高性能水泥基复合材料梁疲劳性能的研究进展_于跟社.pdf

第 40 卷第 2 期2023 年 2 月公路交通科技Journal of Highway and Transportation esearch and DevelopmentVol.40No.2Feb 2023收稿日期:20210104基金项目:北京市教委科技重点项目(KZ201810005008)作者简介:于跟社(1971)，男，陕西富平人，硕士，教授级高级工程师.(Yuer19213 )doi:10.3969/j.issn.10020268.2023.02.012高性能水泥基复合材料梁疲劳性能的研究进展于跟社1，邓宗才2，王珏3，王亚楠3(1 中南大学土木工程学院，湖南长沙410075;2.北京工业大学建筑工程学院，北京100124;3.中交第三公路工程局有限公司，北京101304)摘要:具有应变硬化和多裂缝扩展特性的水泥基复合材料，适用于承受疲劳和冲击等动载的工程领域，有利于提高结构的基本力学性能、疲劳寿命和耐久性。高性能混凝土、高性能水泥基复合材料是建设长寿命桥梁结构的理想材料。为了合理使用高性能水泥基复合材料等新型材料，对高性能水泥基复合材料在桥梁工程和吊车梁中的应用状况、基本力学性能、疲劳特性试验研究和疲劳寿命预测模型等进行了梳理，重点关注了高性能混凝土、高性能水泥基复合材料组份及配合比设计、高性能水泥基复合材料在桥梁工程中的应用现状、混杂纤维高性能水泥基复合材料受弯构件的基本力学性能和疲劳破坏特征、高性能水泥基复合材料的疲劳破坏机制、疲劳寿命预测模型和疲劳设计方法等国际前沿问题的最新研究进展，分析了当前研究中存在的问题，展望了今后拟关注的研究重点。结果表明:今后拟开展的研究工作包括，需要在大量试验研究和理论分析的基础上，明确水泥基复合材料的疲劳损伤机理，建立具有物理基础的疲劳损伤演化模型，提出基于疲劳损伤本构模型的寿命预测方法，以丰富和发展仅仅基于试验的统计意义上的疲劳方程式和疲劳设计方法，为工程应用提供理论支持。关键词:桥梁工程;疲劳;综述;水泥基复合材料;纤维;疲劳损伤;疲劳寿命预测中图分类号:TU528文献标识码:A文章编号:10020268(2023)02008912Study Progress of Fatigue Behavior of High PerformanceCement-based Composite BeamYU Gen-she1，DENG Zong-cai2，WANG Jue3，WANG Ya-nan3(1 School of Civil Engineering，Central South University，Changsha Hunan 410075，China;2 School of Architecture and Civil Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China;3 CCCC Third Highway Engineering Co.，Ltd.，Beijing 101304，China)Abstract:The cement-based composite materials with strain hardening and multi-crack propagationcharacteristics are suitable for the engineering field of bearing dynamic loads such as fatigue and impact，which is beneficial to improve the basic mechanical properties，fatigue life and durability of structures High-performance concrete and high-performance cement-based composites are ideal materials for long-life bridgeconstruction In order to use high-performance cement-based composites and other new materials reasonably，the application in bridge engineering and crane beam，the basic mechanical properties，the fatigue test studyand the fatigue life prediction model of high performance cement-based composites are reviewed，focused onthe latest study progress of advanced international issues such as high-performance concrete，composition andmix design of high-performance cement-based composites，application status of high-performance cement-based composites in bridge engineering，basic mechanical properties and fatigue failure characteristics ofhybrid fiber high-performance cement-based composites in bending members，fatigue failure mechanism，公路交通科技第 40 卷fatigue life prediction model and fatigue design method of high-performance cement-based composites，etcThe existing problems in the current study are analyzed，and the future study focus is prospected The resultshows that the studies to be carried out in the future includes:on the basis of a large number of experimentalresearch and theoretical analysis，clarify the fatigue damage mechanism of cement-based composites，establish the fatigue damage evolution model，and propose the life prediction method based on the fatiguedamage constitutive model，so as to enrich and develop the fatigue equation and fatigue design method in thestatistical sense based on test，and provide theoretical support for engineering applicationKey words:bridge engineering;fatigue;review;cement-based composite material;fiber;fatigue damage;fatigue life prediction0引言高性能混凝土、高性能水泥基复合材料被广泛应用于公路、铁路、吊车梁、海洋平台等结构物中。在实际工程中，混凝土结构不但受到静载作用，还受到随机车辆、工作吊车及海洋波浪等反复荷载作用。疲劳荷载作用会导致结构材料性能的不断退化，最终在低于静载强度的情况下发生脆性破坏。由于桥梁、吊车梁等所采用的混凝土材料并非是均匀和连续的，存在许多原始缺陷和微细裂纹，因而在疲劳、冲击荷载作用下，这些微缺陷会逐渐累积、发展，并逐步形成宏观裂纹。如果不能有效控制宏观裂纹的扩展，将会导致桥梁发生疲劳损伤和脆性断裂，其后果是灾难性的。许多混凝土桥梁在使用 2030 a 后，出现了抗疲劳、抗震等力学性能衰退、安全性降低等问题。因此，疲劳、冲击引起的损伤破坏已经引起人们的重视。桥梁结构设计不仅要重视其静载特性，还要重视疲劳、冲击等动力特性。由于疲劳破坏的脆性特征，破坏前没有明显预兆。公路桥梁上车辆的超载问题比较突出，这也是引起桥梁损伤的主要原因。超载会使桥梁疲劳应力幅度明显加大，疲劳损伤加剧。超载诱发的混凝土裂缝，在疲劳荷载下不断扩展，疲劳累积损伤加剧，从而危及桥梁的安全性和耐久性。为了提高桥梁、吊车梁等结构的疲劳寿命，采用高性能水泥基复合材料和高效预应力技术，有利于改善结构的疲劳特性，延长服役寿命。桥梁承受变幅疲劳荷载，钢纤维对承受较高应力幅作用明显，而合成纤维对承受较低应力幅作用显著，即钢纤维和高性能合成纤维在承担不同疲劳应力幅时具有其各自的优势，混杂有利于充分发挥各自的抗疲劳优势，提高结构疲劳寿命。公路桥梁、高速铁路桥梁、跨海桥梁等在运营情况下处于高周应力疲劳状态，人们希望其具有高疲劳寿命。因此，采用新型混杂纤维高性能水泥基复合材料，以显著提高结构疲劳寿命，具有非常重要的工程意义和科学价值。1高性能水泥基复合材料在吊车梁、桥梁工程中的应用高性能水泥基复合材料包括纤维增强超高性能混凝土(Ultra-high-performance Concrete，UHPC)和具有应变硬化特性的纤维增强超高韧性混凝土(Strain Hardening Cementitious Composites，SHCC)等。UHPC 不仅具有超高的抗压强度，而且具有良好的耐久性、阻裂能力、韧性和能量吸收能力。本节重点总结 UHPC 应用于吊车梁、桥梁的现状。UHPC 是根据堆积密度理论和纤维增强技术发展起来的一种高性能水泥基复合材料。其采用高效减水剂，降低水灰比，水胶比一般控制在 0.2 以内;采用硅灰、矿粉等工业副产品，降低水泥用量和收缩值等。UHPC 具有良好的施工性能，可采用现浇和预制的方式。下面列举 2 种超高性能混凝土的配合比，一种是不含粗骨料的超高性能混凝土，列于表 1;一种是含粗骨料的超高性能混凝土，典型的配合比列于表 2。表 1超高性能混凝土的配合比Tab.1Mix proportion of UHPC水胶比砂胶比胶凝材料用量/kg石英砂/kg减水剂/kg消泡剂/kg用水量/kg0.181.2水泥矿物掺合料1020 目2040 目4080 目5204554853883401112175.509第 2 期于跟社，等:高性能水泥基复合材料梁疲劳性能的研究进展UHPC 基体配合比中，水泥和复合矿物掺合料为胶凝材料，水泥为 PO52.5 普通硅酸盐水泥，复合矿物掺合料主要由硅灰(比表面积为 16 000 m2/kg)、S95 级矿粉(比表面积为 450 m2/kg)按一定比例配制而成;细骨料为不同目数组合的河砂。钢纤维体积率为 1.3%。表 2超高性能混凝土组份及配合比(单位:kg/m3)Tab.2Composition and mix proportion of UHPC(unit:kg/m3)水胶比胶凝材料水泥掺合料石英砂粗集料钢纤维减水剂0.242028063094011826.25承受疲劳荷载的构件或结构包括吊车梁和桥梁等。采用 UHPC 生产吊车梁具有得天独厚的优势，UHPC 吊车梁自重轻、抗疲劳性能优异、耐腐蚀和耐火性优于钢吊车梁。钢吊车梁大部分未达到设计使用年限就出现早期破坏，其中 80%90