超高韧性水泥基复合材料疲劳裂纹扩展规律研究

刘伟生，王军阵

（山东科技大学土木工程与建筑学院，山东 青岛 266590）



超高韧性水泥基复合材料疲劳裂纹扩展规律研究

刘伟生，王军阵

（山东科技大学土木工程与建筑学院，山东 青岛 266590）

采用尺寸为80mm×150mm×700mm和100mm×100mm× 400mm预制裂缝缝高为50mm和60mm的试件，对不同缝高比的梁体进行疲劳试验，依据疲劳裂缝扩展规律的Paris公式，对UHTCC不同缝高比试件的疲劳裂纹扩展规律进行试验研究和计算。结果表明：大尺寸试件的疲劳裂纹扩展门槛值ΔJth小于小尺寸试件，相同尺寸试件的缝高比越大，疲劳裂纹扩展门槛值越低，并计算出了缝高比为0.33、0.4试件的疲劳裂缝扩展速率的计算方法。

疲劳试验；J积分；裂纹扩展速率

0　前言

UHTCC将普通混凝土在荷载下的单一裂缝形式转变为多条细密裂纹的模式，与普通混凝土相比超高韧性水泥基复合材料在抗裂性、耐久性、抗冲击性方面都有较大改善，并且对基体裂缝的扩展有很好的抑制作用，从而在提高钢筋混凝土结构使用性能方面具有广阔的应用前景。破坏时表现出具有裂缝细小和多点开裂的特征，裂缝间距仅为1～2mm[1]，UHTCC的微小裂缝在卸载后大部分会自动愈合。Kabde和Horii[2]提出了短纤维增强水泥基材料的断裂分析简单模型，并用有限元分析和试验结果验证了该模型的有效性。吴智敏采用等幅疲劳荷载方式加载，对混凝土试件的缝高比对疲劳裂纹扩展的影响进行研究，得出结论：缝高比对试件亚临界扩展的过程有明显的影响，缝高比越小，亚临界扩展量越大，混凝土的初始裂缝尺寸与试件尺寸对裂缝扩展速率也有一定的影响[3]。

1　实验概况

1.1实验准备与实验数据采集方法

UHTCC在动态断裂荷载作用下的疲劳裂纹扩展的实验研究，采用三点弯曲加载试验，试件尺寸为80mm×150mm×700mm、100mm×100mm×400mm，C试件有大小两种尺寸，D试件只有大尺寸，水泥基体配合比为：水泥∶砂子∶粉煤灰∶水=1∶1.2∶0.8∶0.58，进口PVA纤维体积掺量为2%，初始缝高比为0.33、0.4两种。为了消除养护龄期对疲劳性能的影响[4]，试件在室内环境下放置至少3个月。静载实验采用位移控制，加载速度为0.1mm/min，疲劳试验采用荷载控制，加载波采用无间歇的正弦波，加载示意图如图1，试件的加载参数如表1所示。

UHTCC动态断裂实验的加载条件　表1

图1　实验装置图

DH5922动态采集系统中的采集频率为5HZ，当试件开始疲劳时，根据前人经验疲劳初期阶段试件表面裂纹、变形发展较快。所以对试件的前5000次疲劳进行数据保存。为保证采取的数据点能显示出饱满的正弦曲线形状，一个周期要保证采取的点数大于等于32个。所以在疲劳加载的过程中，采用的DH5922动态采集系统采样频率为50HZ，当试件的变形大约处于稳定阶段时，对事件的疲劳次数大约隔1000次保存一次数据。

1.2实验现象

UHTCC疲劳加载下重要特征就是产生多条细密裂缝和出现了准应变硬化现象。在重复荷载的作用下当第一条裂缝出现后，由于纤维存在桥连应力的作用，对应试件的承载能力经历瞬间下降后马上恢复，裂纹宽度基本稳定在一个很细的水平上，与第一条裂纹的宽度大体一致，随着荷载循环次数的增加，试件上呈现出大体均匀分布的多条细密裂缝，每条裂缝形状蜿蜒，而不是直上直下的，每条裂缝的宽度大体接近，产生的位置与时间没有规律可循，当裂缝间基体内嵌固纤维所提供的桥连应力不足以抵抗循环荷载时，新裂缝就不再产生，而原裂缝则不断变宽，直到某一条裂缝发生局部扩展[5]。如图2是静载下C、D试件下断裂能与荷载的曲线关系，随着弯曲荷载的增加断裂能逐渐增加，且增加的幅度越来越大。

图2　断裂能与荷载的曲线关系

1.3实验结果分析

本研究根据P-CMOD曲线计算试件的J积分断裂能，当最小荷载Pmin小于2kN，最小荷载产生的断裂能可以忽略其对dA/dN的影响[2]。有公式：

对于UHTCC疲劳裂纹扩展门槛值的分析，在实验过程中采用对试件C-7、D-5进行疲劳加载20万次，在实验过程中通过观察试件表面并未出现主裂缝，CMOD进入稳定阶段后无明显扩展。如图3所示试件并未破坏，停止加载随后进行静载破坏，测得疲劳后进行静载加载破坏的C-7、D-5极限承载力分别为7.66kN、6.74kN，与平均极限承载力相差不大，所以可认为此试件的荷载水平处于裂纹扩展门槛值以下，断裂能临界值ΔJth[6]作为疲劳裂缝不扩展的门槛值。

图3　试件最大CMOD与荷载循环关系发展曲线

根据数据结果分析可知，对于缝高比均为0.4的80mm×150mm×700mm和100mm×100mm×400mm的尺寸试件，大试件尺寸的断裂能临界值ΔJth为0.288 kJ/m2小于小试件尺寸的断裂能临界值ΔJth为0.432kJ/m2。从而得知，大尺寸试件的疲劳裂缝扩展门槛值ΔJth小尺寸试件。对于相同尺寸试件，从图2中查得，缝高50mm试件5kN所对应的为0.354kJ/m2，缝高60mm试件4.5kN所对应的Jmax为0.288kJ/m2。分析可知，对于同种尺寸（80mm×150mm×700mm）缝高比越大，疲劳裂纹扩展展门槛值ΔJth越小，0.288 kJ/m2（0.4）小于0.353kJ/m2（0.33）。

2　疲劳裂纹扩展公式参数的确定

计算疲劳裂纹公式（1）的参数时，将该式进行对数变换。

根据图2查得各最大疲劳荷载值Pmax所对应的Jmax，根据公式（2）进行数据拟合，得到公式的C 和m值。图4所示不同缝高比试件疲劳裂纹扩展速率dA/dN的对数与Jmax对数关系和拟合直线。

图4　log[dA/dN]-log（Jmax）的实验关系与拟合曲线

从图4可知两者的线性关系很接近，缝高比为0.33试件的拟合直线公式为：

线性相关系数为r=0.949，参数logC=-8.789，参数C=1.6255×10-9，m=1.241。

缝高比为0.4试件的拟合直线公式为：

线性相关系数为r=0.960，参数logC=-9.145，参数C=0.71614×10-9，m=0.986。

将上述参数代入（2）公式，则得到缝高比为0.33试件的疲劳裂缝扩展速率函数关系为：

缝高比为0.4试件的疲劳裂缝扩展速率函数为：

根据图表与函数关系式可以得出缝高比越大，疲劳裂缝扩展速率随着断裂能J积分的增长增速越快。

3　试验结论

①断裂能临界值ΔJth作为超高韧性水泥基复合材料UHTCC的疲劳裂缝不扩展的门槛值，根据数据结果分析可知：大尺寸试件的疲劳裂缝扩展门槛值JΔth小于小尺寸试件。相同尺寸试件的缝高比越大，疲劳裂纹扩展门槛值ΔJth越低。

②基于Paris公式，本文计算出了试件尺寸80mm ×150mm×700mm的疲劳裂纹扩展公式。并且缝高比越大，疲劳裂缝扩展速率随着断裂能J积分的增长增速越快。

[1]李贺东，徐世烺.超高韧性水泥基复合材料弯曲性能及韧性评价方法[J].土木工程学报，2010，43（3）：32-33.

[2]Kabele P，Horii H.Analytical Model for Fracture Behaviors of Pseudo Strain-Hardening Cementitious Composites[J].Journal of Materials，ConcreteStructuresandPavements，1996，30（2）：209-219.

[3]Li V C，Hashida T.Engineering Ductile Fracture in Brittle-Matrix Composites[J].Journal of Materials Science Letters，1993，12（12）：898-901.

[4]易成.局部高密度钢纤维混凝土疲劳、断裂性能及结构应用研[D].哈尔滨：哈尔滨建筑大学，2000.

[5]Mihashi H，deBarrosleiteJ P，Yamakoshi S Y，etal.ControllingFracture Toughness of Matrix with Mica Flake Inclusions toDesign Pseudo-Ductile FiberReinforcedCementitiousComposites[J].EngineeringFracture Mechanics，2007，74（1-2）：210-222.

[6]戴建国，黄承逵，赵国藩.混凝土中非结构性裂缝分析及合成纤维控制[J].建筑结构，2000（9）：56-59.

TU599

A

1007-7359(2016)03-0068-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.03.023

国家自然科学基金（51108151）；江苏省土木工程材料重点实验室开放基金资助项目；国家重点基础研究发展计划（973计划）资助项目（2009CB623203）；河北省自然科学基金（E2012202097）。

刘伟生（1991-），男，山东菏泽人，山东科技大学在职研究生，研究方向：结构工程。