邵晉彪，柳紅衛(wèi)，王林浩，高海靜

(1.山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 山西 太原 037003； 2.太原理工大學(xué)， 山西 太原 037003； 3.北京市豐臺區(qū) 王佐鎮(zhèn)人民政府， 北京 100074)

近年來高強(qiáng)混凝土成為混凝土材料發(fā)展的一個重要方向，國內(nèi)外已有很多對高溫后高強(qiáng)混凝土力學(xué)性能的研究[1-8]。在實(shí)際工程中,許多混凝土結(jié)構(gòu)如海洋平臺、核電站安全殼、橋梁等在正常使用期間都會承受浪、核、車輛等循環(huán)荷載作用，目前國內(nèi)外對高溫后高強(qiáng)混凝土疲勞性能的研究鮮有報(bào)道[9]。

使用PA-500電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)對高溫后C60混凝土進(jìn)行低周往復(fù)單軸受壓疲勞試驗(yàn)，溫度工況包括不同受熱溫度：常溫、300℃、600℃、900℃及不同恒溫時間：0.5 h、1 h、2 h、3 h，每組試塊加溫至指定溫度后分別恒溫。定義疲勞變形模量比為損傷變量，建立了高溫后C60混凝土材料單軸受壓疲勞損傷模型，為火災(zāi)地震后等復(fù)雜工況下高強(qiáng)混凝土構(gòu)筑物的損傷鑒定打下基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方法

以C60混凝土為試驗(yàn)材料制作標(biāo)準(zhǔn)試塊，用于確定混凝土的靜力抗壓強(qiáng)度，減摩后試塊的強(qiáng)度平均值fc,T=49.6 MPa。高溫試驗(yàn)器材采用箱式電阻爐，高溫后采取室溫冷卻方式[9]；疲勞試驗(yàn)器材采用電液伺服疲勞機(jī)，應(yīng)力水平Smin=0.10～Smax=0.80、0.85、0.90；數(shù)據(jù)采集器材采用GTC450全數(shù)字電液伺服控制器[10]。

2 結(jié)果及分析

2.1 高溫現(xiàn)象與分析

經(jīng)不同受熱溫度與恒溫時間組合工況的C60混凝土試塊冷卻后，可以明顯看出升溫至300℃前整體試塊的外表色澤與未受熱(常溫)試塊外表色澤一樣、幾乎無變化；當(dāng)C60混凝土升溫至300℃后再恒溫1 h，C60混凝土試塊外表色澤與常溫試塊的顏色對比非常明顯——呈現(xiàn)鐵銹紅色，如圖1(a)直至恒溫3 h鐵銹紅色消失[11]，混凝土外表面出現(xiàn)少量肉眼可見的細(xì)微裂縫。隨著受熱溫度與恒溫時間的增長，C60混凝土材料中氫氧化三鐵元素分解，試塊表面色澤由紅色轉(zhuǎn)變?yōu)闇\白色，600℃時可以看到C60混凝土試塊表面裂縫增加但未貫通，整體伴有少量掉皮、掉角情況出現(xiàn)；在升溫過程中個別試塊會發(fā)生爆裂現(xiàn)象；加溫至900℃，C60混凝土試塊外表色澤與未受熱(常溫)試塊的青灰色對比特別明顯逐漸變淺，由灰白色變?yōu)榘咨以噳K表面出現(xiàn)大量多且寬的裂縫、甚至貫通，整體試塊掉皮、掉角現(xiàn)象嚴(yán)重，高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)較松散易碎，見表1。

表1 C60混凝土高溫現(xiàn)象

C60混凝土經(jīng)不同的受熱溫度與恒溫時間的組合工況后已有可視細(xì)微裂縫，如圖2所示，在此基礎(chǔ)上不斷加壓直至峰值荷載，C60混凝土試塊發(fā)生脆性破壞，在此過程中還伴隨有很強(qiáng)的劈裂聲。其主要原因是：C60混凝土水泥膠凝體的強(qiáng)度值很接近于粗骨料的強(qiáng)度值，與普通混凝土相比大不同，使得C60混凝土的裂縫發(fā)展已無法受到粗骨料的束縛(粗骨料對裂縫的發(fā)展有約束與緩沖作用)；隨著C60混凝土所受壓力的增加，試塊內(nèi)部將會積蓄巨大的能量，當(dāng)達(dá)到峰值荷載時將會迅速釋放，以至于試塊的裂縫發(fā)展難以準(zhǔn)確估量，可以明顯地看到C60混凝土試塊最終被劈裂成多個小柱體，這個結(jié)論與文獻(xiàn)[12-13]的試驗(yàn)結(jié)果一致。

2.2 高溫疲勞壽命

經(jīng)過300℃、600℃、900℃與不同恒溫時間組合工況的C60混凝土試塊在單軸受壓循環(huán)荷載下的疲勞壽命如表2所示，以疲勞壽命均值的對數(shù)值作為相應(yīng)工況下的疲勞平均壽命[14-15]。

表2 C60混凝土疲勞試驗(yàn)結(jié)果

注[9]： P-3-0.5表示：C60混凝土疲勞試驗(yàn)-高溫300℃-恒溫0.5 h。

S-N曲線方程[16]常被用來表征混凝土的疲勞強(qiáng)度問題通，S-N曲線方程定量的描述了應(yīng)力水平S和疲勞壽命N之間的關(guān)系，如式(1)所示；對表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸得式(2)，各式的相關(guān)系數(shù)分別為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)

試驗(yàn)中與本文相同，其方程為：

Smax=0.9177-0.0356lgN

(5)

通過式(5)[17](普通混凝土單軸疲勞最小應(yīng)力水平與)計(jì)算疲勞荷載循環(huán)次數(shù)達(dá)N=2×106時，經(jīng)300℃、600℃、900℃與不同恒溫時間的組合工況下C60混凝土的疲勞強(qiáng)度折減系數(shù)分別為0.576、0.676和0.697。綜合分析經(jīng)過300℃、600℃、900℃高溫與不同恒溫時間的組合工況下S-N曲線，建立了便于在實(shí)際高強(qiáng)混凝土工程中直接應(yīng)用且包括不同高溫組合工況的綜合性統(tǒng)一疲勞強(qiáng)度計(jì)算數(shù)學(xué)表達(dá)式；T表示C60混凝土的受熱溫度，t表示C60混凝土的恒溫時間，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 高溫疲勞損傷分析

2.3.1 高溫彈性模量

(7)

(8)

由圖3可知，隨著C60混凝土受熱溫度升高、恒溫時間增長，C60混凝土高溫彈性模量的變化趨勢為下降狀態(tài)，900℃時已下降至70%。高強(qiáng)混凝土的彈性模量會隨著恒溫時間的增加而減小，更明顯的是受熱溫度的變化相比恒溫時間的變化對高強(qiáng)混凝土彈性模量的影響。

2.3.2 高溫疲勞變形模量

定義變形模量為式(9)[19]，式中C60混凝土高溫組合工況下最大疲勞應(yīng)力、C60混凝土高溫組合工況下最小疲勞應(yīng)力、C60混凝土高溫組合工況下最大應(yīng)變值、C60混凝土高溫組合工況下最小總應(yīng)變值，分別為σmax、σmin、εmax、εmin；高溫組合工況下各應(yīng)力水平C60混凝土疲勞變形模量比與相對疲勞次數(shù)關(guān)系模型如圖4所示：

(9)

由圖4可知，受熱溫度的高低、恒溫時間的長短、應(yīng)力水平的大小都將直接影響高溫后C60混凝土的疲勞變形模量值。具體表現(xiàn)為C60混凝土隨著受熱溫度升高、恒溫時間增長、應(yīng)力水平增加，其疲勞變形模量的變化趨勢為下降狀態(tài)。

對圖4進(jìn)行非線性回歸，得到經(jīng)300℃、600℃、900℃與不同恒溫時間的組合工況下高強(qiáng)混凝土疲勞變形模量的回歸方程形式為：

dt+e

(10)

在綜合分析經(jīng)300℃、600℃、900℃與不同恒溫時間的組合工況、各種應(yīng)力水平，提出了便于工程實(shí)際應(yīng)用、綜合考慮不同高溫等組合工況后的統(tǒng)一高強(qiáng)混凝土疲勞變形模量計(jì)算表達(dá)式，其相關(guān)系數(shù)為0.9138，可見具有良好的線性關(guān)系：

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

(11)

2.3.3 高溫疲勞損傷模型

經(jīng)300℃、600℃、900℃與不同恒溫時間組合工況的C60混凝土疲勞變形模量比隨著循環(huán)加載次數(shù)的增多呈減小的趨勢，表現(xiàn)出較強(qiáng)的規(guī)律性，則高強(qiáng)混凝土疲勞損傷程度可以此作為度量(0，1)[20]。定義高溫后C60混凝土的疲勞損傷用其疲勞變形模量的變化幅值來表示，如式(12)所示：

(12)

通過式(11)、式(12)，可以預(yù)測出經(jīng)300℃、600℃、900℃與不同恒溫時間的組合工況下C60混凝土的疲勞平均壽命值，與高溫后C60混凝土往復(fù)低周單軸受壓疲勞壽命相對誤差分布如表4所示。

表4 不同高溫組合工況下C60混凝土疲勞壽命相對誤差

注：P-X-X表示：疲勞試驗(yàn)-加溫溫度-恒溫時間。

由表4可知，有超過75%的數(shù)據(jù)的相對誤差絕對值小于30%，由此可見經(jīng)300℃、600℃、900℃與不同恒溫時間的組合工況下C60混凝土的疲勞剩余壽命預(yù)測值很滿意。

3 結(jié) 論

(1) 高溫后高強(qiáng)混凝土的色澤逐漸變淺。隨著受熱溫度的升高與恒溫時間的增長，高強(qiáng)混凝土試塊外表色澤呈青灰色-鐵銹紅-灰白色的漸變過程，試塊表面出現(xiàn)裂縫直至貫通。

(2) 高溫后高強(qiáng)混凝土的疲勞壽命、靜態(tài)彈性模量與疲勞變形模量均隨受熱溫度與恒溫時間的變化而變化，整體呈反比的趨勢。受熱溫度的變化相比恒溫時間對高強(qiáng)混凝土彈性模量的影響更顯著。

(3) 以疲勞變形模量比為損傷變量建立了高溫后高強(qiáng)混凝土往復(fù)低周受壓疲勞損傷模型，為火災(zāi)地震等復(fù)雜工況下高強(qiáng)混凝土構(gòu)、建筑物的損傷鑒定打下基礎(chǔ)。