玄武巖纖維再生混凝土凍融后的彎曲疲勞特性

侯永利，俞正興，周磊磊，呂東朔

(1. 內蒙古工業大學土木工程學院，內蒙古呼和浩特 010051； 2. 內蒙古工業大學內蒙古自治區建筑檢測鑒定與安全評估工程技術研究中心，內蒙古呼和浩特 010051； 3. 山西四建集團有限公司，山西太原 030012)

0 引 言

在中國北方高緯度嚴寒地區，混凝土公路、橋梁等基礎設施在服役過程中受到交通荷載與凍融損傷的交互耦合作用，加速了混凝土的損傷，縮短其使用壽命。玄武巖纖維是一種性能優良的纖維，具有耐高溫、抗氧化、抗拉強度和剪切強度高、施工工藝簡單、與水泥基材料融合好等優點[1-2]，在建筑領域應用廣泛。研究表明，摻加玄武巖纖維能夠明顯改善再生混凝土的力學性能以及耐久性能[3-4]。

目前，國內外學者對再生混凝土的抗凍性能或抗疲勞性能研究比較多，再生混凝土抗凍性能的研究主要圍繞著再生骨料取代率[5-6]、礦物摻合料[7-8]、水灰比[9]、改性骨料等[10-11]影響因素展開，而抗疲勞性能的研究主要包括受壓、受彎[12]、拉壓、彎拉等單軸簡單應力疲勞試驗及多軸復雜應力疲勞試驗。凍融循環與疲勞荷載耦合作用下性能的研究較少。Li等[13]通過與普通混凝土路面的對比，分析了再生混凝土路面的抗凍性能和疲勞性能，同時采用響應面法分析了凍融循環、疲勞循環及其聯合作用對抗折強度、抗壓強度的影響規律。歐祖敏等[14]對凍融損傷后的混凝土彎曲疲勞壽命進行了可靠性分析。李召行[15]通過試驗研究得出，在應力與凍融腐蝕交替作用下，影響再生混凝土耐久性能的因素從大到小依次為腐蝕凍融、應力作用、腐蝕作用，且應力水平越高，荷載作用對再生混凝土耐久性能的影響就越大。Hasan等[16]研究了遭受凍融損傷的混凝土在疲勞荷載作用下的抗壓應力-應變關系。齊振麟[17]通過對試驗結果的分析，得出凍融損傷后再生混凝土單調及重復荷載作用下的本構關系。

本文對玄武巖纖維再生混凝土(BFRC)采用快凍法進行凍融循環試驗，對BFRC的凍融損傷程度進行分析，通過彎曲疲勞試驗研究遭受不同凍融循環次數BFRC的疲勞壽命，利用兩參數Weibull分布函數對彎曲疲勞壽命的試驗數據進行擬合和檢驗，對不同失效概率下BFRC的彎曲疲勞壽命進行預測，建立失效概率為0.05和0.5的雙對數疲勞方程，為BFRC在路面結構中的安全應用提供可靠的依據。

1 試驗概況

1.1 材料及配合比

水泥采用冀東牌P.O42.5普通硅酸鹽水泥；細骨料采用細度模數為2.7的天然砂；天然粗骨料選用4.75～26 mm連續級配的機碎石；再生粗骨料來源于廢棄的路面混凝土碎塊，經過破碎、篩分、除雜等一系列加工制得，粒徑為4.75～26 mm，粗骨料物理性能見表1。試驗用水為自來水，減水劑采用聚羧酸高效減水劑，減水率約為30%。玄武巖纖維長度為20 mm，其基本物理性能見表2。

表1 粗骨料物理性能Table 1 Physical properties of coarse aggregate

表2 玄武巖纖維物理性能Table 2 Physical properties of basalt fiber

根據《公路水泥混凝土路面施工技術細則》(JTG/T F30—2014)，按照抗折強度為5 MPa配制混凝土。其中水膠比為0.37，再生粗骨料取代率為25%，減水劑摻量為1.0%，玄武巖纖維摻量為0.2%，配合比詳見表3。

表3 混凝土配合比Table 3 Concrete mix ratio

1.2 試驗方法

1.2.1 凍融試驗

依據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009)，采用快凍法進行凍融循環試驗。制作100 mm×100 mm×400 mm棱柱體試件，用來測定相對動彈性模量及抗折強度，每 隔25次凍融循環停機測定試件的質量以及動彈性模量，最多施加225次凍融循環。另外分別測定試件經歷0次、75次、150次、225次凍融循環后的抗折強度，作為施加疲勞荷載大小的依據。

1.2.2 疲勞試驗

依據《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)，采用MTS試驗機對經過指定凍融循環次數后的棱柱體試件施加彎曲疲勞荷載。采用正弦等幅循環荷載，振動頻率為10 Hz，應力比為0.1，應力水平分別選取0.6、0.7、0.8，加載試驗裝置如圖1所示。

2 試驗結果與分析

2.1 凍融循環試驗結果及分析

2.1.1 表面形態

BFRC在經歷不同凍融循環次數D后的表面形態如圖2所示?？梢钥闯?，隨著凍融循環次數逐漸增加，試件表面的損傷程度逐漸加重。凍融循環之前，試件表面比較光滑，只有一些因試件成型時空氣外溢產生的微小孔洞；當凍融循環次數達75次時，試件表面僅僅增加了為數不多且肉眼可見的孔洞，試件表面仍比較平整；經過150次凍融循環后，試件表面孔洞數量明顯增多，而且出現較多的大孔，試件表面變得粗糙，邊角局部損傷發生脫落，但粗骨料尚未顯露；當凍融循環次數達到225次時，試件表面脫落的殘渣量增多，部分骨料開始顯露，試件表面變得更加粗糙。

2.1.2 質量損失率

各組試件在不同凍融循環次數下的質量損失率如圖3(a)所示?？梢钥闯觯簝鋈谘h次數不超過50次時，試件的質量損失率幾乎沒有變化，接近于0%；當凍融循環次數超過50次后，質量損失率開始穩定增加；當循環次數超過200次時，質量損失率開始快速增長。這是因為在凍融初期，凍融損傷較輕微，凍融循環對BFRC的孔隙結構影響甚微。隨著凍融循環次數的增加，開口微孔不斷擴展，擴展后新增加的孔隙又被外部水分不斷填充，BFRC的凍融損傷程度持續增加，表面水泥砂漿不斷脫落，達到一定凍融循環次數后，BFRC的孔隙加速擴展并逐漸貫通，損傷程度加劇，試件表層開始變得酥松，并加速剝落。

2.1.3 相對動彈性模量與相對抗折強度

各組試件相對動彈性模量與相對抗折強度隨凍融循環次數的變化規律如圖3(b)所示?？梢钥闯?，隨著凍融循環次數的增加，試件相對動彈性模量逐步降低，降低幅度呈現出先小后大的趨勢。225次凍融循環后相對動彈性模量與凍融循環前相比降低了12.4%。試件的相對抗折強度與相對動彈性模量變化規律相同，隨著凍融循環次數的增加，相對抗折強度逐步降低，經過75次、150次和225次凍融循環后的相對抗折強度與凍融前相比分別降低了8.8%、19.3%和35.1%。這主要是因為凍融循環的持續作用加快了內部毛細孔隙的擴張，使得BFRC持續吸水，隨后在凍融作用下產生凍脹破壞，導致骨料過渡區界面產生的凍脹應力變大，降低了BFRC內部的密實度，從而使其相對動彈性模量和相對抗折強度下降。

2.2 彎曲疲勞試驗結果及分析

2.2.1 BFRC的疲勞壽命

BFRC在不同凍融循環次數以及不同應力水平下的疲勞壽命Ni(i為試件的編號，分別為1、2、3)見表4。由表4中的數據可以看出，隨著應力水平及凍融循環次數的增加，BFRC的疲勞壽命均逐漸減小，數據的離散性逐漸增大。當應力水平為0.6時，經75次、150次和225次凍融循環的BFRC平均疲勞壽命較未經歷凍融循環的BFRC分別降低了33.2%、50.7%和70.3%；在應力水平為0.7時，平均疲勞壽命分別降低了34.8%、61.9%和71.1%；在應力水平為0.8時，平均疲勞壽命分別降低了6.5%、36.3%和60.2%。這主要是由于在凍融循環過程中存在靜水壓力和滲透壓力作用，造成混凝土內部損傷累積而出現微裂縫，在疲勞荷載作用下裂縫不斷地發展，導致疲勞壽命下降；同時也說明隨著應力水平的增大，加快了裂縫擴展的速度，使BFRC的疲勞破壞提前，從而降低了BFRC的疲勞壽命。另外，與應力水平0.6相比，應力水平分別為0.7和0.8時，經歷凍融循環0次、75次、150次和225次的BFRC變異系數分別增大了57.9%、58.3%、27.6%、38.2%和80%、88.7%、43.9%、72.6%。這是因為存在包括混凝土材料細觀層次上的多相性和不均勻性、再生骨料本身的缺陷和在混凝土中的隨機分布，以及凍融循環導致的材料內部不均勻凍融損傷等諸多因素，隨著應力水平的增加，上述因素作用下裂縫發展的隨機性等偶然因素的影響增加，導致試驗結果的離散型增大。

表4 BFRC的彎曲疲勞壽命試驗結果Table 4 Bending fatigue life test results of BFRC

2.2.2 BFRC的疲勞壽命預測

由于疲勞試驗結果具有較大的離散性，因此，利用兩參數Weibull分布理論對凍融后BFRC彎曲疲勞試驗結果進行線性回歸分析，進而對其壽命進行預測。首先將兩參數Weibull分布理論的概率密度函數兩次取對數，整理后得

ln{ln[1/(1-Pf)]}=bln(N)-bln(Na)

(1)

式中：Pf為疲勞壽命N的失效概率；b為形狀參數，b值越大，表明混凝土彎曲疲勞壽命離散性越??；Na為特征壽命參數。

BFRC彎曲疲勞壽命所對應的失效概率Pf按式(2)確定。

(2)

式中：n為某應力水平下某組試件彎曲疲勞壽命數據從小到大升序排列的序號；K為某應力水平下某組試件進行疲勞試驗的樣本總數。

令Y=ln{ln[1/(1-Pf)]}，X=ln(N)，c=bln(Na)，則式(1)可表示為

Y=bX-c

(3)

式(3)為直線方程，可以用于檢驗試驗數據是否服從兩參數Weibull分布。根據疲勞試驗結果，計算各應力水平下經受不同凍融循環次數的BFRC的X值和Y值，用線性擬合回歸的方法對凍融后BFRC試件彎曲疲勞壽命的試驗數據進行兩參數Weibull分布檢驗，結果如圖4所示。由圖4可知，除了應力水平為0.7且凍融循環150次和應力水平為0.8且凍融循環225次兩組數據擬合的判定系數R2分別為0.866 9和0.833 0外，其他各組BFRC試件數據擬合的判定系數均大于0.96，表明由試驗結果計算的X與Y具有良好的線性關系，說明凍融后BFRC的彎曲疲勞壽命較好地服從兩參數Weibull分布。

根據式(1)計算不同失效概率下的疲勞壽命，結果見表5?？梢钥闯?，BFRC的彎曲疲勞壽命隨著失效概率的增大而增加。當失效概率為0.5時，預測計算的BFRC疲勞壽命與試驗所得的平均疲勞壽命十分接近。因此，在實際應用中，可以結合公路等級、應用層位及應力狀態等因素確定合適的失效概率來分析BFRC的疲勞壽命。

表5 不同失效概率下BFRC的彎曲疲勞壽命計算結果Table 5 Calculation results of BFRC bending fatigue life under different failure probabilities

2.2.3 BFRC彎曲疲勞Pf-S-N方程

在混凝土的疲勞問題中，通常采用雙對數疲勞方程來表達循環荷載的應力水平與材料斷裂時循環次數之間的關系，即

lg(S)=lg(A)-Blg(N)

(4)

式中：A、B為方程參數。

利用表5中的數據，對式(4)進行線性回歸分析，得到BFRC在凍融循環后不同失效概率下的彎曲疲勞方程。以失效概率為0.05和0.5為例，凍融后BFRC的彎曲疲勞Pf-S-N曲線如圖5所示，其中BFRC-0中的0為凍融次數。從圖5可以看出，除了失效概率為0.05且凍融循環225次時的判定系數R2為0.845 7外，其余均在0.93以上，說明彎曲疲勞Pf-S-N方程能較好地反映凍融后BFRC應力水平S與疲勞壽命N之間的關系。因此，本文建立的彎曲疲勞方程完全可以滿足道路工程應用的需要。各組BFRC疲勞方程對應曲線的變化趨勢相近，且凍融循環次數越少，對應的彎曲疲勞曲線越接近于未凍融BFRC對應的彎曲疲勞曲線，表明凍融后BFRC仍然可以承受一定量的交通載荷，但凍融作用會削弱BFRC的抗彎疲勞性能，且凍融次數越多影響越大，疲勞曲線相差也越大。

3 結語

(1)隨著凍融循環次數的增加，BFRC試件損傷越來越嚴重，相對動彈性模量和相對抗折強度逐漸降低，凍融循環達到225次的BFRC試件與未經歷凍融循環的BFRC試件相比，相對動彈性模量和相對抗折強度分別下降了12.4%和35.1%。

(2)隨著凍融循環次數和應力水平的增加，BFRC的彎曲疲勞壽命逐漸減小，離散性逐漸提高，在應力水平為0.6、0.7和0.8時，凍融循環達到225次的BFRC試件與未經歷凍融循環的BFRC試件相比，平均彎曲疲勞壽命分別下降了70.3%、71.1%和60.2%。

(3)凍融后BFRC的彎曲疲勞壽命服從兩參數Weibull分布。預測的BFRC彎曲疲勞壽命隨著失效概率的增加而增加，且失效概率為0.5時的預測疲勞壽命與試驗所得平均疲勞壽命十分接近。

(4)彎曲疲勞Pf-S-N方程能較好地反映凍融后BFRC應力水平S與疲勞壽命N之間的關系。凍融循環削弱了BFRC的彎曲疲勞性能，凍融次數越多，凍融作用對BFRC的彎曲疲勞性能影響越大。