活性粉末混凝土疲劳后剩余抗压强度试验研究

文章编号:1000󰀂6869(2011)01󰀂0082󰀂06

第32卷第1期2011年1月Vol󰀁32No󰀁1Jan󰀁2011

011

活性粉末混凝土疲劳后剩余抗压强度试验研究

余自若,安明喆,郑帅泉

1

1

2

(1.北京交通大学土木建筑工程学院,北京100044;2.华锐风电科技(集团)股份有限公司,北京100872)

摘要:为研究经受疲劳荷载作用后活性粉末混凝土(RPC)的剩余抗压强度变化规律,对3组共24个RPC圆柱体试件,进行

疲劳试验研究。通过静载试验建立RPC抗压强度和谐振频率之间的关系,推算出各疲劳试件的初始抗压强度;在此基础上,对RPC试件进行轴压单级和两级疲劳加载试验,并实测试件在疲劳荷载作用一定次数后的剩余抗压强度。实测结果表明:RPC在单级疲劳后剩余抗压强度的衰减率随循环寿命比的增大而减小,而衰减速率则随着循环寿命比的增大而增大。根据实测值得到RPC单级和两级疲劳加载后剩余抗压强度衰减率与循环寿命比之间关系的拟合公式,计算结果与实测结果吻合良好。

关键词:活性粉末混凝土;疲劳试验;疲劳性能;剩余抗压强度中图分类号:TU528󰀁572󰀁TU317󰀁1󰀁󰀁文献标志码:A

Experimentalstudyonresidualcompressivestrengthof

RPCunderfatigueloading

YUZiruo,ANMingzhe,ZHENGShuaiquan

(1.SchoolofCivilEngineering,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China;

2.SinovelWindCo.,Ltd,Beijing100872,China)

1

1

2

Abstract:Inordertoinvestigatetheevolutionlawofresidualcompressivestrengthforreactivepowderconcrete(RPC)underfatigueloading,thefatiguetestswerecarriedout.24cylinderswerecastfortestinganddividedinto3groups.BymeasuringthecompressivestrengthofsomeRPCspecmiens,therelationshipbetweeninitialcompressivestrengthandresonancefrequencywasestablishedfirstly.Onthatbasis,

theconstantamplitudeandtwo󰀂stage

amplitudefatiguetestswerecarriedandtheresidualcompressivestrengthofRPCspecmiensweremeasuredafterfatigue.Expermientalresultsshowthattheattenuationofpost󰀂fatigueresidualcompressivestrengthofRPCdecreasedwithincreaseofrecycleratio.Ontheotherhand,theattenuationrateincreasedwithincreaseofrecycleratio.Anfittingformulaabouttheattenuationofpost󰀂fatigueresidualcompressivestrengthandrecycleratiowasdeduced.Thecalculatedvalueswhichcomefromfittingformulaareingoodagreementwithmeasuredvalues.Keywords:reactivepowderconcrete;fatiguetest;fatiguebehavior;residualcompressivestrength

基金项目:国家自然科学基金项目(50778021)。

作者简介:余自若(1980󰀂󰀁),女,贵州兴义人,工学博士,讲师。E󰀂mai:lzryu@bjtu󰀁edu󰀁cn收稿日期:2009年9月

82表1󰀁试件分组

0󰀁引言

分组

试件编号

Table1󰀁Groupingofspecmiens

编号!∀

加载方案

试验目的建立RPC初始抗压强

试件数量8772

活性粉末混凝土(reactivepowderconcrete,以下简称RPC)是由法国BOUYGUES公司的Richard等

[1]

!󰀂1~!󰀂8静载至破坏∀󰀂1~∀󰀂7#󰀂1~#󰀂7

于1993年仿高致密水泥基均匀体系DSP

[2]

度与谐振频率的关系

单级疲劳加载获得RPC的最大应力至破坏单级疲劳加载后测抗压强度后测抗压强度

研究RPC疲劳后剩余

两级疲劳加载抗压强度的衰减规律

水平󰀂寿命曲线

(densifiedsystemcontaininghomogenouslyarrangedultra󰀂fineparticle)材料研发出的一种新的高性能、高韧性水泥基复合材料,由细石英砂、水泥、硅灰等掺合料,细钢纤维,高效减水剂,拌合水等组成。通过提高组分的细度与活性,使材料内部的缺陷减到最少,以获得超高强度与高耐久性应用研究表明

[6󰀂8]

[3󰀂5]

#

#󰀂8~#󰀂9

。目前对RPC的

水泥/kg&m-3708

表2󰀁RPC材料配合比

Table2󰀁MixproportiondesignofRPC

&m-3钢纤维/高性能硅粉/细石英砂/kg水/

减水剂/

kg&m-3粗kg&m-3kg&m-3中细-3

kg&m

16035771417816074122

,在实际工程中用RPC代替普通混

凝土,可有效减少结构构件的截面尺寸与配筋量,提

高其耐久性与安全性。

RPC以其优异的力学性能拓展了混凝土结构的应用领域,在土木、核电、市政、海洋等工程及军事设施中都有着广泛的应用前景。而这些领域中的结构物如吊车梁、桥梁、海洋平台、核反应堆安全壳等,在其服役期间承受较大的重复荷载作用。在疲劳荷载作用下,材料内部的损伤不断增加,性能不断恶化,导致材料抵抗外荷载的能力下降

[9]

试件采用自制的5mm厚高强硬质塑料管模进行立式浇筑,管模高度为250mm,浇筑后将圆柱体上、下两端各截去20mm,取中间的相对密实和均匀的区段,即有效高度210mm作为轴压疲劳试件,保证试件上、下端面平行且与纵向轴心线垂直。1󰀁2󰀁试验设备及加载方案

试验对各组试件分别进行了静载抗压试验和轴压疲劳试验(其中疲劳试验分单级疲劳加载和两级疲劳加载)。静载试验依靠YA󰀂3000电子液压式压力试验机进行;疲劳试验采用MTS电液伺服万能疲劳试验机进行,采用MTS作动器对试件施加轴向疲劳荷载。试验中的应变和荷载通过MEGADAC5000数据采集系统进行数据采集。加载装置示意见图1。

,所以了解疲劳

过程中混凝土剩余强度的衰减规律显得尤为重要。本文对RPC圆柱体试件进行单级和两级疲劳加载试验,测量试件经受疲劳荷载作用后的剩余抗压强度。以试验为基础,对RPC疲劳后剩余抗压强度的衰减率进行研究,并根据实测值给出RPC单级和两级疲劳加载后剩余抗压强度衰减率与循环寿命比之间关系的经验式。

1󰀁试验概况

1󰀁1󰀁试件设计

由于RPC抗压强度高,考虑到试验机的量程,将试件取为圆柱体(

70 210),共制作24个相同的

圆柱体试件,根据测试内容不同,分为3组(以组号!、∀、#区分),分别测定试件的初始抗压强度、疲劳寿命(疲劳加载至破坏时的循环次数)和疲劳加载后的剩余抗压强度。试件分组情况及试验目的详见表1。试件以∃组号+试件号%的形式进行编号,如∃∀󰀂4%表示第∀种加载方案下的第4个试件。

RPC试件制作所用的原材料和配合比见表2。其中,水泥为42󰀁5级普通硅酸盐水泥;硅灰粒径在2󰀁m以下,平均粒径为0󰀁31󰀁m左右;高性能减水剂为新型非萘系高性能减水剂AN󰀂3000;钢纤维采用特制细圆表面镀铜钢纤维,直径0󰀁22mm,长度12~15mm。

图1󰀁疲劳试验加载示意Fig.1󰀁Loadingsystemoffatiguetest

疲劳荷载的加载频率为3Hz,加载波形采用正弦波形,见图2。其中,图2a为试件∀󰀂1~∀󰀂7和#󰀂1~#󰀂7的疲劳加载方案(不同的是试件∀󰀂1~∀󰀂7疲劳加载至试件破坏,试件#󰀂1~#󰀂7疲劳加载一定次数

83后即停机测量剩余抗压强度),图2b为试件#󰀂8的加载方案(加载幅值由低到高),图2c为试件#󰀂9的加载方案(加载幅值由高到低)。

压强度,在加载试验前先采用动弹模仪测量每个无损试件的谐振频率V。根据第!组试件的静载抗压强度f实测结果、通过f=A&VV之间的关系强度试验。

第!组试件的强度和频率实测结果见表3,回归分析得到材料常数A值为3󰀁298 10,拟合方程

-11

[10]

3󰀁7

来建立RPC的f和

。在此基础上,对第∀组试件进行

疲劳寿命试验、对第#组试件进行疲劳后剩余抗压

(a)加载幅值不变

(方程的相关系数R=0󰀁9884)为:

f=3󰀁298 10

-11

&V

3󰀁7

(1)

表3󰀁抗压强度实测值与计算值Tabel3󰀁Measuredvaluesandcalculatedvaluesof

compressivestrength

试件编号!󰀂1(b)加载幅值由低到高

!󰀂2!󰀂3!󰀂4!󰀂5!󰀂6!󰀂7!󰀂8

谐振频率V/Hz24222443246424812518244024692508

实测值110󰀁30114󰀁32116󰀁18119󰀁13125󰀁94112󰀁42117󰀁42124󰀁59

抗压强度f/MPa式(1)计算值实测值/计算值

109󰀁51113󰀁13116󰀁73119󰀁78126󰀁56114󰀁32124󰀁37118󰀁53

1󰀁0071󰀁0110󰀁9950󰀁9950󰀁9960󰀁9830󰀁9441󰀁051

(c)加载幅值由高到低

从表3可以看出,试验测得8个试件的抗压强度均值为117󰀁54MPa,标准差为5󰀁525MPa,说明数据离散性不大,结果可靠。实测值/计算值在0󰀁944~1󰀁051之间,表明利用式(1)得到的抗压强度f的计算值与实测值吻合良好,说明用该方法确定试件的初始抗压强度较为准确。故可在不损伤试件的情况下,利用式(1)推算第∀组和第#组各试件的初始强度,具体推算值见表4~6。2󰀁2󰀁试件疲劳寿命推算

表4给出了第∀组试件的实测疲劳寿命N1。表中的f1,max为对试件施加的最大疲劳应力,取试验机加载稳定后的实际读数。

表4󰀁RPC的疲劳寿命Table4󰀁FatiguelifeofRPC

试件编号∀󰀂1∀󰀂2∀󰀂3∀󰀂4∀󰀂5∀󰀂6∀󰀂7

f/MPa116󰀁73109󰀁51113󰀁13111󰀁79114󰀁83112󰀁38109󰀁98

f1,max/MPa

84󰀁2880󰀁9384󰀁1787󰀁7699󰀁5699󰀁23102󰀁39

S1,max0󰀁7220󰀁7390󰀁7440󰀁7850󰀁8670󰀁8830󰀁931

N1/次

实测值20498110921526794152959󰀁612󰀁285

式(2)计算值

27405183081628964291149󰀁836󰀁334

图2󰀁疲劳试验加载方案

Fig.2󰀁Loadpatternsoffatiguetests

图2中,Si,max为第i级加载时的最大应力水平,定义为第i级加载时的最大应力fi,max与RPC初始抗压强度f之比,试验时Si,max控制在0󰀁7~0󰀁9范围内,fi,max由试验机加载稳定后的实际读数确定;ni为第i级加载时的实际循环次数;Ni为第i级加载时试件的疲劳寿命。

本文仅研究在疲劳荷载下限保持不变的情况下,改变荷载上限和疲劳循环次数对RPC疲劳后剩余强度的影响,故疲劳荷载下限保持为20kN,由此各试件的最小应力水平Smin在0󰀁045~0󰀁048之间。1󰀁3󰀁量测内容

试验主要量测内容如下:∋对所有试件量测谐振频率V;(对第!组试件量测抗压强度;)对第∀组试件量测疲劳寿命;∗对第#组量测疲劳循环次数及疲劳后剩余抗压强度。

2󰀁试验结果

2󰀁1󰀁初始强度推算

为了能准确地评定每个RPC试件的初始抗压强度,采用无损检测方法反推单个RPC试件的初始抗

根据表4中S1,max与N1的试验结果,采用幂函数模型lgS1,max=a-blgN1(a、b为材料常数)

[11]

,给出

84圆柱体RPC试件的最大应力水平󰀂疲劳寿命拟合关系,即S1󰀂N1曲线(相关系数R=0󰀁9578)为:

lgS1,max=0󰀁1146-0󰀁0577lgN1

󰀁󰀁相应的RPC的S1󰀂N1拟合曲线如图3所示。

(2)

为了描述RPC疲劳后剩余抗压强度的衰减规律,定义第i级疲劳荷载作用下RPC剩余强度的衰减率Ci

[12]

3󰀁RPC疲劳后剩余抗压强度衰减率

为:

Ci=

(3)

fir-fi,max

f(i-1)r-fi,max

3󰀁1󰀁单级疲劳后剩余抗压强度的衰减率抗压强度的衰减率C1为:

C1=

图3󰀁RPC的S1󰀂N1曲线Fig.3󰀁

S1󰀂N1curveofRPC

按式(3)的定义,单级疲劳荷载作用下RPC剩余

f1r-f1,max

f-f1,max

(4)

󰀁󰀁根据式(4)可计算出#󰀂1~#󰀂7各试件的C1试验值,见表7。

图4为单级疲劳后剩余抗压强度的衰减率C1与循环寿命比n1/N1的关系。从图中可以看出,RPC的单级疲劳后剩余抗压强度的衰减率随循环寿命比的增大而减小。

从表4可以看出,单级加载下试件疲劳寿命N1

的计算值与实测值吻合良好,故可将第∀组试件试验得到的式(2)用于预测第#组试件在不同应力水平疲劳荷载作用下的疲劳寿命,具体推算值分别见表5~6。

2󰀁3󰀁疲劳后剩余抗压强度

表5和表6列出了第#组RPC试件在经历过i级疲劳荷载作用、但未破坏时的试件剩余抗压强度实测值fir。表中的f1,max和f2,max分别为第一级和第二级加载时,试验机对试件施加的最大疲劳荷载;ni/Ni为循环寿命比,即同级荷载加载次数与荷载作用下RPC疲劳寿命的比值,试验时ni/Ni控制在0~1范围内。

表5󰀁RPC单级疲劳后剩余抗压强度Table5󰀁ResidualcompressivestrengthofRPC

aftersingle󰀂stagefatigueloading

试件编号#󰀂1#󰀂2#󰀂3#󰀂5#󰀂6#󰀂7

MPa

117󰀁9288󰀁44110󰀁2376󰀁17122󰀁1996󰀁77118󰀁4784󰀁71113󰀁0686󰀁49112󰀁8581󰀁36f/MPa

f1,

max

图4󰀁单级疲劳荷载下的RPC剩余强度的衰减率

Fig.4󰀁Decayrateofresidualstrengthunder

single󰀂stagefatigueloading

/

S1,max0󰀁7500󰀁6910󰀁7920󰀁7790󰀁7150󰀁7650󰀁721

n1/次N1/次1000026000

1417359374

n1/N10󰀁7060󰀁4380󰀁9070󰀁9490󰀁1230󰀁9940󰀁556

f1r/MPa115󰀁32109󰀁10118󰀁25109󰀁79118󰀁29101󰀁02111󰀁42

对图4上的散点进行拟合,得到C1和n1/N1的关系式(相关系数R=0󰀁9928)为:

C1=1󰀁022+0󰀁091ln1-n1

󰀁(n13244628071

10000100554

#󰀂4116󰀁7790󰀁96

󰀁󰀁根据式(5)得到的C1计算值见表7,可以看出计算值与试验值较为接近,试验值/计算值在0󰀁971~1󰀁049之间。因此在没有剩余抗压强度实测结果的情况下,可用式(5)直接由循环寿命比n1/N1求出相

表6󰀁RPC两级疲劳后剩余抗压强度

Table6󰀁ResidualcompressivestrengthofRPCaftertwo󰀂stagefatigueloading

试件编号#󰀂8#󰀂9

f/MPa118󰀁53117󰀁02

f1MPa,max/83󰀁2196󰀁13

S1,max0󰀁7020󰀁771

f2,max/MPa90󰀁2281󰀁68

S2,max0󰀁8110󰀁698

n1/次200005000

N1/次445938782

n2/次300028100

N2/次365549236

n1/N10󰀁4490󰀁569

n2/N20󰀁8210󰀁571

f2r/MPa109󰀁72106󰀁81

85表7󰀁剩余抗压强度的衰减率

Table7󰀁Reducingrateofresidualcompressivestrength

试件编号#󰀂1#󰀂2#󰀂3#󰀂5#󰀂6#󰀂7

f1r/MPa

f/MPa

f1,max/MPa

C1

n1/N10󰀁706

0󰀁4380󰀁9070󰀁9490󰀁1230󰀁9940󰀁556

试验值计算值0󰀁9120󰀁9670󰀁8450󰀁7290󰀁9950󰀁5470󰀁955

0󰀁9110󰀁9690󰀁8060󰀁7511󰀁0100󰀁5560󰀁948

试验值/计算值1󰀁0010󰀁9981󰀁0490󰀁9710󰀁9850󰀁9841󰀁007

试件编号#󰀂8#󰀂9

n1/N1

表8󰀁

C2的计算值与试验值比较testvalueofC2

Fig.8󰀁Comparisonofcalculatedvalueand

C2

试验值/计算值1󰀁0211󰀁057

115󰀁32117󰀁9288󰀁44

109󰀁10110󰀁2376󰀁17118󰀁25122󰀁1996󰀁77118󰀁29118󰀁4784󰀁71101󰀁02113󰀁0686󰀁49111󰀁42112󰀁8581󰀁36

n2/N20󰀁8210󰀁571

C1

f1r/

MPa试验值计算值

0󰀁7160󰀁821

0󰀁4490󰀁569

0󰀁968117󰀁390󰀁7310󰀁945115󰀁880󰀁868

#󰀂4109󰀁79116󰀁7790󰀁96

4󰀁结论

(1)RPC的疲劳后剩余抗压强度的衰减率随循环寿命比的增大而减小,衰减速率随着循环寿命比的增大而增大。

(2)根据试验数据得到了RPC疲劳后剩余抗压强度的衰减率拟合公式,计算结果与试验结果吻合良好。

参󰀁考󰀁文󰀁献

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应的剩余抗压强度衰减率C1,进而按式(4)求得f1r。据此可推算两级加载试件#󰀂8和#󰀂9的f1r值,详见表8。

由式(5)得到RPC的单级疲劳后剩余抗压强度的衰减速率为:

C1=

+

dC10󰀁091

=󰀁󰀁(n1(6)

式(6)为n1/N1的增函数,可见随着循环寿命比的增加,衰减速率不断增大。

3󰀁2󰀁两级疲劳后剩余抗压强度的衰减率

按式(3)计算第二级疲劳荷载作用下的剩余强度衰减率C2为:

f2r-f2,max

C2=

f1r-f2,max

󰀁󰀁根据RPC疲劳损伤连续发展的规律应满足以下边界连续条件:

(8)

由此得到:

dC20󰀁091

=󰀁󰀁(n2(9)

󰀁󰀁将式(9)积分,并利用初始条件n2/N2=0时C2=1得到:

n20󰀁091C2=1+ln(1-)󰀁󰀁(n2n1N2

(1-)N1

(10)

󰀁󰀁表8列出了由式(7)确定的C2的试验值与式(10)确定的C2的计算值,从表中可以看出,C2的试验值/计算值分别为1󰀁021和1󰀁057,说明试验结果与计算结果吻合良好。

[13]

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