超高韧性水泥基复合材料疲劳裂纹扩展速率影响因素研究

2016-08-23王军阵郭琛

安徽建筑 2016年3期

关键词：高韧性覆盖面积幅值

王军阵，郭琛

（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速率影响因素研究

王军阵，郭琛

（山东科技大学土木工程与建筑学院，山东青岛 266590）

依据疲劳裂缝扩展规律的Paris公式，采用尺寸为80mm×150mm ×700mm和100mm×100mm×400mm及裂缝缝高为50mm和60mm的试件，进行试验探究裂纹扩展速率的相关影响因素，即荷载幅值、缝高比等对裂纹的扩展速率的影响。结果表明：荷载幅值、缝高比等因素都对疲劳裂纹的扩展有较大影响，同时得出疲劳裂缝覆盖面积A的变形趋势与最大CMOD基本趋于一致，随着荷载循环次数的增加呈现出五阶段发展。

疲劳试验；裂缝扩展速率；影响因素

1　研究背景

超高韧性水泥基复合材料（UHTCC）是由水泥、水、增强纤维、精细骨料以及粉煤灰和硅灰等活性矿物掺合料组成的新型工程材料，具有多缝开裂的特征，是一种新型的高性能纤维水泥基复合材料。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[1]，对基体裂缝的扩展有很好的抑制作用，从而探究UHTCC疲劳裂缝的扩展的影响因素具有重要作用。目前国内外大量学者对UHTCC的疲劳断裂进行了研究，由美国学者 Li的研究，可知UHTCC的断裂是一种“延性断裂”[2]。吴智敏采用等幅疲劳荷载方式加载，对混凝土试件疲劳裂纹扩展进行研究，即超高韧性水泥基复合材料的开裂模式为多条细密裂纹，裂缝分散能力较强，所以大大降低了裂缝扩展的速率，正是由于UHTCC多缝开裂模式，其断裂又称为“延性断裂”[3]，同时研究了混凝土试件缝高比对裂缝扩展的影响[4]。再有刘问博士对UHTCC的疲劳裂纹扩展进行了研究，即研究UHTCC的裂缝扩展依据Paris公式比较恰当，同时给出了疲劳过程中，UHTCC的裂缝覆盖面积随荷载循环呈现的关系[5]，本研究根据非线性断裂力学对尺寸为80mm×150mm×700mm和100mm×100mm× 400mm，预制裂缝缝高为50mm和60mm的试件进行研究，看能否确定荷载幅值、缝高比等对裂纹扩展速率的影响，以及疲劳裂缝覆盖面积A的变形趋势与最大CMOD是否基本趋于一致。

2　试验概况

采用常用三点弯曲加载试验，试件尺寸为80mm ×150mm×700mm和100mm×100mm×400mm，即C、D两种尺寸，水泥基体配合比为：水泥∶砂子∶粉煤灰∶水=1∶1.2∶0.8∶0.58，PVA纤维体积掺量为2%，初始缝高比为0.33、0.4两种。

UHTCC疲劳裂缝扩展实验和计算参数　表1

3　实验结果分析

已知荷载幅值、载荷顺序、环境和加载频率等都因素对疲劳裂纹的扩展有较大影响[6]。根据不同缝高比试件的荷载幅值与裂纹扩展速率的变化情况，如图1所示。随着加载条件荷载幅值Pa的增大，单个荷载循环的疲劳裂缝速率dA/dN大体是呈现升高趋势。对于缝高比不同的试件，缝高比小（0.33）的试件，其荷载幅值可变化范围较大，其疲劳裂纹扩展速率的dA/dN变化比较大，其升高的趋势比较明显。对于缝高比大（0.4）的试件，其荷载幅值可变化范围相对较小，其疲劳裂纹扩展速率的变化较小，其升高的趋势相对减弱。因此荷载幅值对疲劳裂纹扩展的速率dA/dN影响作用较为明显，随着荷载幅值的增大，疲劳裂纹扩展速率也增大，反之，则降低。

图1　疲劳裂纹扩展速率dA/dN随荷载幅值Pa的变化情况

由于在低的加载频率条件下，试件中的初始裂缝、孔隙和缺陷在裂纹尖端有足够的作用时间促使裂纹加速扩展[7]。即加载设备限制的原因，没有对加载频率的较宽范围进行实验，所以对于加载频率对于疲劳裂纹扩展速率的影响作用有多明显，本实验没有得到。

根据表1可看出，当试件的荷载幅值相近时，如C-5、D-1和D-2试件，其荷载幅值均为2.7kN，缝高比为0.33的试件，疲劳裂纹扩展速率dA/dN为0.001211，而缝高比为0.4的试件，疲劳裂纹扩展速率dA/dN为0.00264和0.001385，均比缝高比0.33的试件有所增高增大。由此可得，试件的预制切口深度越大，即缝高比越大，试件的疲劳裂纹扩展速率dA/dN越大。

4　UHTCC试件在重复荷载作用下表现出延性特征

图3示出试件在动态断裂作用下最大CMOD与试件表面裂缝覆盖面积随荷载循环的变化过程，裂缝覆盖面积A的变化趋势与最大CMOD基本趋于一致，裂缝宽度随循环次数的变化趋势如图2，变化呈五阶段发展：（Ⅰ）变形较快发展阶段；（Ⅱ）缓慢变形阶段；（Ⅲ）变形稳定扩展阶段；（Ⅳ）主裂缝扩展阶段；（Ⅴ）断裂破坏阶段。