后澆UHTCC既有混凝土復合梁彎曲疲勞性能試驗研究

劉 問徐世烺李慶華

(1北京林業(yè)大學水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室, 北京 100083)

(2浙江大學高性能建筑結構與材料研究所, 杭州 310058)

(3大連理工大學結構研究所, 大連 116024)

目前,混凝土是應用最為廣泛的工程材料,但其自身缺陷極大影響了工程結構的耐久性和安全性．為改善混凝土脆性,早在上世紀70年代,已有學者提出利用分散或連續(xù)纖維來增強基體韌性[1].其中,效果較為顯著的是超高韌性水泥基復合材料(ultra-high toughness cementitious composites, UHTCC)．該材料通過優(yōu)化基體、纖維、纖維與基體界面的基本性能、改善三者之間的相互作用,在纖維摻量較少(通常小于2.5%)的條件下仍能滿足應變硬化特征的2條設計準則[2-3]．UHTCC實現(xiàn)了多重裂紋的穩(wěn)態(tài)開裂模式,極限拉應變可達到3%以上;極限應變時的平均裂縫寬度可以控制在100μm以內[4-5]．

Suthiwarapirak等[6-8]研究了UHTCC的彎曲疲勞性能,結果表明,UHTCC上產生了多條疲勞裂縫,S-N單對數(shù)曲線呈現(xiàn)雙線性關系．徐世烺等[9-11]研究了UHTCC的疲勞損傷過程,建立了該材料的彎曲損傷模型．Zhang等[12-13]對UHTCC作為既有混凝土體系修復層在疲勞荷載作用下的彎曲性能進行了研究分析,結果表明,UHTCC增強了復合梁的承載能力與延性變形,增強程度取決于修復層厚度．此外,徐世烺等[14]將UHTCC作為混凝土梁的補強層,對尺寸相同但UHTCC層厚度不同的UHTCC/混凝土復合梁(UC復合梁)的彎曲性能進行了試驗研究,結果表明,隨著UHTCC層厚度的增加,復合梁的變形能力和承載能力都得到明顯的改善,且UHTCC層還起到分散上層裂縫的作用．

將UHTCC作為混凝土結構的保護層、替換局部混凝土或者加強結構節(jié)點,均能彌補混凝土抗拉強度低的缺點,提高整體的抗彎強度和韌性．本文將UHTCC用作既有混凝土梁的受拉側,觀測UC復合梁在疲勞荷載作用下的工作性能與破壞方式,討論了疲勞荷載作用下平截面假定的適用性,研究了UHTCC層對復合梁變形與壽命的增強作用．

1 試驗

試驗中采用二次澆筑制備試件．首先,對底部尺寸為400mm×100mm×50mm的混凝土部分進行澆注,水中養(yǎng)護28d后,對黏結界面進行鑿毛(粗糙度為0.9～1.5mm)處理,并保持黏結面濕潤;然后, 對50mm厚的UHTCC進行澆注,成型試件尺寸為400mm×100mm×100mm．試件制作過程如圖1所示．混凝土的28d抗壓強度為38.5MPa,UHTCC的28d抗壓強度為39MPa,極限抗拉強度為5.9MPa,極限拉應變?yōu)?%．

圖1 UC復合梁的制作過程示意圖

采用三點彎曲加載,試件尺寸與加載裝置見圖2．跨中撓度由2個位移傳感器(LVDT)測得.在梁體底部跨中固定一個標距為1cm的夾式引申儀,測量范圍為40mm.為驗證平截面假定,在試件一側跨中沿豎直方向粘貼6個測量長度為2cm的混凝土應變片,具體布置如圖3所示．

圖2 試驗加載示意圖(單位:mm)

圖3 跨中應變片位置示意圖 (單位:mm)

試驗在MTS疲勞試驗機上進行．試驗過程為荷載控制,正弦波加載,頻率為8Hz．該種形式復合梁的平均極限荷載為20.9kN,據(jù)此設置的疲勞加載情況見表1．共設置4級應力水平,即S=0.8,0.7,0.6,0.5,高低應力比R=0.1．S=0.6～0.8時,每組包含4～5個試件;S=0.5時,每組包含2個試件．

表1 疲勞荷載情況

2 試驗結果與分析

2.1 平截面假定

平截面假定是正截面計算的基礎.圖4為不同應力水平時UC梁在不同荷載循環(huán)下的截面應變.由圖可知,在疲勞作用下,UC梁截面上不同高度處的應變呈近似線性分布,基本符合平截面假定．

圖4 疲勞荷載作用下沿截面高度的應變分布

2.2 裂縫模式

試驗觀察到,疲勞荷載作用下,本文所用的復合梁UHTCC層底部先產生裂縫,且這一可見裂縫隨荷載循環(huán)的增加逐步向混凝土層發(fā)展;當界面處混凝土應變達到開裂應變后,混凝土層出現(xiàn)裂縫．圖5為靜載與疲勞荷載作用下的破壞底面照片,靜載作用下UHTCC層的裂縫數(shù)目多而細密,達到幾十條之多;疲勞荷載作用下,裂縫明顯減少．由圖6可知，試件疲勞破壞后UHTCC層的平均裂縫數(shù)目隨應力水平的降低而逐漸減少．混凝土層形成1～3條裂縫．

圖5 靜載與疲勞荷載作用下試件破壞后底面裂縫照片

圖6 試件底面平均裂縫數(shù)目與應力水平的關系

由梁底部夾子測量的變形量與裂縫觀測儀測到的最大裂縫寬度的發(fā)展過程見圖7．圖中，a為底面中心變形量，b為最大裂縫寬度變形量.近似認為,夾子所測數(shù)值為梁底跨中40mm范圍內的裂縫總變形量．由圖可知,在初始若干循環(huán)中,最大裂縫寬度小于50μm,明顯小于夾子所測數(shù)值;隨后,二者同步增長,但由于試件裂縫數(shù)目較多,最大裂縫寬度的發(fā)展仍落后于總裂縫;隨著荷載循環(huán)次數(shù)的進一步增加,試件主裂縫開始發(fā)展,不再有新裂縫出現(xiàn),除主裂縫外其余裂縫寬度不再增加,主裂縫寬度越來越接近夾子所測數(shù)值,直至試件破壞．

圖7 不同應力水平下夾子所測數(shù)值與最大裂縫寬度隨荷載循環(huán)變化曲線

2.3 疲勞變形

不同應力水平下,試件混凝土層頂部壓應變、UHTCC層底部拉應變及跨中撓度的最大值隨荷載循環(huán)率的變化過程見圖8．UC-0.5試件在2×106次荷載循環(huán)時未發(fā)生破壞,停止試驗,記其疲勞壽命為2×106．由于UHTCC的增韌效果,復合梁的疲勞變形表現(xiàn)出一定的延性特征,彎曲變形符合三階段發(fā)展規(guī)律:① 疲勞前期,試件變形隨荷載循環(huán)率的增加顯著增大.在變形第1階段,少量可見裂縫產生,一般首個荷載循環(huán)內便有1～2條寬度小于20μm的宏觀裂縫產生,這些可見裂縫促使試件變形快速增大.該階段在疲勞壽命中所占比例很少,約為5%．② 隨著荷載循環(huán)率增加,原有裂縫繼續(xù)擴展且新裂縫不斷產生,這一階段試件變形平穩(wěn)增大,變形曲線斜率平緩，復合梁變形平穩(wěn)增大.該階段在疲勞壽命中所占比例最大,約為90%．③ 裂縫局部化,一條主裂縫快速發(fā)展,試件變形快速增長直至破壞.該階段所占比例約為5%．由圖8可知,隨應力水平的降低,試件變形能力逐漸下降．

圖8 試件變形最大值隨荷載循環(huán)率的變化曲線

2.4 疲勞壽命分析

應用威布爾分布研究UC復合梁的疲勞壽命．表2列出了試驗所測復合梁的疲勞壽命與威布爾分布存活率．根據(jù)威布爾參數(shù)擬合得出的復合梁S-N雙對數(shù)曲線如圖9所示．圖中箭頭表示試件疲勞循環(huán)2×106次未發(fā)生破壞而停止試驗．由試驗結果可得S-N雙對數(shù)方程為

表2 試驗所測疲勞壽命

圖9 S-N雙對數(shù)曲線

logS=-0.1639logN+0.7322

在高周疲勞循環(huán)(循環(huán)次數(shù)大于104)情況下,根據(jù)威布爾參數(shù)擬合的S-N雙對數(shù)曲線具有線性特征,且與實際結果符合良好;對于低周疲勞循環(huán)(循環(huán)次數(shù)小于等于104)情況，由于實際很少發(fā)生,本文未作研究．

3 結論

1) 疲勞荷載作用下,UC梁截面變形符合平截面假定．

2) UHTCC層產生若干條可見裂縫,數(shù)目隨應力水平降低而減少,混凝土層裂縫數(shù)目為1～3.由于多條裂縫產生,復合梁隨荷載循環(huán)的疲勞變形曲線表現(xiàn)出延性特征,呈三階段發(fā)展,變形能力隨應力水平減小而降低．

3) 高周疲勞循環(huán)情況下,復合梁的S-N雙對數(shù)疲勞曲線線性良好．

)

[1]Perumalsamy N B, Surendra P S.Fiber-reinforcedcementcomposites[M]. New York: McGraw-Hill, 1992.

[2]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.

Xu Shilang, Li Hedong. A review on the development of research and application of ultra high toughness cementitious composites [J].ChinaCivilEngineeringJournal, 2008,41(6):72-87. (in Chinese)

[3]Li H, Xu S, Leung C K Y. Tensile and flexural properties of ultra high toughness cementitious composite[J].JournalofWuhanUniversityofTechnology:MaterialsScienceEdition, 2009,24(4): 677-683.

[4]Li V C, Hashida T. Engineering ductile fracture in brittle-matrix composites [J].JournalofMaterialsScienceLetters, 1993,12(2): 898-901.

[5]徐世烺. 超高韌性綠色ECC新型材料研究及應用[M]. 大連：大連理工大學出版社, 2007.

[6]Suthiwarapirak P, Matsumoto T, Kanda T. Multiple cracking and fiber bridging characteristics of engineered cementitious composites under fatigue flexure [J].JournalofMaterialinCivilEngineering, 2004,16(5): 433-443.

[7]Suthiwarapirak P, Matsumto T, Kanda T. Flexural fatigue failure characteristics of an engineered cementitious composite and polymer cement mortars [J].JournalofMaterials,ConcreteStructuresandPavements, 2002,718(57): 121-134.

[8]Matsumoto T, Suthiwarapirak P, Kanda T. Mechanisms of multiple cracking and fracture of DFRCCs under fatigue flexure [J].JournalofAdvancedConcreteTechnology, 2003,1(3): 299-306.

[9]徐世烺,劉問. 超高韌性水泥基復合材料疲勞損傷模型的研究[J].中國公路學報， 2011, 24(6): 1-8.

Xu Shilang, Liu Wen. Fatigue damage model of ultra-high toughness cementitious composites [J].ChinaJournalofHighwayandTransport, 2011,24(6): 1-8. (in Chinese)

[10]劉問, 徐世烺, 李慶華. 在等幅疲勞荷載作用下超高韌性水泥基復合材料彎曲疲勞性能的試驗研究[J]. 建筑結構學報, 2012, 33(1): 119-127.

Liu Wen, Xu Shilang, Li Qinghua. Study on flexural fatigue life of ultra-high toughness cementitious composites under constant amplitude cyclic loading [J].JournalofBuildingStructures, 2012,33(1): 119-127. (in Chinese)

[11]Xu S L, Liu W, Li Q H. Deformation calculation of ultra-high toughness cementitious composite-concrete beam under flexure fatigue with ultra-high toughness cementitious composite fatigue damage model[J].InternationalJournalofDamageMechanics, 2013,22(1): 128-144.

[12]Zhang J, Li V C. Monotonic and fatigue performance in bending of fiber-reinforced engineered cementitious composite in overlay system [J].CementandConcreteResearch, 2002,32(3): 415-423.

[13]Zhang J, Leung C K Y, Cheung Y N. Flexural performance of layered ECC-concrete composite beam [J].CompositesScienceandTechnology, 2006,66(11/12): 1501-1512.

[14]徐世烺, 王楠, 李慶華. 超高韌性水泥基復合材料增強普通混凝土復合梁彎曲性能試驗研究[J]. 土木工程學報， 2010, 43(5): 17-22.

Xu Shilang, Wang Nan, Li Qinghua. Experimental study on the flexural performance of concrete beam strengthened with ultra high toughness cementitious composites [J].ChinaCivilEngineeringJournal， 2010,43(5): 17-22. (in Chinese)