)24h后脫模，放入養(yǎng)護(hù)室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d。試件在室內(nèi)環(huán)境下放置至少3個(gè)月，目的是為了消除養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)疲勞性能的影響。

試驗(yàn)在500-kN FCS-9331液壓伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)過(guò)程中，采用東華DH5922動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)。靜載試驗(yàn)采用位移控制，加載速度為0.1mm/min。疲勞試驗(yàn)采用荷載控制，加載波采用無(wú)間歇的正弦波。加載示意圖及測(cè)點(diǎn)布置如圖1。

圖1 動(dòng)載試驗(yàn)裝置圖

試件的加載參數(shù)如表1。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)動(dòng)載試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)，UHTCC疲勞裂縫擴(kuò)展試驗(yàn)參數(shù)如表2。

表1 UHTCC動(dòng)態(tài)斷裂試驗(yàn)的加載條件

表2 UHTCC疲勞裂縫擴(kuò)展試驗(yàn)和計(jì)算參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析與結(jié)論

3.1 荷載幅值對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展的影響

根據(jù)表2所示，隨著加載條件荷載幅值Pa的增大，單個(gè)荷載循環(huán)的疲勞裂縫速率dA/dN大體是呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)。對(duì)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(kuò)展速率的 dA/dN變化也較大，dA/dN值在0.000634～0.00650之間，其升高的趨勢(shì)比較明顯。對(duì)于縫高比大（0.4）的試件，其荷載幅值可變化范圍相對(duì)較小，其疲勞裂紋擴(kuò)展速率的變化也較小，dA/dN值在 0.000848～0.00264之間其升高的趨勢(shì)相對(duì)減弱。

3.2 加載頻率對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響

當(dāng)荷載幅值一定的情況下，加載頻率 f 對(duì)疲勞裂紋發(fā)展的速率dA/dN也有一定的影響。對(duì)于縫高比為0.3的C-2和C-4試件，其荷載幅值相近，當(dāng)加載頻率 f 增大時(shí)，其疲勞裂紋擴(kuò)展速率 dA/DN有所降低。對(duì)于縫高比為0.4的D-1和D-2試件，其荷載幅值相同，當(dāng)加載頻率增大時(shí)，疲勞裂紋擴(kuò)展速率dA/dN也有下降的趨勢(shì)。原因可能是由于在低的加載頻率條件下，試件中的初始裂紋、孔隙和缺陷在裂紋的尖端有足夠的作用時(shí)間促使裂紋加速擴(kuò)展。但是由于加載設(shè)備限制的原因，沒(méi)有對(duì)加載頻率的較寬范圍進(jìn)行試驗(yàn)，所以對(duì)于加載頻率對(duì)于疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響作用有多明顯，本試驗(yàn)沒(méi)有得到，對(duì)是否存在裂紋擴(kuò)展速率的頻率無(wú)關(guān)區(qū)域尚有待研究［6］。

3.3 縫高比對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響

根據(jù)表2可看出，UHTCC預(yù)制切口試件的縫高比對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率有一定的影響。當(dāng)試件的荷載幅值相近時(shí)，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，疲勞裂縫擴(kuò)展速率dA/dN為0.001211，而縫高比為0.4的試件，疲勞裂紋擴(kuò)展速率dA/dN為0.00264和0.001385，均比縫高比為 0.33的試件有所增高增大。由此可得，試件的預(yù)制切口深度越大，即縫高比越大，試件的疲勞裂紋擴(kuò)展速率dA/dN越大。

3.4 疲勞裂紋擴(kuò)展公式參數(shù)的確定

計(jì)算疲勞裂紋擴(kuò)展公式的參數(shù)時(shí)，將該式進(jìn)行對(duì)數(shù)變換：

根據(jù)查得各最大疲勞荷載值Pmax所對(duì)應(yīng)的Jmax，根據(jù)公式（3）進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到公式的C和m值。圖3所示不同縫高比試件疲勞裂紋擴(kuò)展速率dA/dN的對(duì)數(shù)與Jmax對(duì)數(shù)關(guān)系和擬合直線。

圖2 不同縫高比試件疲勞裂紋擴(kuò)展速率dA/dN的對(duì)數(shù)與Jmax對(duì)數(shù)關(guān)系和擬合直線

4 結(jié) 論［7-8］

①加載條件中的荷載幅值對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展的速率dA/dN影響作用最為明顯。隨著荷載幅值的增大，疲勞裂紋擴(kuò)展速率也增大，反之，則降低。

②當(dāng)荷載幅值一定時(shí)，加載頻率對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率也有影響，加載頻率越低，疲勞裂紋擴(kuò)展速率越大。

③縫高比在一定范圍內(nèi)時(shí)，縫高比越大，試件的疲勞裂紋擴(kuò)展速率越大。

④本試驗(yàn)計(jì)算出試件尺寸為 80mm×150mm× 700mm的UHTCC疲勞裂紋擴(kuò)展公式，其中縫高比為0.33試件的疲勞裂紋擴(kuò)展速率函數(shù)關(guān)系為：

縫高比為0.4試件的疲勞裂紋擴(kuò)展速率函數(shù)關(guān)系為：

［1］徐世烺，劉問(wèn).超高韌性水泥基復(fù)合材料疲勞損傷模型試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2011，24（6）：1-8.

［2］劉問(wèn)，徐世烺，李慶華.超高韌性水泥基復(fù)合材料疲勞裂縫擴(kuò)展公式的理論與試驗(yàn)研究［J］.工程力學(xué)，2013，30（11）：67-74.

［3］徐世烺，王楠，李慶華.超高韌性水泥基復(fù)合材料增強(qiáng)普通混凝土復(fù)合梁彎曲性能試驗(yàn)研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2010，43（5）：17-22.

［4］吳智敏，趙國(guó)藩.混凝土試件縫高比對(duì)裂縫擴(kuò)展過(guò)程及斷裂韌度的影響［J］.應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，1995，3（2）：126-130.

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［6］徐世烺，趙國(guó)藩.光彈貼片法研究混凝土裂縫擴(kuò)展過(guò)程［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，1991，10（3）：8-19.

［7］劉問(wèn)，徐世烺，李慶華.等幅疲勞荷載作用下超高韌性水泥基復(fù)合材料彎曲疲勞壽命試驗(yàn)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2012，33（1）：119-127.

［8］王海超，等.超高性能水泥基復(fù)合材料動(dòng)態(tài)斷裂下承載能力和剛度退化分析［J］.混凝土，2014（7）：8-12.

［9］劉問(wèn).超高韌性水泥基復(fù)合材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的試驗(yàn)研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2012.

TU599

A

1007-7359（2016）02-0169-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.02.060

李魏魏（1990-），女，山東濟(jì)寧人，山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院在讀碩士，研究方向：結(jié)構(gòu)工程。