疲劳荷载作用下混凝土裂缝扩展过程

1、第37卷增刊1大连理工大学学报Vo 1. 37, Suppl . 11997年8月Journa l of da l i an Un iversity of technology Aug . 1997疲劳荷载作用下砼裂缝扩展(摘要×的楔入劈拉试件研究了在等幅. 结果表明, 砼在疲劳破坏前, 裂缝存, 其扩展长度约为65mm . 裂缝扩展速率d a d N 符合公式. 关键词:混凝土; 疲劳; 裂缝扩展分类号:TU 502. 6; TU 375砼是一种多相的复合材料; 其断裂机理十分复杂, 尤其对疲劳荷载作用下的裂缝扩展知之更少. 许多学者认为, 砼是脆性材料, 裂缝一经起裂便失稳破坏,

2、 不存在所谓的“亚临界扩展过程”. 针对这一问题, 文献1采用最大尺寸为3. 6m ×3. 0m ×0. 2m 的巨型紧凑拉伸试件, 采用光弹贴片、电阻应变片等测试手段, 研究了砼裂缝的亚临界扩展过程. 结果表明, 砼在失稳破坏前, 存在很大的亚临界扩展; 当试件高度h >1. 0m 时, 亚临界扩展量a c 达200mm .然而, 在疲劳荷载作用下砼裂缝是否存在亚临界扩展阶段, 扩展长度有多大, 这在国内外均很少研究. 文献24采用三点弯曲梁法研究了砼在疲劳荷载作用下裂缝扩展过程, 证实了砼在疲劳荷载作用下裂缝存在亚临界扩展; 其扩展规律符合Paris 公式.图1试

3、件型式本文采用尺寸为200mm ×200mm ×200mm 的楔入劈拉试件, 采用柔度标定法测得了砼疲劳裂缝扩展长度,并与光弹贴片法作了比较.1砼楔入劈拉试件静载试验结果及柔度标定1. 1试件制作及砼配合比根据试验目的, 采用如图1所示的楔入劈拉试件; 其编号及尺寸等见表1. 试件均采用同一配合比, 水泥砂子石子水=1. 001. 733. 010. 52. 水泥采用大连水泥厂生产的425#普通硅酸盐水泥, 砂为河砂, 粗骨料为国家自然科学基金青年基金资助项目(2. 59209084 33现在大连民建设计院工作收稿日期:1997206202; 修订日期:1997207210

4、吴智敏:男, 1963年生, 副教授 石灰岩碎石; 一级配. 试验时测得其立方体抗压强度(150mm ×150mm ×150mm 为30. 44M Pa , 劈裂抗拉强度为2. 35M Pa , 弹性模量为25. 5GPa .表1试件参数及柔度标定试件编号l ×h ×t : mm ×mm ×mm a 0 h C 10-6(mm N -1 ax kN C -1 2 n ST 120×20×200. 21. 96512044ST 220×20×200. 33. . 0. 97494ST 320

5、15;20×200. 46. 1. 08454ST 420×20×200. 515. 67. 570. 880041. 2, 用X 2Y 记录仪自动记录荷载2位移曲线. 荷BL R 21 5000拉压式, 测量范围为050kN ; 裂缝口张开位移CM OD 采用M T , 测量范围为04mm . 试验时测得的P 2CM OD 曲线见图2.图2各组试件的P 2CM OD 曲线图3柔度标定曲线对图1所示的楔入劈拉试件, 断裂韧度K I C 由下式计算:K I C =3. 675(1-a 0 h -3 2P m ax t h (1其中:P m ax 为最大水平荷载; P

6、 m ax =1. 866P v m ax , P v m ax为最大垂直荷载. 静载试验所测得的最大荷载P m ax 、弹性柔度C 及断裂韧度等值见表1. 图3为柔度标定曲线.2砼在疲劳荷载作用下裂缝扩展过程疲劳试验均在M T S 疲劳机上进行; 试验频率为1H z , 加载波形为正弦波, 荷载控制. 加载时的最大荷载为0. 7P m ax , 最小值为0. 07P m ax .64S 大连理工大学学报第37卷试验中实测的试件柔度及裂缝长度随疲劳次数N 的变化见图4和图5. 图6为当N =500时光弹贴片观测结果 . 图4 图 5砼裂缝长度随疲劳次数的变化图6光弹贴片观测结果从图中可以发现,

7、 在疲劳荷载作用下, 砼试件的柔度及裂缝扩展量的变化规律大致可分为三个阶段:第一阶段, 试件柔度及裂缝扩展较快, 随后增长速率逐渐降低; 这一阶段占总疲劳寿命的10%左右. 第二阶段, 试件柔度及裂缝扩展量随疲劳次数的增加基本上呈线性增加; 这一阶段约占总疲劳寿命的70%左右. 进入第三阶段后, 砼裂缝扩展很快, 导致失稳断裂. 从a 2N 曲线上还可以发现, 当试件即将破坏时, 裂缝的亚临界扩展量a c 约为65mm . 因此, 在疲劳荷载作用下砼也是经过裂缝的稳定扩展,然后失稳破坏.3砼在疲劳荷载作用下裂缝扩展速率文献2认为, 当忽略砼裂缝扩展的第一阶段时, 其扩展速图7lg (d a d

8、 N 2lg K 关系曲线率d a d N 亦符合Paris 公式:d a d N =C (K n (2式中:K 为应力强度因子幅度, K =K m ax -K m in ; C 、n是由材料决定的常数. 因此, 可以从试验得出的a 2N 曲线上求得d a d N , 并根据此时的a h 求得K , 从而得到d a d N 2K 曲线. 若对式(2 两边取对数, 得lg (d a d N =lg C +n lg K(3 将试验得出的lg (d a d N 及K 画于同一坐标系(图 7 , 根据线性回归可得n =7. 4, lg C =-2. 9, 相关系数R =0. 94. 因此砼疲劳裂缝扩展

9、速率可表示为d a d N =1. 2589×10-3(K 7. 84(44结论1 在疲劳荷载作用下, 砼裂缝存在较长的亚临界扩展阶段.74S 增刊1吴智敏等:疲劳荷载作用下砼裂缝扩展过程2 采用柔度标定法可理想地测定疲劳裂缝的亚临界扩展长度.3 砼疲劳裂缝扩展速率d a d N 符合Paris 公式. 1 徐世火良, 赵国藩. . 土木工程学报, 1991, 24(2 :192吴智敏, . 土木工程学报, 1995, 28(3 :59653Z . Size effect in fatigue fractu re of concrete . AC IM a ter J , 1991,

10、 88(4 :4724784Bazan t Z P , SchellW F . Fatigue fractu re of h igh 2strength concrete and size effect . AC IM a ter J , 1993, 90(5 :390399Crack propaga tion of concrete under fa tigue load i ngW u Zh i m in , Song Yup u , Zhao Guofan , H uang Chengku i , Dong Chao(D ep t . of C ivil Eng . , D alian

11、U n iv . of T echno l . , Ch ina Abstract T he w edge sp litting test sp eci m en s w ith the size 200mm ×200mm ×200mm are u sed to study the crack p rop agati on of concrete under fatigue loading . R esu lts show that there is obvi ou s stab le crack p rop agati on in concrete befo re fatigue failu re and the p r