彎拉疲勞荷載損傷對蒸養混凝土動力特性的影響

馬小偉

摘要：為了研究彎拉疲勞荷載對混凝土動力特性的影響，對經受疲勞荷載作用前后的混凝土動力特性進行了測試，并研究了蒸養混凝土和標養混凝土的差異。結果表明：（1）有限次彎拉疲勞荷載作用對混凝土產生永久性的損傷，應力水平越高、疲勞次數越多，混凝土動彈性模量、動剪切模量降低的幅度越大。（2）同一應力水平、同一彎拉疲勞次數下，蒸養混凝土比標養混凝土的損傷要大。（3）混凝土泊松比的離散性比較大，可以認為混凝土泊松比不受彎拉疲勞荷載的影響。

關鍵詞：蒸養混凝土;疲勞荷載;動力特性;動彈性模量

0 前言

實際的混凝土結構在服役過程中，除了承受靜態荷載以外，在眾多的場合下往往還要承受動態荷載的影響，如橋梁、鐵路軌枕等，混凝土的動態力學特性和靜態力學特性有著比較明顯的差異，而這些差異在一定條件下往往決定著結構的安全性和可靠性。自從Abram[1]在1917年發現混凝土具有應變率效應以來，人們進行了混凝土軸壓、軸拉等各種受力形式的動態性能研究[2-3]，以及EPS、鋼纖維[4-5]等各種改性混凝土的動態性能研究。但以往對混凝土動態受壓、受拉研究較多，循環加載相對較少;同時，大多研究主要集中在混凝土動態強度及變形方面，關于動態加載過程中的損傷發展規律研究較少;另外，對蒸養混凝土動態性能的研究也較少。

本文通過試驗研究了經受彎拉疲勞荷載作用前后的蒸養混凝土的動力特性，并對蒸養混凝土和普通混凝土的試驗結果進行了比較。

1 試驗方案設計

1.1原材料及配合比

試驗采用P.O42.5級普通硅酸鹽水泥，比表面積350m2/kg，密度3.10g/cm3。粗骨料為5～20mm連續級配石灰石碎石。細骨料采用細度模數2.62，Ⅱ區級配合格河砂。試驗成型100×100×100 mm3的試件用于測試混凝土抗壓強度，成型100×100×400 mm3的試件用于彎拉疲勞加載，配合比和靜力抗壓抗折強度見表1。

采用標準養護和蒸汽養護兩種養護制度，標養試件在成型24h后置于溫度20±1℃、相對濕度RH>95%的標準養護室進行養護。蒸養試件采用的養護制度為：常溫靜停2h，升溫2h，恒溫8h，降溫1h，恒溫溫度為60±5℃，蒸養完畢后置于標準養護室養護。為了減少混凝土齡期對試驗的影響，所有試件養護60天以上。

1.2循環荷載加載程序

試驗采用MTS電液伺服疲勞試驗機，試件尺寸100×100×400mm3，三點受力加載，試件兩個端部分別離支座50mm，中間彎曲段間距300mm，即50+300+50mm的布置形式。

試驗采用應力控制方式，連續正弦波形，等幅連續加載，頻率12Hz。為了避免長時間試驗可能出現的零點漂移引起脫空對試件產生沖擊作用，設置連續正弦波最小荷載Pmin為最大荷載Pmax的10%，即荷載循環特征值Ρ = Pmin / Pmax= 0.1，最大應力水平分別取靜力極限彎拉強度的50%、60%和70%，最大加載次數15萬次。同一加載工況重復測試3個混凝土試件，取測試結果的平均值。

1.3 動力特性測試方法

混凝土動彈性模量、動剪切模量采用美國Emodumeter動彈模量測試儀進行測試。

混凝土泊松比計算公式如下：

式中：E，G——試件的動彈性模量和動剪切模量

進一步引入混凝土動彈性（剪切）模量變化率作為混凝土的損傷度指標：

式中：D為混凝土損傷度;E（x）為經歷一定疲勞次數后混凝土動彈性模量;E0為疲勞試驗前混凝土動彈性模量。

1 試驗結果及分析

2.1彎拉疲勞荷載損傷對混凝土動彈性模量的影響

2.1.1 不同彎拉疲勞次數后混凝土動彈模量見表2。從圖1可見，隨著疲勞次數的增加，混凝土損傷逐步累積，動彈模量減少率及損傷度明顯增大。動彈模量在荷載循環1萬次之前，比1～15萬次之間的減少率要快得多。所以，混凝土損傷累積的速度與加載次數之間并非單一的線性關系，而是存在明顯的階段性特點，而這正好與混凝土疲勞應變的三階段特性[6]相一致：

第一階段是混凝土內部裂縫形成的階段。受荷前混凝土內部存在界面微小裂縫，在開始加載的階段，隨著荷載循環次數的增加，水泥石和粗骨料結合處以及水泥砂漿內部的薄弱區迅速產生大量的微裂縫，宏觀表現是混凝土縱向總應變和殘余變形發展較為迅速。由于此階段微裂縫的快速發展，混凝土動彈性模量減少的幅度也較大。第一階段相對較短，約占總疲勞壽命的10%左右。0～1萬次區間范圍內應包含了該初始階段。

當薄弱區微裂縫的形成基本完成以后，混凝土內微裂縫的發展進入第二階段，也就是應變穩定增長階段。本階段混凝土內部損傷呈線性累積，縱向應變、殘余應變均隨荷載循環次數的增加而增加，增長速度相對緩慢且基本為定值。此時的內部損傷主要是水泥砂漿中所形成的裂縫的積累以及原有微裂縫的擴展所造成的。這個階段約占整個加載壽命的75%～80%。圖1基本呈現了階段二的規律特征。

第三階段為應變急劇不穩定增長直到試件破壞的階段，此階段約占整個加載壽命的10%～15%。該階段混凝土的變形速率增長較快，從耐久性的角度而言，已沒有實際意義，本試驗所做疲勞次數尚未到達此階段。

2.1.2 混凝土動彈模量減少率隨應力水平的變化如圖2所示，應力水平對混凝土動彈模量減少率的影響非常明顯，隨著應力水平的增加，動彈模量減少率越大。

2.1.3 由圖1可得，相比標養混凝土而言，在同一應力水平及彎拉疲勞次數下，蒸養混凝土的動彈模量減少率更大。究其原因，可能是混凝土在蒸養過程中尤其是升溫過程中其內部的氣相和液相受熱膨脹，對混凝土內部結構產生應力作用;同時，在混凝土蒸養升溫過程中，水、氣發生的轉移會造成混凝土中產生定向孔隙;此外，蒸養過程中水泥水化速度比標準養護時要快，短期內生成大量水化產物，在一定程度上阻礙了水泥的后期水化。因為這些原因，導致了蒸養混凝土在疲勞荷載作用下動彈模量減少得更快，損傷擴展得更快。

2.2 彎拉疲勞荷載損傷對混凝土動態剪切模量的影響

不同彎拉疲勞次數后混凝土動剪切模量見表3。從圖3和圖4可以看出，與動彈模量變化規律相似，隨著疲勞次數和應力水平的增加，混凝土動剪切模量減少率越來越大，蒸養混凝土比標養混凝土減少得要快。

2.3彎拉疲勞荷載損傷對混凝土泊松比的影響

表4是標準養護和蒸汽養護兩種混凝土在不同疲勞次數下的泊松比，其變化范圍為0.22～0.25，離散性比較大，變化趨勢不明顯，可以認為，泊松比不受疲勞荷載的影響。

3 結語

3.1 彎拉疲勞荷載導致了混凝土內部微裂縫的擴展和連通，混凝土經歷疲勞荷載后損傷增加明顯。應力水平越高，混凝土動彈模量、動剪切模量減少得越快。

3.2 隨著彎拉疲勞荷載次數的增加，混凝土動彈性模量、動剪切模量的變化出現明顯的階段性特征，在疲勞應變發展的第一階段比第二階段減少得要快。

3.3 隨著彎拉疲勞荷載次數和應力水平的增加，蒸養混凝土的損傷速度要大于標養混凝土。

3.4 彎拉疲勞荷載對混凝土泊松比的影響不明顯，可以認為混凝土泊松比不受疲勞荷載的影響。

參考文獻：

[1] Abrams D.A. Effect of rate of Application of Load on the compressive strength of concrete. ASTMJ，1917，17：364-377.

[2] 孫吉書.混凝土動態受壓力學特性的試驗研究與數值分析[J].河北工業大學學報，2012，41（3）：73-77.

[3] 竇遠明.動態荷載作用下混凝土受拉性質的研究[J].混凝土，2012（2）：1-3.

[4] 巫緒濤.EPS混凝土的動態抗壓強度和吸能特性[J].振動與沖擊，2013，32（17）：133-137.

[5] 王立成.鋼纖維輕骨料混凝土抗沖擊性能試驗研究與統計分析[J].大連理工大學學報，2010，50（4）：557-563.

[6] 宋玉普.混凝土結構的疲勞性能及設計原理[M].北京：機械工業出版社，2006.