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
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。
5 实验结论
①加载条件中的荷载幅值Pa对疲劳裂纹扩展的速率dA/dN影响作用最为明显。荷载幅值最为明显。荷载幅值越大,疲劳裂纹扩展速率dA/dN越大,反之,则越小。当荷载幅值相近时,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。
图2 裂缝宽度随循环次数的变化趋势
图3 裂缝覆盖面积A和最大CMOD随加载循环次数的演化曲线
②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也呈现出五阶段发展。
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[8]Li V C,Hashida T.Engineering Ductile Fracture in Brittle-Matrix Composites[J].Journal ofMaterialsScienceLetters,1993,12(12):898-901.
TU599
A
1007-7359(2016)03-0078-02
10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.03.026
王军阵(1991-),男,山东菏泽人,山东科技大学在读硕士,研究方向:混凝土。