钢纤维聚合物高强混凝土的温度疲劳性能*

郑顺潮 黄培彦 郭馨艳 郑小红 周昊

(华南理工大学土木与交通学院，广东广州510640)

钢纤维混凝土［1-4］、聚合物混凝土［5-7］等纤维混凝土复合材料的研发对于改善普通混凝土的抗裂、抗磨损及抗疲劳性能，使混凝土增强、增韧，具有重要的科学意义和广阔的应用前景.为此，笔者所在课题组研发了一种纤维混凝土复合材料——钢纤维增强聚合物改性混凝土(SFRPC)，并在公路桥梁桥面铺装工程中得到了很好的应用［8-10］.然而，SFRPC属于低强度铺装材料，无法应用于高强度混凝土结构中.为了使纤维混凝土能够应用于桥梁上部结构，笔者所在课题组又对SFRPC进行二次开发，研发了一种新型的纤维混凝土材料——钢纤维聚合物高强混凝土(SPHC)［11］.

桥梁上部结构是承受活载的主要构件，它的疲劳性能决定了整座桥梁的安全性及耐久性.为了确保桥梁上部结构的疲劳性能及其耐久性，首先要探明其构成材料在实际工作环境下的疲劳性能.对于室温下SFRPC的疲劳性能，罗立峰［12］的研究结果表明，与同等强度的普通混凝土材料相比，SFRPC的疲劳性能得到了大幅度的提高;对于室温下SPHC的疲劳性能，笔者所在课题组也作了一些前期的研究工作［13］.然而，无论是SFRPC还是SPHC，由于聚合物的掺入以及混凝土本身的温度效应，工作环境温度对其疲劳性能是有较大影响的.但是，目前有关新型纤维混凝土复合材料的温度疲劳性能的研究成果还未见报道.为此，文中考虑广东省的气候条件，采用理论推导与实验研究相结合的方法，对实际桥梁工程上应用的SPHC的温度疲劳性能进行探讨，并在室温条件下和与其静力学性能相近的C60混凝土的疲劳性能进行对比分析.

1 温度疲劳寿命表达式

根据SPHC组成材料的物理、力学性能，可以认为工作环境温度对该材料的疲劳性能有重要影响.其影响主要体现在以下几方面:1)温度变化时，由于SPHC的主要构成材料——水泥浆体、钢纤维、聚合物乳胶的热膨胀系数不同，即使在没有外载的情况下，SPHC也会产生温度应力，而温度应力会影响SPHC的疲劳性能;2)在混凝土中掺入聚合物乳胶后，聚合物的膜状物填充或连接在水泥水化产物的缝隙或空穴之间，使水化产物的结构更致密，微裂纹明显减少，疲劳性能得以提高，但是，当工作环境温度提高或降低后，聚合物的膜状物的填充或连接作用会随着温度的变化而改变，从而影响其抗疲劳性能;3)当聚合物乳胶的含量较低时，乳胶对钢纤维与基体的界面的力学性能影响不明显，但温度变化时，界面的力学性能会有变化，加上乳胶的影响，界面的疲劳性能将会有所变化.

基于上述理由，当工作环境温度变化时，SPHC试件疲劳寿命的计算公式应考虑外力和温度的耦合作用.为了描述这种耦合作用，笔者认为温度对材料疲劳性能的影响将主要通过应力的变化而起作用.因此，在经典疲劳寿命表达式

中，将应力或载荷S的指数(常数)m处理为温度t的函数m(t)，即假设SPHC试件(以三点弯曲梁为例)的温度疲劳寿命的表达式为

式中:N为载荷循环次数，即SPHC试件的疲劳寿命;C为常数.

对式(2)两边取对数，并写成级数的形式，有

式中，A为常数.

将式(3)展开，并只取其级数的常数项和线性项，有

对于三点弯曲矩形梁，在集中载荷P作用下，式(4)可改写为

式中，b、h、Ls分别为三点弯曲梁的宽度、高度和跨距(两支点间距).

假定材料性能指数m(t)的表达式为

式中，A1、A2、A3为常数.

将式(6)代入式(5)，整理后可写成如下的一般表达形式:

式中，温度函数g(t)取为

寿命函数取为

式(7)和(8)中，C1-C5为待定常系数，可由实验确定;载荷P取其最大值Pmax，单位为kN;温度t的单位为℃.

若将式(7)中的载荷P改用载荷水平或应力水平RS=Pmax/Pu表示，则式(7)可改写为

式中:C'i=Ci/Pu(i=1，2，3，4)，Pu为三点弯曲梁在静载下的极限承载力.

利用式(7)-(9)或式(8)-(10)，可方便地估算考虑工作环境温度影响下SPHC试件的疲劳寿命及其疲劳极限.

2 温度疲劳实验

2.1 材料及试件

温度疲劳实验所采用试件为三点弯曲梁，如图1所示.实验梁分别由C60混凝土和SPHC制成.试件共计28根:SPHC试件21根，C60试件7根.试件尺寸(长×宽 ×高):450 mm×150mm×150mm，跨距Ls=400mm.

图1 温度疲劳实验所用的三点弯曲梁(单位:mm)Fig.1 Three-point bending beam for fatigue test at different temperatures(Unit:mm)

本次实验使用的C60混凝土采用标准配合比设计.对于SPHC材料的配合比设计，首先按照结构强度的要求(与C60混凝土的静力学性能相近)，然后考虑钢纤维的掺量、水灰比、砂率、单位体积用水量、胶凝材料用量等，兼顾复合材料的施工性，如流动性(坍落度)、经济性等，最终确定本次SPHC材料的配合比是在基准配合比w(水泥)∶w(砂)∶w(碎石)∶w(水)∶w(减水剂)=1.000∶1.346∶1.860∶0.287∶0.014的基础上，掺入0.64%(质量分数)的钢纤维以及0.015%的聚合物乳胶.各实验材料的具体情况如文献［13］中所述.

2.2 实验方法及装置

SPHC材料的温度疲劳实验在3种符合广东省气候条件的环境温度(t=20，50，80℃)、4级应力水平(RS=0.60，0.65，0.70，0.80，相应的最大载荷值Pmax=25.7，27.8，30.0，34.0kN)下予以实施.其中，室温(20℃)疲劳实验在4级应力水平下进行，而50℃和80℃的温度疲劳实验在3级应力水平(RS=0.65，0.70，0.80)下进行.上述实验条件示于表1中.

表1 SPHC疲劳实验条件及结果Table 1 Test conditions and results for SPHC

实验系统由MTS810试验机、自行设计的环境箱(见图2)和Wavebook516E动态应变仪组成.疲劳实验采用三点弯曲加载方式，波形为正弦波，加载频率为10Hz，应力比 r=0.1，采用力控制模式.试验中，材料测试系统(MTS)自动记录载荷、试件的跨中挠度(位移)、载荷循环次数等实验数据，每一循环记录8组数据;应变采集系统自动记录混凝土的应变数据，采集频率为100Hz.

图2 温度疲劳实验装置Fig.2 Equipment for thermal fatigue test

一般情况下，如果循环次数达到2×106试件仍未破坏，将停止试验，并认为该试件可承受无限次循环载荷，即具有无限寿命.

为了比较SPHC与C60混凝土的疲劳性能，研究中还对C60混凝土试件实施疲劳实验.在该部分实验中，将7根C60混凝土试件按照5级载荷水平进行分组，具体情况见文献［13］.在室温(20℃)下进行疲劳实验，实验方法与SPHC试件的相同.

3 温度疲劳寿命分析

3.1 疲劳寿命实验曲线

SPHC的疲劳实验结果示于表1中，C60混凝土的疲劳实验结果详见文献［13］.在室温(20℃)下，两种材料的Pmax-N实验曲线如图3所示.由图3可知，SPHC的实验曲线完全在C60混凝土的Pmax-N曲线的上方.也就是说，SPHC的疲劳寿命比C60混凝土高得多.例如:当Pmax=29.2 kN时，C60混凝土的疲劳寿命不够7次循环，而新材料的则达2×106次循环.

图3 室温下SPHC和C60混凝土的Pmax-N实验曲线Fig.3 Tested Pmax-N curves of SPHC and C60 concrete at room temperature

当实验温度不同时，SPHC的疲劳实验结果(温度疲劳实验曲线)如图4所示.由图3和4可知，SPHC的温度疲劳寿命(对数值)与最大载荷值Pmax之间有近似的线性关系.采用最小二乘法分别对各实验温度下的数据进行回归分析，可得SPHC的Pmax-N曲线的表达式为

图4 不同温度场中SPHC的Pmax-N实验曲线Fig.4 Tested Pmax-N curves of SPHC at different temperatures

3.2 温度疲劳寿命半经验公式

利用式(7)-(9)，针对3种实验温度(20、50和80℃)下的疲劳实验数据，采用最小二乘法进行拟合，确定系数C1-C5，可得到在外力与温度耦合作用下SPHC试件疲劳寿命(温度疲劳寿命)的计算公式:

同理，利用式(8)-(10)和上述温度疲劳实验数据，可确定系数 C＇1-C＇4和 C5，并得到以应力水平表示的SPHC试件温度疲劳寿命的计算公式:

利用式(12)或式(13)，可方便地估算考虑工作环境影响的SPHC试件的疲劳寿命及疲劳极限.

将N=2×106代入式(12)可求得SPHC试件的疲劳极限 Pf，然后除以静载下的极限承载力 Pu(SPHC 的 Pu=42.75 kN)［13］，就可以得到图 5 所示的相对疲劳极限(Pf/Pu)的计算曲线.由图5可知，在本研究的工作环境温度范围内，SPHC试件的相对疲劳极限随着温度的升高而降低.

图5 环境温度对SPHC疲劳极限的影响Fig.5 Effect of temperature on fatigue limit of SPHC

将式(12)的计算结果与Pmax-N实验曲线(见图4)的推定结果进行比较可知，由半经验公式(12)预测的SPHC试件的疲劳极限Pf与上述3个温度(20、50 和 80℃)下的实验推定值(28.1、28.4、27.5kN)的相对误差分别为 1.42%、4.93%和6.55%，说明在本研究条件下，由式(12)预测SPHC试件的疲劳极限是可行的.

4 结语

文中考虑广东省的温度变化情况，在不同工作环境温度(20、50、80℃)下，对笔者所在课题组研发的新型纤维混凝土材料——SPHC的抗弯疲劳性能进行了理论分析和实验研究，提出了外力与温度耦合作用下SPHC三点弯曲梁的温度疲劳寿命的计算公式.结果表明，利用该公式可以有效地预测环境温度与外力共同作用下SPHC三点弯曲梁的抗弯疲劳寿命，并能方便地推定其疲劳极限.然而，由于目前的数据积累还不够，还不能提供设计用的S-N疲劳寿命曲线.今后将在不断积累实验数据的同时，对温度疲劳寿命的计算公式进行修正，并对其适用范围及精度进行进一步的探讨;另外，温度疲劳寿命计算公式的有效性也应通过与本研究不同的环境温度下的疲劳实验来进行验证.

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