高温后C60混凝土往复低周受压疲劳性能研究

邵晋彪，柳红卫，王林浩，高海静

(1.山西工程职业技术学院, 山西 太原 037003； 2.太原理工大学， 山西 太原 037003； 3.北京市丰台区 王佐镇人民政府， 北京 100074)

近年来高强混凝土成为混凝土材料发展的一个重要方向，国内外已有很多对高温后高强混凝土力学性能的研究[1-8]。在实际工程中,许多混凝土结构如海洋平台、核电站安全壳、桥梁等在正常使用期间都会承受浪、核、车辆等循环荷载作用，目前国内外对高温后高强混凝土疲劳性能的研究鲜有报道[9]。

使用PA-500电液伺服疲劳试验机对高温后C60混凝土进行低周往复单轴受压疲劳试验，温度工况包括不同受热温度：常温、300℃、600℃、900℃及不同恒温时间：0.5 h、1 h、2 h、3 h，每组试块加温至指定温度后分别恒温。定义疲劳变形模量比为损伤变量，建立了高温后C60混凝土材料单轴受压疲劳损伤模型，为火灾地震后等复杂工况下高强混凝土构筑物的损伤鉴定打下基础。

1 试验方法

以C60混凝土为试验材料制作标准试块，用于确定混凝土的静力抗压强度，减摩后试块的强度平均值fc,T=49.6 MPa。高温试验器材采用箱式电阻炉，高温后采取室温冷却方式[9]；疲劳试验器材采用电液伺服疲劳机，应力水平Smin=0.10～Smax=0.80、0.85、0.90；数据采集器材采用GTC450全数字电液伺服控制器[10]。

2 结果及分析

2.1 高温现象与分析

经不同受热温度与恒温时间组合工况的C60混凝土试块冷却后，可以明显看出升温至300℃前整体试块的外表色泽与未受热(常温)试块外表色泽一样、几乎无变化；当C60混凝土升温至300℃后再恒温1 h，C60混凝土试块外表色泽与常温试块的颜色对比非常明显——呈现铁锈红色，如图1(a)直至恒温3 h铁锈红色消失[11]，混凝土外表面出现少量肉眼可见的细微裂缝。随着受热温度与恒温时间的增长，C60混凝土材料中氢氧化三铁元素分解，试块表面色泽由红色转变为浅白色，600℃时可以看到C60混凝土试块表面裂缝增加但未贯通，整体伴有少量掉皮、掉角情况出现；在升温过程中个别试块会发生爆裂现象；加温至900℃，C60混凝土试块外表色泽与未受热(常温)试块的青灰色对比特别明显逐渐变浅，由灰白色变为白色，且试块表面出现大量多且宽的裂缝、甚至贯通，整体试块掉皮、掉角现象严重，高强混凝土结构较松散易碎，见表1。

表1 C60混凝土高温现象

C60混凝土经不同的受热温度与恒温时间的组合工况后已有可视细微裂缝，如图2所示，在此基础上不断加压直至峰值荷载，C60混凝土试块发生脆性破坏，在此过程中还伴随有很强的劈裂声。其主要原因是：C60混凝土水泥胶凝体的强度值很接近于粗骨料的强度值，与普通混凝土相比大不同，使得C60混凝土的裂缝发展已无法受到粗骨料的束缚(粗骨料对裂缝的发展有约束与缓冲作用)；随着C60混凝土所受压力的增加，试块内部将会积蓄巨大的能量，当达到峰值荷载时将会迅速释放，以至于试块的裂缝发展难以准确估量，可以明显地看到C60混凝土试块最终被劈裂成多个小柱体，这个结论与文献[12-13]的试验结果一致。

2.2 高温疲劳寿命

经过300℃、600℃、900℃与不同恒温时间组合工况的C60混凝土试块在单轴受压循环荷载下的疲劳寿命如表2所示，以疲劳寿命均值的对数值作为相应工况下的疲劳平均寿命[14-15]。

表2 C60混凝土疲劳试验结果

注[9]： P-3-0.5表示：C60混凝土疲劳试验-高温300℃-恒温0.5 h。

S-N曲线方程[16]常被用来表征混凝土的疲劳强度问题通，S-N曲线方程定量的描述了应力水平S和疲劳寿命N之间的关系，如式(1)所示；对表2中的数据进行线性回归得式(2)，各式的相关系数分别为0.816、0.869和0.968。

Smax=A-BlgN

(1)

S300,max=0.9864+0.0581t-(0.0652-0.0987t)lgN

(2)

S600,max=1.0511+0.0571t-(0.0595-0.0133t)lgN

(3)

S900,max=1.0777+0.1954t-(0.0603-0.0138t)lgN

(4)

试验中与本文相同，其方程为：

Smax=0.9177-0.0356lgN

(5)

通过式(5)[17](普通混凝土单轴疲劳最小应力水平与)计算疲劳荷载循环次数达N=2×106时，经300℃、600℃、900℃与不同恒温时间的组合工况下C60混凝土的疲劳强度折减系数分别为0.576、0.676和0.697。综合分析经过300℃、600℃、900℃高温与不同恒温时间的组合工况下S-N曲线，建立了便于在实际高强混凝土工程中直接应用且包括不同高温组合工况的综合性统一疲劳强度计算数学表达式；T表示C60混凝土的受热温度，t表示C60混凝土的恒温时间，即0.5 h～3.0 h：

ST,max=1.0384-0.001T+0.1035t-(0.0617+0.0001T-0.1419t)lgNR2=0.89 20℃≤T≤900℃

(6)

2.3 高温疲劳损伤分析

2.3.1 高温弹性模量

(7)

(8)

由图3可知，随着C60混凝土受热温度升高、恒温时间增长，C60混凝土高温弹性模量的变化趋势为下降状态，900℃时已下降至70%。高强混凝土的弹性模量会随着恒温时间的增加而减小，更明显的是受热温度的变化相比恒温时间的变化对高强混凝土弹性模量的影响。

2.3.2 高温疲劳变形模量

定义变形模量为式(9)[19]，式中C60混凝土高温组合工况下最大疲劳应力、C60混凝土高温组合工况下最小疲劳应力、C60混凝土高温组合工况下最大应变值、C60混凝土高温组合工况下最小总应变值，分别为σmax、σmin、εmax、εmin；高温组合工况下各应力水平C60混凝土疲劳变形模量比与相对疲劳次数关系模型如图4所示：

(9)

由图4可知，受热温度的高低、恒温时间的长短、应力水平的大小都将直接影响高温后C60混凝土的疲劳变形模量值。具体表现为C60混凝土随着受热温度升高、恒温时间增长、应力水平增加，其疲劳变形模量的变化趋势为下降状态。

对图4进行非线性回归，得到经300℃、600℃、900℃与不同恒温时间的组合工况下高强混凝土疲劳变形模量的回归方程形式为：

dt+e

(10)

在综合分析经300℃、600℃、900℃与不同恒温时间的组合工况、各种应力水平，提出了便于工程实际应用、综合考虑不同高温等组合工况后的统一高强混凝土疲劳变形模量计算表达式，其相关系数为0.9138，可见具有良好的线性关系：

0.4927(N/Nf)+0.0001T+0.0739t+0.4524

(11)

2.3.3 高温疲劳损伤模型

经300℃、600℃、900℃与不同恒温时间组合工况的C60混凝土疲劳变形模量比随着循环加载次数的增多呈减小的趋势，表现出较强的规律性，则高强混凝土疲劳损伤程度可以此作为度量(0，1)[20]。定义高温后C60混凝土的疲劳损伤用其疲劳变形模量的变化幅值来表示，如式(12)所示：

(12)

通过式(11)、式(12)，可以预测出经300℃、600℃、900℃与不同恒温时间的组合工况下C60混凝土的疲劳平均寿命值，与高温后C60混凝土往复低周单轴受压疲劳寿命相对误差分布如表4所示。

表4 不同高温组合工况下C60混凝土疲劳寿命相对误差

注：P-X-X表示：疲劳试验-加温温度-恒温时间。

由表4可知，有超过75%的数据的相对误差绝对值小于30%，由此可见经300℃、600℃、900℃与不同恒温时间的组合工况下C60混凝土的疲劳剩余寿命预测值很满意。

3 结 论

(1) 高温后高强混凝土的色泽逐渐变浅。随着受热温度的升高与恒温时间的增长，高强混凝土试块外表色泽呈青灰色-铁锈红-灰白色的渐变过程，试块表面出现裂缝直至贯通。

(2) 高温后高强混凝土的疲劳寿命、静态弹性模量与疲劳变形模量均随受热温度与恒温时间的变化而变化，整体呈反比的趋势。受热温度的变化相比恒温时间对高强混凝土弹性模量的影响更显著。

(3) 以疲劳变形模量比为损伤变量建立了高温后高强混凝土往复低周受压疲劳损伤模型，为火灾地震等复杂工况下高强混凝土构、建筑物的损伤鉴定打下基础。