再生混凝土抗压疲劳剩余强度试验研究

2021-07-01常安琪张纪刚彭全敏

天津城建大学学报 2021年2期

常安琪，鹿群，b，王丽，张纪刚，彭全敏，c

（天津城建大学a.土木工程学院；b.天津市软土特性与工程环境重点实验室；c.天津市土木建筑结构防护与加固重点实验室，天津300384）

随着土木工程的发展，再生混凝土的应用越来越广泛.为了将再生混凝土安全可靠地应用于工程实践中，人们对再生混凝土的相关性能做了大量研究.但是这些研究主要集中在再生混凝土静荷载作用下的力学性能，如静力强度和变形等[1-6]，对动荷载作用下的性能研究相对较少.骆行文等[7]研究再生混凝土在循环动荷载作用下变形的发生和发展规律.肖建清等[8]研究表明残余应变法更能准确地反映再生混凝土的疲劳损伤演化规律.李宏等[9]建立了再生混凝土弹性模量与其疲劳强度的回归公式，肖建庄等[10-11]基于研究成果推导了再生混凝土疲劳寿命概率分布表达式和疲劳强度表达式，分析了不同粗骨料取代率、不同应力比情况下再生混凝土的疲劳强度变化规律；研究了取代率为100%的再生混凝土在疲劳荷载作用下的应变响应和疲劳损伤累积.Xiao等[12]对再生混凝土在单轴受压疲劳荷载下的剩余应变、疲劳应变和疲劳模量进行了分析，并研究了再生混凝土在弯曲疲劳荷载下的疲劳寿命.Yang和Wei[13]对钢纤维混凝土（SFRC）和钢纤维再生混凝土（SFRRC）进行了常应力幅弯曲疲劳试验，研究了剩余疲劳应变的发展规律，提出疲劳损伤方程.Thomas等[14]研究了不同水灰比下的粗骨料部分和全部取代再生混凝土和普通混凝土的刚度损失和疲劳寿命降低.综上，目前关于混凝土疲劳剩余强度的研究较少，尚未形成统一的认识.本文对比普通混凝土，探讨了再生混凝土（以下无特殊说明均指再生粗骨料取代率100%）的疲劳剩余强度衰减规律，以期为再生混凝土在疲劳荷载下的应用提供参考.

1 试验部分

1.1 试验材料及配合比

水泥采用唐山市筑成P.O 42.5级普通硅酸盐水泥，砂为普通天然河砂，拌合水采用天津市自来水，天然粗骨料为连续级配碎石，再生粗骨料为实验室废混凝土经颚式破碎机破碎而成.粗骨料基本性能见表1.

表1 粗骨料的基本性能

混凝土配合比如表2所示.普通混凝土配合比按照《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55—2011）设计，再生混凝土配合比在普通混凝土配合比的基础上，根据再生粗骨料的实测吸水率增加附加水用量，以使再生粗骨料由自然干燥状态达到饱和面干状态.

表2 混凝土配合比

1.2 试验设计及试验方法

两种配合比的混凝土经人工搅拌后分别制作20个100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块，24 h后拆模，在标准条件下养护28 d取出.普通混凝土和再生混凝土均每5个试块为一组，分4组进行如下试验.第1组进行静载抗压强度试验，目的是测定试块的初始抗压强度和初始割线模量，并计算概率分布.第2～4组在最大应力水平Smax=0.75和最小应力水平Smin=0.1下进行抗压疲劳试验，其中第2组疲劳至破坏，测定试块疲劳寿命，并计算疲劳寿命的概率分布和平均疲劳寿命.第3、4组分别疲劳加载至第2组5个试块平均疲劳寿命的20%～30%和50%～60%，然后卸载至零，随后进行轴压试验（即疲劳剩余强度试验），测定剩余强度和割线模量.

静载抗压试验及疲劳试验均在RMT-150C岩石力学试验系统上完成.加载时采用力控制方式，加载速率取5 kN/s，重复加载频率取1 Hz，最大应力水平取0.75，最小应力水平取0.1，正弦波等幅加载.

2 结果与分析

2.1 疲劳试验现象及结果

再生混凝土（recycled aggregateconcrete，简称RAC）和普通混凝土（natural concrete，简称NC）的疲劳破坏现象相似，如图1所示.随着疲劳加载次数的增加，试件表面先出现裂缝，然后裂缝不断增加、发展，最后裂缝贯通直至成为上下相连的四棱锥疲劳破坏，与其在静载作用下的破坏情况相同.

图1 再生混凝土疲劳破坏现象

普通混凝土和再生混凝土的疲劳寿命（Nf）、初始强度（σ0）与初始割线模量（Ec）、疲劳剩余强度（σr）与剩余割线模量（Er）分别见表3-6.表中数据按从小到大的顺序排列.由表可知：再生粗骨料取代率为100%的再生混凝土较同配合比的普通混凝土，其疲劳寿命降低17%；初始抗压强度和割线模量分别降低20%和9%；循环加载至疲劳寿命的20%～30%时的剩余强度和剩余割线模量分别降低21%和9%；循环加载至疲劳寿命的50%～60%时的剩余强度和剩余割线模量分别降低22%和10%.

表3 疲劳寿命

表4 初始强度和初始割线模量

表5 加载至疲劳寿命的20%～30%时的剩余强度和剩余割线模量

表6 加载至疲劳寿命的50%～60%时的剩余强度和剩余割线模量

2.2 正态分布参数

混凝土的疲劳过程实际是其强度衰减的过程，在这一过程中，疲劳荷载作用前混凝土的剩余强度为静载极限强度，当其强度因疲劳荷载作用衰减至疲劳荷载上限应力时，达到混凝土的疲劳寿命，混凝土结构失效.普通混凝土和再生混凝土的强度和疲劳寿命分别符合正态分布和对数正态分布[10-11，15]，一般的疲劳寿命数据都是用对数表示的.根据表3-6试验数据，计算普通混凝土和再生混凝土的初始强度、剩余强度和疲劳寿命的正态分布参数，结果见表7、表8.由表7可知，当疲劳加载次数达到疲劳寿命的50%～60%时，普通混凝土试件和再生混凝土试件的剩余强度分别降低3.8%、6.0%，强度衰减不多.

表7 初始强度和剩余强度的正态分布参数

表8 疲劳寿命的对数正态分布参数

2.3 剩余强度衰减模型

混凝土的剩余强度随循环加载次数的增大而减小，其衰减规律一般可用S-N或R-N曲线展现.为考虑不同失效概率，本文采用P-R-N曲线即带有失效概率的剩余强度衰减曲线，其中P为失效概率，R为剩余强度，N为疲劳次数.P-R-N曲线的绘制采用孟宪宏推荐的方法[15]：首先从理论上推导出R-N函数关系（即在应力水平S一定和P=50%情况下的R-N曲线），然后从试验中求得P-R关系（即在S一定和N一定情况下，求得疲劳剩余强度的概率分布），最后将R-N曲线和P-R曲线相结合得到P-R-N曲线.

根据上述理论，由表7-8中的均值与方差得到再生混凝土试件的P-R的关系式如下

利用公式（5）至公式（7）、公式（8）至（10）可以分别对经过不同疲劳加载次数后普通混凝土、再生混凝土的抗压剩余强度进行预测，并同时给出其相应的可靠度.从图2、图3可看出，再生混凝土的强度衰减较普通混凝土早期快而后期慢，临近疲劳寿命时，普通混凝土的剩余强度衰减曲线具有明显“突然死亡”的特点，而再生混凝土“突然死亡”的特点不明显.

图2 普通混凝土疲劳剩余强度衰减曲线

图3 再生混凝土疲劳剩余强度衰减曲线

2.4 剩余刚度衰减模型

本文以应力-应变曲线原点与50%极限应力点的割线模量的变化来描述混凝土的刚度变化.将表4-6中普通混凝土和再生混凝土的初始割线模量、剩余割线模量绘于图4、图5，利用Origin软件经两次拟合，可得普通混凝土和再生混凝土的剩余割线模量与剩余强度的关系式，即

图4 普通混凝土的剩余抗压强度与剩余割线模量的关系曲线

图5 再生混凝土的剩余抗压强度与剩余割线模量的关系曲线

式中：Er为剩余割线模量，GPa；σr为剩余强度，MPa；A、B为与疲劳加载次数n有关的系数.

从图4、图5可以看出，再生混凝土与普通混凝土一样，其剩余割线模量与剩余强度的平方根成线性关系.

由表4至表6中的割线模量平均值，以及由式（11）、式（12）推算出的P=0.50时疲劳寿命下的割线模量值，利用Origin软件，可拟合得到剩余割线模量Er与疲劳加载次数n之间的函数关系式.普通混凝土和再生混凝土的函数式分别为下式

普通混凝土与再生混凝土的剩余割线模量衰减曲线如图6-7所示.

图6 普通混凝土剩余割线模量衰减曲线

图7 再生混凝土剩余割线模量衰减曲线

由图6和图7可知，两种混凝土的割线模量即刚度均随加载次数的增大而下降，刚度衰减速度在早期很慢而后加快，临近疲劳寿命（加载至疲劳寿命的90%）时急剧降低.由式（13）、式（14）可知，再生混凝土的剩余割线模量衰减函数形式与普通混凝土相同，都可用半对数的形式表示.

2.5 疲劳损伤

混凝土在疲劳荷载作用下剩余强度将随疲劳损伤的积累而衰减，当剩余强度降低到疲劳荷载上限应力时发生疲劳破坏.为描述再生混凝土的疲劳损伤，用剩余强度定义混凝土的损伤变量为

式中：σ0，σr分别为初始强度和剩余强度，MPa；σmax为疲劳最大荷载应力，MPa.

分别用式（6）、式（9）和式（15），失效概率P=0.5时普通混凝土和再生混凝土的疲劳寿命Nf、初始强度σ0，采用描点法绘制两种混凝土以剩余强度定义得到的损伤发展曲线，如图8所示.

图8 损伤发展曲线

由图8可知，普通混凝土和再生混凝土的损伤发展大致呈现出以下三个阶段：在疲劳加载初期（约占疲劳寿命的10%～20%）损伤较小且发展速度较慢；中期（约占疲劳寿命的70%～80%）损伤发展速度逐渐加快；末期（约占疲劳寿命的10%）损伤急速线性增长并达到最大值.对比普通混凝土和再生混凝土，由于再生粗骨料常常含有大量微裂纹等初始缺陷，使得再生混凝土较早地显现出损伤，且在疲劳加载初期损伤发展速度大于普通混凝土.随着加载次数的增加，普通混凝土的损伤发展逐渐加快，大约在疲劳寿命的70%时，普通混凝土的损伤发展速度开始大于再生混凝土.随后二者的损伤差距逐渐缩小，最终导致图2中普通混凝土“突然死亡”的特点，其较图3中再生混凝土“突然死亡”的特点明显.