弯拉疲劳荷载损伤对蒸养混凝土动力特性的影响

马小伟

摘要：为了研究弯拉疲劳荷载对混凝土动力特性的影响，对经受疲劳荷载作用前后的混凝土动力特性进行了测试，并研究了蒸养混凝土和标养混凝土的差异。结果表明：（1）有限次弯拉疲劳荷载作用对混凝土产生永久性的损伤，应力水平越高、疲劳次数越多，混凝土动弹性模量、动剪切模量降低的幅度越大。（2）同一应力水平、同一弯拉疲劳次数下，蒸养混凝土比标养混凝土的损伤要大。（3）混凝土泊松比的离散性比较大，可以认为混凝土泊松比不受弯拉疲劳荷载的影响。

关键词：蒸养混凝土;疲劳荷载;动力特性;动弹性模量

0 前言

实际的混凝土结构在服役过程中，除了承受静态荷载以外，在众多的场合下往往还要承受动态荷载的影响，如桥梁、铁路轨枕等，混凝土的动态力学特性和静态力学特性有着比较明显的差异，而这些差异在一定条件下往往决定着结构的安全性和可靠性。自从Abram[1]在1917年发现混凝土具有应变率效应以来，人们进行了混凝土轴压、轴拉等各种受力形式的动态性能研究[2-3]，以及EPS、钢纤维[4-5]等各种改性混凝土的动态性能研究。但以往对混凝土动态受压、受拉研究较多，循环加载相对较少;同时，大多研究主要集中在混凝土动态强度及变形方面，关于动态加载过程中的损伤发展规律研究较少;另外，对蒸养混凝土动态性能的研究也较少。

本文通过试验研究了经受弯拉疲劳荷载作用前后的蒸养混凝土的动力特性，并对蒸养混凝土和普通混凝土的试验结果进行了比较。

1 试验方案设计

1.1原材料及配合比

试验采用P.O42.5级普通硅酸盐水泥，比表面积350m2/kg，密度3.10g/cm3。粗骨料为5～20mm连续级配石灰石碎石。细骨料采用细度模数2.62，Ⅱ区级配合格河砂。试验成型100×100×100 mm3的试件用于测试混凝土抗压强度，成型100×100×400 mm3的试件用于弯拉疲劳加载，配合比和静力抗压抗折强度见表1。

采用标准养护和蒸汽养护两种养护制度，标养试件在成型24h后置于温度20±1℃、相对湿度RH>95%的标准养护室进行养护。蒸养试件采用的养护制度为：常温静停2h，升温2h，恒温8h，降温1h，恒温温度为60±5℃，蒸养完毕后置于标准养护室养护。为了减少混凝土龄期对试验的影响，所有试件养护60天以上。

1.2循环荷载加载程序

试验采用MTS电液伺服疲劳试验机，试件尺寸100×100×400mm3，三点受力加载，试件两个端部分别离支座50mm，中间弯曲段间距300mm，即50+300+50mm的布置形式。

试验采用应力控制方式，连续正弦波形，等幅连续加载，频率12Hz。为了避免长时间试验可能出现的零点漂移引起脱空对试件产生冲击作用，设置连续正弦波最小荷载Pmin为最大荷载Pmax的10%，即荷载循环特征值Ρ = Pmin / Pmax= 0.1，最大应力水平分别取静力极限弯拉强度的50%、60%和70%，最大加载次数15万次。同一加载工况重复测试3个混凝土试件，取测试结果的平均值。

1.3 动力特性测试方法

混凝土动弹性模量、动剪切模量采用美国Emodumeter动弹模量测试仪进行测试。

混凝土泊松比计算公式如下：

式中：E，G——试件的动弹性模量和动剪切模量

进一步引入混凝土动弹性（剪切）模量变化率作为混凝土的损伤度指标：

式中：D为混凝土损伤度;E（x）为经历一定疲劳次数后混凝土动弹性模量;E0为疲劳试验前混凝土动弹性模量。

1 试验结果及分析

2.1弯拉疲劳荷载损伤对混凝土动弹性模量的影响

2.1.1 不同弯拉疲劳次数后混凝土动弹模量见表2。从图1可见，随着疲劳次数的增加，混凝土损伤逐步累积，动弹模量减少率及损伤度明显增大。动弹模量在荷载循環1万次之前，比1～15万次之间的减少率要快得多。所以，混凝土损伤累积的速度与加载次数之间并非单一的线性关系，而是存在明显的阶段性特点，而这正好与混凝土疲劳应变的三阶段特性[6]相一致：

第一阶段是混凝土内部裂缝形成的阶段。受荷前混凝土内部存在界面微小裂缝，在开始加载的阶段，随着荷载循环次数的增加，水泥石和粗骨料结合处以及水泥砂浆内部的薄弱区迅速产生大量的微裂缝，宏观表现是混凝土纵向总应变和残余变形发展较为迅速。由于此阶段微裂缝的快速发展，混凝土动弹性模量减少的幅度也较大。第一阶段相对较短，约占总疲劳寿命的10%左右。0～1万次区间范围内应包含了该初始阶段。

当薄弱区微裂缝的形成基本完成以后，混凝土内微裂缝的发展进入第二阶段，也就是应变稳定增长阶段。本阶段混凝土内部损伤呈线性累积，纵向应变、残余应变均随荷载循环次数的增加而增加，增长速度相对缓慢且基本为定值。此时的内部损伤主要是水泥砂浆中所形成的裂缝的积累以及原有微裂缝的扩展所造成的。这个阶段约占整个加载寿命的75%～80%。图1基本呈现了阶段二的规律特征。

第三阶段为应变急剧不稳定增长直到试件破坏的阶段，此阶段约占整个加载寿命的10%～15%。该阶段混凝土的变形速率增长较快，从耐久性的角度而言，已没有实际意义，本试验所做疲劳次数尚未到达此阶段。

2.1.2 混凝土动弹模量减少率随应力水平的变化如图2所示，应力水平对混凝土动弹模量减少率的影响非常明显，随着应力水平的增加，动弹模量减少率越大。

2.1.3 由图1可得，相比标养混凝土而言，在同一应力水平及弯拉疲劳次数下，蒸养混凝土的动弹模量减少率更大。究其原因，可能是混凝土在蒸养过程中尤其是升温过程中其内部的气相和液相受热膨胀，对混凝土内部结构产生应力作用;同时，在混凝土蒸养升温过程中，水、气发生的转移会造成混凝土中产生定向孔隙;此外，蒸养过程中水泥水化速度比标准养护时要快，短期内生成大量水化产物，在一定程度上阻碍了水泥的后期水化。因为这些原因，导致了蒸养混凝土在疲劳荷载作用下动弹模量减少得更快，损伤扩展得更快。

2.2 弯拉疲劳荷载损伤对混凝土动态剪切模量的影响

不同弯拉疲劳次数后混凝土动剪切模量见表3。从图3和图4可以看出，与动弹模量变化规律相似，随着疲劳次数和应力水平的增加，混凝土动剪切模量减少率越来越大，蒸养混凝土比标养混凝土减少得要快。

2.3弯拉疲劳荷载损伤对混凝土泊松比的影响

表4是标准养护和蒸汽养护两种混凝土在不同疲劳次数下的泊松比，其变化范围为0.22～0.25，离散性比较大，变化趋势不明显，可以认为，泊松比不受疲劳荷载的影响。

3 结语

3.1 弯拉疲劳荷载导致了混凝土内部微裂缝的扩展和连通，混凝土经历疲劳荷载后损伤增加明显。应力水平越高，混凝土动弹模量、动剪切模量减少得越快。

3.2 随着弯拉疲劳荷载次数的增加，混凝土动弹性模量、动剪切模量的变化出现明显的阶段性特征，在疲劳应变发展的第一阶段比第二阶段减少得要快。

3.3 随着弯拉疲劳荷载次数和应力水平的增加，蒸养混凝土的损伤速度要大于标养混凝土。

3.4 弯拉疲劳荷载对混凝土泊松比的影响不明显，可以认为混凝土泊松比不受疲劳荷载的影响。

参考文献：

[1] Abrams D.A. Effect of rate of Application of Load on the compressive strength of concrete. ASTMJ，1917，17：364-377.

[2] 孙吉书.混凝土动态受压力学特性的试验研究与数值分析[J].河北工业大学学报，2012，41（3）：73-77.

[3] 窦远明.动态荷载作用下混凝土受拉性质的研究[J].混凝土，2012（2）：1-3.

[4] 巫绪涛.EPS混凝土的动态抗压强度和吸能特性[J].振动与冲击，2013，32（17）：133-137.

[5] 王立成.钢纤维轻骨料混凝土抗冲击性能试验研究与统计分析[J].大连理工大学学报，2010，50（4）：557-563.

[6] 宋玉普.混凝土结构的疲劳性能及设计原理[M].北京：机械工业出版社，2006.