鋼纖維摻量對活性粉末混凝土疲勞強度的影響

孫 勁 舟

(中南林業(yè)科技大學土木工程學院，湖南 長沙 410018)

1 概述

活性粉末混凝土(Reactive Powder Contrete，縮寫為RPC)這一術語最早見于1994年法國的Richard等人發(fā)表的《具有高韌性、抗壓強度達200 MPa～800 MPa的活性粉末混凝土》一文[1],RPC是20世紀末由法國布伊格(Bouygues)公司研究成功的繼高強、高性能混凝土后開發(fā)出的超高強度、高韌性、高耐久、體積穩(wěn)定性良好水泥基復合材料，是DSP材料與纖維增強材料相復合的新型超高強混凝土[2,3]。

在長期實踐中，某些機械零件工作時，承受隨時間做周期性變化的應力，即交變應力。在交變應力作用下，雖應力遠遠低于材料的屈服極限，但是經過一段時間運行之后，構件會突然斷裂。混凝土結構應用早期階段由于材料自重大，其主要載荷為自重恒載。隨著高性能高強度活性粉末混凝土材料應用的逐步推廣，其結構承受活荷載的比例逐漸增大，對RPC疲勞性能的研究變得愈發(fā)重要。

2 常用疲勞試驗參數

疲勞試驗研究所涉及符號與專有名詞較多，常見參數與概念如下所列：

交變應力——依據我國“材料力學”教程中的習慣用法，泛指隨時間做周期循環(huán)的應力，在應力循環(huán)中各應力均用S表示，以與靜力符號σ相區(qū)別。

最大應力(應力上峰值)Smax——在應力循環(huán)中具有最大代數值的應力。其中拉應力為正，壓應力為負。

最小應力(應力下峰值)Smin——在應力循環(huán)中具有最小代數值的應力。其中拉應力為正，壓應力為負。

應力比R——最小應力與最大應力的代數比值。

加載系數K——最大應力Smax與強度極限σb的代數比值。

應力水平S——代表一對應力Smax與Smin，定應力比或平均應力Sm，應力水平可用最大應力Smax來表示。

對數應力水平lgS——對應力水平S取對數。

疲勞極限Sl——經過無窮次應力循環(huán)而不發(fā)生破壞時的最大應力值，又稱為持久極限。對于混凝土材料通常選用疲勞壽命N=2×106時對應應力水平作為其疲勞極限。

疲勞壽命N——在指定疲勞壽命下，試件疲勞破壞前所經受的應力循環(huán)次數，又稱為破壞疲勞數。

對數疲勞壽命lgN——對破壞疲勞數N取對數。

在相關試驗經驗中可得知同一批次試件疲勞壽命N數據離散程度大，而統(tǒng)計對數疲勞壽命lgN，可以得到較好的效果。

p—S—N曲線——以應力為縱坐標，以存活率p的疲勞壽命為橫坐標繪制的曲線，即存活率——應力——疲勞壽命曲線。作圖時通常將疲勞壽命取對數，或者同時將應力和疲勞壽命取對數。

中值S—N曲線——以應力為縱坐標，以中值疲勞壽命為橫坐標繪制的曲線，即50%存活率S—N曲線。通常簡稱為S—N曲線。

3 疲勞試驗數據處理方法

實踐經驗指出，一般材料的S—N曲線，在某一區(qū)間內接近于直線。因此在繪制S—N曲線時，可以采用“直線段假設”，即在某一區(qū)間內用直線擬合各數據點。當然，這種作圖法帶有一定的近似性。但當數據不夠充分、數據點過少或者過于分散時，參照同類型的S—N曲線形式用直線擬合某些數據點還是比較方便可靠的。

湖南大學的方志[4]對三種不同鋼纖維摻量的活性粉末混凝土進行了單軸受壓等幅疲勞試驗，研究鋼纖維含量對RPC抗疲勞性能的影響。分0.4，0.6，0.8三種最大應力水平控制加載。試驗數據表明，未摻鋼纖維的RPC強度離散型大，差異最大可達15%，摻鋼纖維的RPC強度離散型相對較小。通過對對數應力水平lgS以及對數疲勞壽命lgN的線性擬合計算，代入疲勞方程：

lgS=A-BlgN。

求得待定系數A與B，并繪制出試件預期的S—N曲線。

4 單軸受壓疲勞試驗方案

4.1 RPC的制備、成型與養(yǎng)護

將要進行疲勞試驗的活性粉末混凝土，配合比如表1所示，攪拌工藝參照《活性粉末混凝土》實行，將級配河沙、鋼纖維、石英粉、水泥、硅灰依序倒入攪拌機內，干拌4 min后，加入均勻溶有減水劑的水后再攪拌12 min。

RPC攪拌均勻后澆筑于70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm標準砂漿模具內，分三層手動插搗后置于震動臺上震動50 s，將表面抹平后置于標準養(yǎng)護室(氣溫，相對濕度不小于90%)養(yǎng)護1 d后脫模進行養(yǎng)護，試驗采用熱養(yǎng)護以提高活性粉末混凝土力學性能，其養(yǎng)護制度為：自加熱起3 h內達到90 ℃，并在90 ℃±25 ℃恒溫熱水中養(yǎng)護48 h，自然冷卻至室溫。RPC抗壓強度試驗采用的試件尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm；抗折強度試驗采用的試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm。

表1 RPC的配合比

4.2 RPC疲勞性能測試方法

RPC疲勞試驗試件尺寸選用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，試驗加載裝置為“濟南友金機械設備有限公司”生產的PLS-1000電液伺服土木結構試驗系統(tǒng)。

試驗為確定0%，1.5%，3%鋼纖維摻量下活性粉末混凝土立方體試件的疲勞性能，對RPC進行疲勞壽命試驗，試驗加載應力比恒為0.1，不同鋼纖維摻量試件均選取8組應力水平進行加載，應力水平各加載系數下試件數均為3個，試驗應力比R=0.1，加載頻率為4 Hz，試件最大疲勞試驗次數為100萬次。試件單軸抗壓強如表2所示。

表2 RPC抗壓強度測試表

5 試驗現象與分析

活性粉末混凝土立方體試件單軸受壓疲勞試驗加載過程中試件的損傷過程裂紋演變主要分為三階段，分別為裂紋潛伏階段、裂紋穩(wěn)定擴展階段以及失穩(wěn)破壞階段。

第一階段為裂紋潛伏階段，立方體RPC試件上下端最先出現豎向短裂紋，階段內裂紋不隨著加載次數的增加而延伸，試件表面也未產生新的裂紋，結合試驗結果表明，此階段為總疲勞壽命的15%左右；

第二階段為裂紋穩(wěn)定擴展階段，在試件中部出現數條縱向裂紋，裂紋逐漸發(fā)展至貫穿試件上下端，其中不摻鋼纖維組試件四角少量碎屑出現剝落，該階段約占總疲勞壽命的75%左右；

第三階段為失穩(wěn)破壞階段，主裂紋迅速擴展直至貫通，試件喪失承載力，最終疲勞破壞，該階段約占總疲勞壽命的10%左右。

0%,1.5%,3%鋼纖維摻量不同加載系數下對數加載系數與對數試件疲勞壽命如圖1～圖3所示。數據表明，不同加載系數下RPC立方體試件疲勞壽命平均值隨試件加載最大應力的增加而減少；應力水平一定試件疲勞壽命波動較大。

5.1 雙對數疲勞方程

對疲勞試件對數應力水平以及對數疲勞壽命進行線性回歸分析，結果表明，RPC立方體試件對數加載水平與對數疲勞壽命線性相關，服從雙對數疲勞方程特征，如表3所示。

其中，0%鋼纖維摻量試件雙對數疲勞方程線性回歸相關性系數最小，3%鋼纖維試件相關性系數最大，鋼纖維的摻入可有效減小疲勞壽命分布方差。

代入擬合公式可得疲勞壽命N=2×106時不同鋼纖維摻量疲勞強度如表4所示。

表3 不同鋼纖維摻量RPC單軸受壓疲勞方程

表4 不同鋼纖維摻量RPC疲勞壽命

數據表明，鋼纖維的摻入可以有效提高活性粉末混凝土的疲勞壽命，相比基準組鋼纖維1.5%體積摻量RPC疲勞極限提高了15.77%，相應的疲勞荷載提高了23.09%；鋼纖維3%體積摻量RPC疲勞極限提高了29.28%，相應的疲勞荷載提高了70.31%。鋼纖維的摻入對RPC疲勞極限的影響較小，對疲勞荷載強度提升較大。原因在于鋼纖維的摻量摻入影響RPC疲勞性能的同時增加了其靜力抗壓強度，故對相應的疲勞荷載有顯著的提升。

5.2 應力—疲勞壽命曲線擬合

由雙對數疲勞方程可擬合得出不同鋼纖維摻量活性粉末混凝土立方體試件應力水平與疲勞壽命間函數關系，通過50%存活率下S—N關系可以對不同應力水平下活性粉末混凝土疲勞壽命進行預測，S—N關系如圖4所示。

擬合所得S—N曲線與混凝土疲勞曲線顯示，三種不同鋼纖維摻量活性粉末混凝土循環(huán)次數與應力水平成反比，隨著循環(huán)次數的增加，其對應的應力水平下降速率放緩；相同循環(huán)次數下3%鋼纖維摻量應力水平最高，1.5%摻量下的應力水平較低，0%摻量下的應力水平最低。

5.3 RPC疲勞性能分析

6 結語

1)鋼纖維的摻入可以提高活性粉末混凝土單軸受壓疲勞壽命，相對基準組1.5%鋼纖維摻量疲勞極限下對應的應力水平提高了15.77%，3%摻量對應的應力水平提高了29.28%；

2)活性粉末混凝土鋼纖維摻量的提高可提高其疲勞壽命的分布連續(xù)性；

3)同應力水平單軸受壓疲勞不同鋼纖維 摻量活性粉末混凝土疲勞壽命均優(yōu)于C50普通混凝土材料，活性粉末混凝土疲勞強度遠高于普通混凝土材料。