李化建，趙國(guó)堂，高 亮，溫家馨

(1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044；2.中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司，北京 100084；3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 高速鐵路軌道系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

高速鐵路、重載鐵路、城際鐵路等鐵路混凝土結(jié)構(gòu)服役期間除受抗壓、抗彎等靜載外,還要承受列車疲勞荷載作用。在疲勞荷載及環(huán)境侵蝕因素的耦合作用下,混凝土內(nèi)部損傷累積易導(dǎo)致鐵路結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞開(kāi)裂破壞,影響結(jié)構(gòu)的耐久性和列車運(yùn)行安全性[1-4]。從損傷累積的角度來(lái)看,混凝土的疲勞損傷過(guò)程是在循環(huán)荷載作用下裂縫產(chǎn)生、擴(kuò)展、恢復(fù)的過(guò)程,骨料和砂漿間的粘結(jié)裂縫和砂漿內(nèi)部的微裂縫貫穿,繼而形成連續(xù)的宏觀缺陷,最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的服役性能下降[5]。

裂縫與混凝土結(jié)構(gòu)的服役性能直接相關(guān)且易于觀測(cè),可根據(jù)裂縫恢復(fù)與擴(kuò)展的形式判斷疲勞荷載下?lián)p傷的累積過(guò)程,因此,以裂縫為混凝土結(jié)構(gòu)疲勞性能損傷的評(píng)價(jià)依據(jù)是目前的常用方法[6-8]。同時(shí),變形[9-10]和殘余強(qiáng)度[3,11]等宏觀性能也被用于疲勞性能的評(píng)價(jià)。但由于混凝土組成多樣、疲勞荷載作用復(fù)雜等原因,根據(jù)宏觀性能評(píng)價(jià)的方法無(wú)法觀測(cè)疲勞損傷在混凝土內(nèi)積累的現(xiàn)象,且存在人為因素影響大、可重復(fù)性差、結(jié)果離散性大等缺點(diǎn)。無(wú)損檢測(cè)可解決宏觀性能作為疲勞性能評(píng)價(jià)參數(shù)所存在的問(wèn)題,常用無(wú)損檢測(cè)參數(shù)包括超聲波、聲發(fā)射及電信號(hào)等。朱勁松等[12]通過(guò)對(duì)100 mm×100 mm×100 mm混凝土試塊進(jìn)行疲勞加載并測(cè)量其超聲波速的變化,得出疲勞加載后混凝土的損傷情況。Noorsuhada等[13]使用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)混凝土梁拉伸裂縫和剪切裂縫進(jìn)行檢測(cè),發(fā)現(xiàn)裂縫隨著荷載的增加成比例擴(kuò)展。Suchorzewsk等[14]將銅片插入混凝土以測(cè)量其電阻率,并以電阻率的相對(duì)值對(duì)混凝土內(nèi)部狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià),結(jié)果表明動(dòng)載作用下混凝土的相對(duì)電阻率呈現(xiàn)周期變化,相對(duì)電阻率隨內(nèi)部缺陷發(fā)展呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì),且在即將破壞前激增。除上述方法外,沖擊彈性波在混凝土損傷檢測(cè)中的應(yīng)用也越來(lái)越受到重視[15]。沖擊彈性波具有頻率低(2～4 Hz)、波長(zhǎng)長(zhǎng)(1～2 m)和穿透性強(qiáng)的特點(diǎn),且沖擊彈性波波速在混凝土內(nèi)部缺陷處發(fā)生變化,通過(guò)分析其變化規(guī)律即可確定結(jié)構(gòu)的完整性及缺陷的位置[16]。相關(guān)研究證明,沖擊彈性波在混凝土力學(xué)性能與缺陷檢測(cè)中具有較好的精度[17-18]。孫其臣等[19]使用沖擊彈性波波速計(jì)算混凝土動(dòng)彈模量,并通過(guò)波速損失反映因凍融循環(huán)造成的混凝土動(dòng)彈模損失。李化建等[20]提出了基于沖擊彈性波波速的混凝土動(dòng)態(tài)損傷變量的測(cè)試方法,為混凝土動(dòng)態(tài)性能細(xì)觀損傷定量評(píng)價(jià)提供了新思路。

目前沖擊彈性波檢測(cè)多應(yīng)用于水工、民建等強(qiáng)度等級(jí)較低的混凝土中,以檢測(cè)其力學(xué)性能及內(nèi)部缺陷,尚缺少在鐵路高強(qiáng)度等級(jí)混凝土疲勞性能方面的研究?；诖?本文提出以沖擊彈性波作為評(píng)價(jià)參數(shù)的疲勞性能評(píng)價(jià)方法,定義了基于彈性波波速的損傷變量;對(duì)比靜態(tài)加載和抗折疲勞下?lián)p傷變量的變化規(guī)律,驗(yàn)證該方法的可行性;研究疲勞荷載下不同強(qiáng)度等級(jí)、不同飽水狀態(tài)混凝土沖擊彈性波波速的變化規(guī)律,證明該方法的適用性;結(jié)合鐵路混凝土疲勞損傷特征,確定鐵路混凝土疲勞損傷臨界狀態(tài)判定指標(biāo)。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥:北京金隅集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,其化學(xué)組成及主要性能見(jiàn)表1和表2。

表1 水泥化學(xué)組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

表2 水泥主要性能

粉煤灰:元寶山電廠F類Ⅰ級(jí)粉煤灰,密度為2.25 g/cm3,主要參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 粉煤灰主要參數(shù) %

礦渣粉:河北唐山唐龍新型建材有限公司生產(chǎn)的S95級(jí)礦渣粉,密度為2.81 g/cm3。

骨料:細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)2.8、級(jí)配Ⅱ區(qū)的天然河砂;粗骨料為5～10 mm、10～20 mm連續(xù)級(jí)配石灰?guī)r碎石。

減水劑:聚羧酸系高性能減水劑,減水率27%,固含量40%。

拌和水:自來(lái)水,符合混凝土拌和用水的規(guī)定。

1.2 配合比

設(shè)計(jì)水膠比為0.40、0.27和0.23的三組混凝土,配合比見(jiàn)表4,編號(hào)分別為C1、C2、C3?？刂菩掳杌炷撂涠葹?160±20) mm,含氣量為(3±1)%。攪拌成型后置于溫度(20±5) ℃的室內(nèi)養(yǎng)護(hù)24 h,拆模后將混凝土試件置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。

表4 混凝土配合比 kg/m3

1.3 試驗(yàn)方法

力學(xué)性能試驗(yàn):按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[21]測(cè)試混凝土抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度,每組3個(gè)試件。試驗(yàn)測(cè)得C1、C2、C3混凝土28 d齡期抗壓強(qiáng)度分別為48.4、65.4、80.1 MPa,抗折強(qiáng)度分別為5.5、6.4、7.8 MPa,軸心抗壓強(qiáng)度分別為45.8、63.7、78.7 MPa。

靜載試驗(yàn):參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[21],對(duì)100 mm×100 mm×100 mm抗壓強(qiáng)度試件和100 mm×100 mm×400 mm抗折強(qiáng)度試件分別加載至荷載率為0.2、0.4、0.6、0.8和1.0后卸載,測(cè)試其沖擊彈性波波速。定義荷載率R為

R=f/fc

(1)

式中:f為實(shí)際荷載,MPa;fc為峰值荷載,MPa。

疲勞試驗(yàn):采用SUNS-890電液伺服動(dòng)靜萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗折疲勞試驗(yàn)。每組試驗(yàn)需3個(gè)試件,試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm,應(yīng)力水平為0.6,應(yīng)力下限為1 kN,加載頻率為5、10、15、20 Hz,讀取加載端位移數(shù)據(jù)。

沖擊彈性波試驗(yàn):按照J(rèn)GJ/T 411—2017《沖擊回波法檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》[22]中沖擊回波法的檢測(cè)要求,使用混凝土多功能無(wú)損測(cè)試儀測(cè)量試件的沖擊彈性波(P波)波速,測(cè)試原理見(jiàn)圖1(a)。測(cè)試選用直徑為17 mm不銹鋼球做激振錘;受信點(diǎn)位于端面中心,沿端面對(duì)角線布置4個(gè)激振點(diǎn),每個(gè)激振點(diǎn)至少激振5次以保證能夠拾取有效數(shù)據(jù),見(jiàn)圖1(b)和圖1(c)。

圖1 沖擊彈性波波速測(cè)試原理及方法

斷面圖像分析:根據(jù)混凝土斷面中骨料斷裂、漿體斷裂和砂漿-骨料界面斷裂三種主要破壞形式的差異,采用Image Pro Plus軟件將斷面圖像轉(zhuǎn)換為8位灰度圖像,然后進(jìn)行圖像計(jì)算分析。其中,砂漿-骨料界面斷裂后兩側(cè)形貌明顯不同,且在光學(xué)顯微鏡下,界面光滑且顏色均勻,可根據(jù)此特點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別。此外,砂漿-骨料界面斷裂的比例可根據(jù)界面斷裂面積/總面積進(jìn)行計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于沖擊彈性波波速的損傷變量

沖擊彈性波在穿過(guò)混凝土內(nèi)部缺陷表面時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射和透射,導(dǎo)致波速衰減,決定其反射量和透射量的因素是物體與媒質(zhì)分界面兩側(cè)物質(zhì)的聲阻抗率的大小?；炷羶?nèi)反射波和透射波速度的計(jì)算式為

(2)

(3)

式中:vin、vre和vtr分別為入射波、反射波和透射波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度;Zs、Zsi分別為入射介質(zhì)和反射介質(zhì)的阻抗率,kg/m2·s;n為介面數(shù)。當(dāng)混凝土內(nèi)部存在缺陷時(shí),其內(nèi)部以空氣和水充填,混凝土、水和空氣的阻抗率分別為7～10、0.5、0.4 kg/m2·s[18]。

結(jié)合式(2)和式(3)可知,當(dāng)混凝土內(nèi)部存在缺陷時(shí),其沖擊波波速會(huì)產(chǎn)生衰減,且缺陷數(shù)量越多衰減越明顯,但混凝土缺陷情況與波速不存在簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由沖擊彈性波波速所定義的損傷變量應(yīng)基于以下原則:

(1)具有明確的數(shù)學(xué)和物理意義。

(2)為量化評(píng)價(jià)疲勞損傷情況,以損傷參數(shù)的相對(duì)值來(lái)定義損傷變量,避免絕對(duì)值的離散性。

(3)結(jié)果易于測(cè)量且有明顯變化。

動(dòng)彈性模量與混凝土自身的結(jié)構(gòu)性能密切相關(guān),能反映出局部破損與剛度損失,且混凝土動(dòng)彈性模量Ed與沖擊彈性波波速v有直接關(guān)系,即

(4)

式中:ρ、μ分別為密度、泊松比。

泊松比和密度在混凝土損傷過(guò)程中變化較小,根據(jù)線性損傷累積理論,通過(guò)相對(duì)動(dòng)彈模量定義的損傷變量D為

(5)

式中:Ed0為疲勞試驗(yàn)前動(dòng)彈性模量,GPa;EdT為疲勞試驗(yàn)后動(dòng)彈性模量,GPa;vd0為疲勞試驗(yàn)前沖擊彈性波波速,m/s;vdT為疲勞試驗(yàn)后沖擊彈性波波速,m/s。

選擇沖擊彈性波波速為評(píng)價(jià)參數(shù)可與動(dòng)彈模量建立聯(lián)系,損傷變量能夠綜合反映混凝土經(jīng)過(guò)疲勞荷載后的損傷程度。

2.2 混凝土中沖擊彈性波波速變化規(guī)律

2.2.1 靜態(tài)加載試驗(yàn)結(jié)果

圖2為靜態(tài)加載不同荷載率時(shí)混凝土沖擊彈性波波速和損傷變量變化規(guī)律。

圖2 不同荷載率混凝土沖擊彈性波波速與損傷變量

由圖2可知,混凝土沖擊彈性波波速隨應(yīng)力的增大而降低,損傷變量隨應(yīng)力的增大而上升,損傷變量隨著荷載率的增加呈現(xiàn)出線性增加趨勢(shì)。受壓狀態(tài)下C1混凝土在加載后平均沖擊彈性波波速由4 482 m/s降低到4 146 m/s,下降幅度為7.5%;C2混凝土平均沖擊彈性波波速由4 638 m/s降低到4 284 m/s,下降幅度為7.6%;C3混凝土平均沖擊彈性波波速由4 795 m/s降低到4 365 m/s,下降幅度為8.9%。破壞前C1、C2和C3混凝土的損傷變量分別上升到了0.147、0.142和0.171?？拐蹱顟B(tài)下波速呈現(xiàn)先慢后快的發(fā)展趨勢(shì),其中,C1混凝土在加載后平均沖擊彈性波波速由4 450 m/s降低到3 863 m/s,下降幅度為13.2%;C2混凝土在加載后平均沖擊彈性波波速由4 644 m/s降低到4 015 m/s,下降幅度為13.5%;C3混凝土在加載后平均沖擊彈性波波速由4 758 m/s降低到4 134 m/s,下降幅度為13.1%。破壞前C1、C2和C3混凝土損傷變量分別達(dá)到0.244、0.253和0.247。

從靜態(tài)加載結(jié)果上看,不論是抗壓還是抗折,混凝土在荷載作用下?lián)p傷增加,體現(xiàn)為沖擊彈性波波速發(fā)生衰減,損傷變量增加。比較而言,抗壓荷載作用下混凝土的沖擊彈性波波速與損傷變量變化小于抗折荷載作用,其原因是抗壓荷載作用下的混凝土的裂紋從承壓面外沿向內(nèi)部以一定角度擴(kuò)展直至試件失效,但這時(shí)被羈留在內(nèi)側(cè)的混凝土在壓應(yīng)力的作用下的損傷不明顯,而在抗折荷載作用下下混凝土在彎矩和剪應(yīng)力的作用下裂紋沿薄弱面逐漸貫通試件,呈現(xiàn)整體開(kāi)裂破壞,相比于抗壓破壞的損傷程度更高。

2.2.2 疲勞加載試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)選擇強(qiáng)度與軌道板混凝土強(qiáng)度接近的C2混凝土為試驗(yàn)對(duì)象,其抗壓強(qiáng)度為65.4 MPa,抗折強(qiáng)度為6.4 MPa。圖3為疲勞加載下沖擊彈性波波速與損傷變量變化規(guī)律。

圖3 疲勞加載下沖擊彈性波波速與損傷變量

由圖3可知,混凝土沖擊彈性波波速隨疲勞荷載循環(huán)比(N/Nf)增加而降低,不同加載頻率下的沖擊彈性波波速與損傷變量均呈現(xiàn)出明顯的三段式發(fā)展規(guī)律,與相關(guān)研究結(jié)果相同[12-14]。第一階段處于0～0.15倍疲勞壽命的范圍內(nèi),此時(shí)呈現(xiàn)出波速快速減小、損傷變量增長(zhǎng)快的特點(diǎn);第二階段處于0.15～0.9倍疲勞壽命的范圍內(nèi)波速和損傷變量變化很小,均處于穩(wěn)定狀態(tài);第三階段處于0.9～1.0倍疲勞壽命的范圍內(nèi),波速急劇降低,損傷變量快速增大,呈現(xiàn)突變特征。疲勞加載前、穩(wěn)定發(fā)展階段初期、穩(wěn)定發(fā)展階段末期、疲勞斷裂前彈性波波速分別為4 675、4 573、4 426、4 046 m/s,相應(yīng)的損傷變量隨疲勞加載逐漸增加,疲勞破壞前損傷變量達(dá)到0.258。在不同加載頻率5、10、15、20 Hz作用下,混凝土沖擊彈性波波速的變化規(guī)律相似,均呈現(xiàn)出三階段的變化特征,且三階段所占疲勞壽命比例相當(dāng),表明在5～20 Hz范圍內(nèi),加載頻率對(duì)混凝土疲勞發(fā)展的三階段特征及比例影響較小。

圖4為靜態(tài)加載與疲勞加載下混凝土抗折應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖4可知,靜態(tài)加載時(shí)應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)龃蠖龃?在到達(dá)峰值應(yīng)力后快速下降,混凝土破壞時(shí)應(yīng)變?yōu)?51×10-6。在疲勞加載中,第一次加載時(shí)混凝土應(yīng)力-應(yīng)變加載曲線與靜態(tài)加載曲線基本重合,混凝土應(yīng)變隨疲勞次數(shù)的增加而逐漸增加,應(yīng)變達(dá)到479×10-6時(shí)發(fā)生破壞?；炷疗谧饔孟伦畲髴?yīng)變大于靜態(tài)抗折破壞時(shí)的最大應(yīng)變,這是因?yàn)槠诤奢d使混凝土的彈性模量下降,混凝土的剛性降低導(dǎo)致變形增大。結(jié)合圖2(b)可知,破壞前靜態(tài)抗折狀態(tài)下的損傷變量與疲勞荷載下的損傷變量相差不大,分別為0.253和0.258,但發(fā)展趨勢(shì)有明顯區(qū)別。這是因?yàn)殪o態(tài)加載中混凝土內(nèi)損傷隨應(yīng)力增大而單調(diào)增大,而疲勞荷載中應(yīng)力大小保持恒定,混凝土內(nèi)部損傷隨疲勞加載而逐步累積。

圖4 靜態(tài)加載與疲勞加載應(yīng)力-應(yīng)變曲線

疲勞加載過(guò)程中,混凝土產(chǎn)生位移,圖5顯示了混凝土試件的跨中位移與疲勞循環(huán)比的關(guān)系。疲勞荷載作用下,混凝土位移變化同樣呈現(xiàn)三階段的發(fā)展規(guī)律,但第一階段對(duì)應(yīng)的疲勞加載次數(shù)僅為10 000次左右,小于損傷變量第一階段內(nèi)疲勞循環(huán)次數(shù),在該階段內(nèi)位移增長(zhǎng)迅速;第二階段對(duì)應(yīng)的疲勞加載次數(shù)約占疲勞壽命的90%,基本對(duì)應(yīng)了疲勞損傷變量的第二階段,該階段內(nèi)混凝土位移保持相對(duì)穩(wěn)定;第三階段為位移不穩(wěn)定發(fā)展階段,呈現(xiàn)出階梯式發(fā)展特征,與疲勞損傷變量的第三階段相對(duì)應(yīng),約占疲勞壽命的10%。疲勞加載過(guò)程中混凝土位移出現(xiàn)三次快速上升,第一次為疲勞荷載剛開(kāi)始作用時(shí),第二次發(fā)生在疲勞循環(huán)比約為0.91時(shí),第三次發(fā)生在疲勞破壞之前,此時(shí)裂縫突然出現(xiàn)并快速發(fā)展導(dǎo)致試件破壞?；炷猎嚰灰浦饕l(fā)生在疲勞作用后期,這與文獻(xiàn)[23]結(jié)論相同,但其變化并不完全對(duì)應(yīng)疲勞損傷變量的發(fā)展規(guī)律,沒(méi)有反映出混凝土疲勞破壞第一階段和第二階段內(nèi)部微觀損傷累積情況。

圖5 疲勞荷載作用下混凝土跨中位移

結(jié)合混凝土位移與開(kāi)裂的情況可知,位移和裂縫在疲勞損傷的第三階段出現(xiàn)突變,但此時(shí)混凝土內(nèi)損傷累積明顯,宏觀裂縫一旦形成即在短時(shí)間內(nèi)貫穿試件發(fā)生破壞,因此傳統(tǒng)基于“不裂不?！钡墓こ汤砟顚?duì)混凝土疲勞性能進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法有一定的局限性?；跊_擊彈性波波速的評(píng)價(jià)方法精度較高,能夠量化混凝土內(nèi)部因疲勞加載而導(dǎo)致的損傷累積情況,且不同階段損傷變量變化規(guī)律性良好,可用于鐵路高強(qiáng)混凝土的疲勞性能評(píng)價(jià)。

2.3 強(qiáng)度等級(jí)和飽水狀態(tài)的影響

2.3.1 不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土

圖6為不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土疲勞加載后沖擊彈性波波速及損傷變量變化規(guī)律。由圖6可知,混凝土強(qiáng)度越高,初始沖擊彈性波波速越高,且波速均在疲勞荷載作用下不斷降低,C1混凝土(28 d抗壓強(qiáng)度48.4 MPa)平均波速由4 514 m/s降低至4 031 m/s,下降幅度為10.7%;C2混凝土平均波速由4 682 m/s降低至3 958 m/s,下降幅度為13.4%;C3混凝土(28 d抗壓強(qiáng)度80.1 MPa)平均波速由4 763 m/s降低至4 108 m/s,下降幅度為13.7%。三組混凝土疲勞破壞時(shí)平均損傷變量隨強(qiáng)度增大而增大,分別為0.202、0.226和0.260。

圖6 疲勞加載下不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土沖擊彈性波速及損傷變量

在微-細(xì)觀尺度上,水泥水化產(chǎn)物和微觀結(jié)構(gòu)決定了基體及砂漿-骨料界面的力學(xué)性能,也是決定混凝土疲勞微裂紋萌生-發(fā)展和擴(kuò)張的主要因素[24]。圖7為三種強(qiáng)度混凝土疲勞破壞斷面形態(tài),圖8為三種強(qiáng)度混凝土抗折應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖7 不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土疲勞破壞斷面特征

圖8 不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土抗折應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖7可知,混凝土斷面主要包括三種情況:骨料斷裂、漿體斷裂和砂漿-骨料界面斷裂?；炷翉?qiáng)度越低,砂漿-骨料界面斷裂比例越大,C1和C2混凝土砂漿骨料界面斷裂面積占總截面積的比例約為7.1%和4.3%,且混凝土強(qiáng)度等級(jí)越低,斷裂處面積占比越大;而高強(qiáng)C3混凝土基本沒(méi)有發(fā)生砂漿骨料-界面斷裂。由圖8可知,混凝土最大應(yīng)變隨抗壓強(qiáng)度的增大而降低,峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變分別為469×10-6、445×10-6、409×10-6。將應(yīng)力-應(yīng)變曲線下積分總面積作為單位體積混凝土吸收的能量,可知三種混凝土吸收能量分別為4.58、4.77、6.26 kJ/m3,表明混凝土強(qiáng)度越高吸收的能量越多。疲勞壽命隨其強(qiáng)度的提高而增加,分別為846 547、1 019 220、1 248 451次。綜合考慮能量吸收、破壞斷面與損傷變量可知,隨著混凝土強(qiáng)度增加,疲勞導(dǎo)致的損傷不僅會(huì)發(fā)生在漿體與砂漿骨料界面,還會(huì)越來(lái)越多地在骨料內(nèi)部累積,這導(dǎo)致了損傷變量的上升,宏觀表現(xiàn)為混凝土吸收能量的能力提高,混凝土承受疲勞荷載的能力得到明顯提升。

試驗(yàn)結(jié)果表明,不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土損傷變量的變化存在差異,但其發(fā)展規(guī)律與趨勢(shì)相近,且能夠反映出混凝土內(nèi)部因疲勞加載而導(dǎo)致的損傷累積情況。因此,該方法對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土具有較好的適用性。

2.3.2 不同飽水狀態(tài)混凝土

圖9為不同飽水狀態(tài)下C2混凝土疲勞加載后沖擊彈性波波速及損傷變量發(fā)展規(guī)律。

圖9 不同飽水狀態(tài)混凝土疲勞荷載作用下沖擊彈性波速及損傷變量

由圖9可知,30 ℃烘干、室溫和飽水三種狀態(tài)的混凝土沖擊彈性波波速隨疲勞加載呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。隨著疲勞作用循環(huán)比的增加,烘干狀態(tài)混凝土平均波速由4 611 m/s降低至4 051 m/s,下降幅度為12.1%;室溫狀態(tài)混凝土平均波速由4 682 m/s降低至3 958 m/s,下降幅度為13.4%;飽水狀態(tài)混凝土平均波速由4 676 m/s降低至4 104 m/s,下降幅度為12.2%。不同飽水狀態(tài)下沖擊彈性波波速與損傷參數(shù)變化規(guī)律相近,規(guī)律性良好,破壞前損傷變量均約為0.230。

圖10為不同飽水狀態(tài)下C2混凝土疲勞壽命變化情況。由圖10可知,混凝土在烘干、室溫和飽水三種狀態(tài)下的疲勞壽命分別為904 502、1 019 220、956 802次。結(jié)合圖9可知,不同飽水狀態(tài)下沖擊彈性波波速存在差異,原因是混凝土內(nèi)部存在微觀孔隙和微裂縫。當(dāng)處于完全飽水狀態(tài)時(shí),水充滿了尺寸較大的孔隙,動(dòng)態(tài)作用下孔隙中水壓導(dǎo)致了裂縫擴(kuò)展和損傷發(fā)生,使得混凝土的性能劣化。Yaman等[25]研究得出隨著孔隙率和孔隙中含水量的增加,孔隙水壓增加,混凝土的抗壓強(qiáng)度、彈性模量都呈現(xiàn)逐漸降低的規(guī)律。干燥狀態(tài)下孔隙間水分減少,孔隙水的黏性作用降低,減弱了孔隙水對(duì)漿-骨界面之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的阻止作用,導(dǎo)致在動(dòng)態(tài)荷載作用下混凝土損傷更加明顯。

圖10 不同飽水狀態(tài)混凝土疲勞壽命

2.4 鐵路混凝土疲勞臨界狀態(tài)確定

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知,不同試驗(yàn)條件下混凝土均在損傷變量達(dá)到0.2后迅速發(fā)生疲勞破壞。圖11為C2混凝土疲勞加載后強(qiáng)度損失情況。由圖11可知,混凝土剩余抗折強(qiáng)度隨疲勞加載出現(xiàn)明顯的單調(diào)衰減趨勢(shì)。在疲勞作用循環(huán)比達(dá)到0.8之前,混凝土強(qiáng)度損失較慢且基本呈現(xiàn)線性關(guān)系,其強(qiáng)度衰減系數(shù)小于0.15,對(duì)應(yīng)的損傷變量小于0.1,處于穩(wěn)定發(fā)展的第二階段。而當(dāng)疲勞作用循環(huán)比達(dá)到0.8后,混凝土剩余強(qiáng)度迅速降低。疲勞作用循環(huán)比達(dá)到0.96后混凝土強(qiáng)度降低了0.38,強(qiáng)度衰減已經(jīng)十分明顯,此時(shí)對(duì)應(yīng)損傷變量值為0.2,且處于不穩(wěn)定快速增長(zhǎng)的第三階段。

圖11 不同疲勞循環(huán)比混凝土剩余抗折強(qiáng)度與損傷變量

由圖11可知,前兩階段混凝土性能損失與損傷變量變化均較小且變化不明顯。若疲勞損傷判據(jù)過(guò)低(小于0.1),則無(wú)法準(zhǔn)確判斷混凝土疲勞損傷狀態(tài)。鐵路預(yù)應(yīng)力構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級(jí)多為C50及以上等級(jí),在內(nèi)部能量累積到一定程度后可能發(fā)生突然斷裂。同時(shí),鐵路混凝土除受列車荷載外,還會(huì)因環(huán)境侵蝕、凍融循環(huán)等多因素耦合作用造成服役性能下降。若疲勞損傷判據(jù)過(guò)高,則可能會(huì)影響混凝土疲勞性能的評(píng)估與疲勞壽命的預(yù)測(cè)。因此,綜合本文試驗(yàn)結(jié)果與疲勞破壞第三階段突變特征,建議將0.2確定為鐵路混凝土疲勞損傷的臨界狀態(tài)。

3 結(jié)論

(1)靜態(tài)加載下不同混凝土沖擊彈性波波速及其損傷變量隨荷載率增加呈現(xiàn)上升趨勢(shì),沖擊彈性波波速可以反映因加載導(dǎo)致的混凝土內(nèi)部累積損傷變化情況,混凝土抗折加載損傷變量變化比抗壓加載更明顯。

(2)沖擊彈性波波速及其損傷變量能夠反映混凝土疲勞損傷的三個(gè)特征階段,每階段所占疲勞壽命比例基本相當(dāng),不受加荷頻率影響。疲勞荷載作用下?lián)p傷變量發(fā)展規(guī)律性良好,且與混凝土宏觀位移變化趨勢(shì)一致,基于彈性波波速的疲勞損傷評(píng)價(jià)方法可用于混凝土疲勞損傷評(píng)價(jià)。

(3)隨著強(qiáng)度等級(jí)提高,混凝土發(fā)生疲勞斷裂時(shí)的損傷變量逐漸增加大,其原因是高強(qiáng)混凝土漿骨界面黏結(jié)力強(qiáng),破壞時(shí)吸收能量大;含水率影響了混凝土疲勞損傷變量,飽水及干燥狀態(tài)均降低了混凝土疲勞壽命。

(4)混凝土的剩余抗折強(qiáng)度及損傷變量存在相似的拐點(diǎn),表明該方法可以反映混凝土在疲勞過(guò)程中的宏觀性能變化特征?；谄趽p傷第三階段突變特征,建議將損傷變量0.2作為混凝土疲勞損傷的臨界狀態(tài)。