玄武岩纤维再生混凝土冻融后的弯曲疲劳特性

侯永利，俞正兴，周磊磊，吕东朔

(1. 内蒙古工业大学土木工程学院，内蒙古呼和浩特 010051； 2. 内蒙古工业大学内蒙古自治区建筑检测鉴定与安全评估工程技术研究中心，内蒙古呼和浩特 010051； 3. 山西四建集团有限公司，山西太原 030012)

0 引 言

在中国北方高纬度严寒地区，混凝土公路、桥梁等基础设施在服役过程中受到交通荷载与冻融损伤的交互耦合作用，加速了混凝土的损伤，缩短其使用寿命。玄武岩纤维是一种性能优良的纤维，具有耐高温、抗氧化、抗拉强度和剪切强度高、施工工艺简单、与水泥基材料融合好等优点[1-2]，在建筑领域应用广泛。研究表明，掺加玄武岩纤维能够明显改善再生混凝土的力学性能以及耐久性能[3-4]。

目前，国内外学者对再生混凝土的抗冻性能或抗疲劳性能研究比较多，再生混凝土抗冻性能的研究主要围绕着再生骨料取代率[5-6]、矿物掺合料[7-8]、水灰比[9]、改性骨料等[10-11]影响因素展开，而抗疲劳性能的研究主要包括受压、受弯[12]、拉压、弯拉等单轴简单应力疲劳试验及多轴复杂应力疲劳试验。冻融循环与疲劳荷载耦合作用下性能的研究较少。Li等[13]通过与普通混凝土路面的对比，分析了再生混凝土路面的抗冻性能和疲劳性能，同时采用响应面法分析了冻融循环、疲劳循环及其联合作用对抗折强度、抗压强度的影响规律。欧祖敏等[14]对冻融损伤后的混凝土弯曲疲劳寿命进行了可靠性分析。李召行[15]通过试验研究得出，在应力与冻融腐蚀交替作用下，影响再生混凝土耐久性能的因素从大到小依次为腐蚀冻融、应力作用、腐蚀作用，且应力水平越高，荷载作用对再生混凝土耐久性能的影响就越大。Hasan等[16]研究了遭受冻融损伤的混凝土在疲劳荷载作用下的抗压应力-应变关系。齐振麟[17]通过对试验结果的分析，得出冻融损伤后再生混凝土单调及重复荷载作用下的本构关系。

本文对玄武岩纤维再生混凝土(BFRC)采用快冻法进行冻融循环试验，对BFRC的冻融损伤程度进行分析，通过弯曲疲劳试验研究遭受不同冻融循环次数BFRC的疲劳寿命，利用两参数Weibull分布函数对弯曲疲劳寿命的试验数据进行拟合和检验，对不同失效概率下BFRC的弯曲疲劳寿命进行预测，建立失效概率为0.05和0.5的双对数疲劳方程，为BFRC在路面结构中的安全应用提供可靠的依据。

1 试验概况

1.1 材料及配合比

水泥采用冀东牌P.O42.5普通硅酸盐水泥；细骨料采用细度模数为2.7的天然砂；天然粗骨料选用4.75～26 mm连续级配的机碎石；再生粗骨料来源于废弃的路面混凝土碎块，经过破碎、筛分、除杂等一系列加工制得，粒径为4.75～26 mm，粗骨料物理性能见表1。试验用水为自来水，减水剂采用聚羧酸高效减水剂，减水率约为30%。玄武岩纤维长度为20 mm，其基本物理性能见表2。

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

表2 玄武岩纤维物理性能Table 2 Physical properties of basalt fiber

根据《公路水泥混凝土路面施工技术细则》(JTG/T F30—2014)，按照抗折强度为5 MPa配制混凝土。其中水胶比为0.37，再生粗骨料取代率为25%，减水剂掺量为1.0%，玄武岩纤维掺量为0.2%，配合比详见表3。

表3 混凝土配合比Table 3 Concrete mix ratio

1.2 试验方法

1.2.1 冻融试验

依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)，采用快冻法进行冻融循环试验。制作100 mm×100 mm×400 mm棱柱体试件，用来测定相对动弹性模量及抗折强度，每 隔25次冻融循环停机测定试件的质量以及动弹性模量，最多施加225次冻融循环。另外分别测定试件经历0次、75次、150次、225次冻融循环后的抗折强度，作为施加疲劳荷载大小的依据。

1.2.2 疲劳试验

依据《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)，采用MTS试验机对经过指定冻融循环次数后的棱柱体试件施加弯曲疲劳荷载。采用正弦等幅循环荷载，振动频率为10 Hz，应力比为0.1，应力水平分别选取0.6、0.7、0.8，加载试验装置如图1所示。

2 试验结果与分析

2.1 冻融循环试验结果及分析

2.1.1 表面形态

BFRC在经历不同冻融循环次数D后的表面形态如图2所示。可以看出，随着冻融循环次数逐渐增加，试件表面的损伤程度逐渐加重。冻融循环之前，试件表面比较光滑，只有一些因试件成型时空气外溢产生的微小孔洞；当冻融循环次数达75次时，试件表面仅仅增加了为数不多且肉眼可见的孔洞，试件表面仍比较平整；经过150次冻融循环后，试件表面孔洞数量明显增多，而且出现较多的大孔，试件表面变得粗糙，边角局部损伤发生脱落，但粗骨料尚未显露；当冻融循环次数达到225次时，试件表面脱落的残渣量增多，部分骨料开始显露，试件表面变得更加粗糙。

2.1.2 质量损失率

各组试件在不同冻融循环次数下的质量损失率如图3(a)所示。可以看出：冻融循环次数不超过50次时，试件的质量损失率几乎没有变化，接近于0%；当冻融循环次数超过50次后，质量损失率开始稳定增加；当循环次数超过200次时，质量损失率开始快速增长。这是因为在冻融初期，冻融损伤较轻微，冻融循环对BFRC的孔隙结构影响甚微。随着冻融循环次数的增加，开口微孔不断扩展，扩展后新增加的孔隙又被外部水分不断填充，BFRC的冻融损伤程度持续增加，表面水泥砂浆不断脱落，达到一定冻融循环次数后，BFRC的孔隙加速扩展并逐渐贯通，损伤程度加剧，试件表层开始变得酥松，并加速剥落。

2.1.3 相对动弹性模量与相对抗折强度

各组试件相对动弹性模量与相对抗折强度随冻融循环次数的变化规律如图3(b)所示。可以看出，随着冻融循环次数的增加，试件相对动弹性模量逐步降低，降低幅度呈现出先小后大的趋势。225次冻融循环后相对动弹性模量与冻融循环前相比降低了12.4%。试件的相对抗折强度与相对动弹性模量变化规律相同，随着冻融循环次数的增加，相对抗折强度逐步降低，经过75次、150次和225次冻融循环后的相对抗折强度与冻融前相比分别降低了8.8%、19.3%和35.1%。这主要是因为冻融循环的持续作用加快了内部毛细孔隙的扩张，使得BFRC持续吸水，随后在冻融作用下产生冻胀破坏，导致骨料过渡区界面产生的冻胀应力变大，降低了BFRC内部的密实度，从而使其相对动弹性模量和相对抗折强度下降。

2.2 弯曲疲劳试验结果及分析

2.2.1 BFRC的疲劳寿命

BFRC在不同冻融循环次数以及不同应力水平下的疲劳寿命Ni(i为试件的编号，分别为1、2、3)见表4。由表4中的数据可以看出，随着应力水平及冻融循环次数的增加，BFRC的疲劳寿命均逐渐减小，数据的离散性逐渐增大。当应力水平为0.6时，经75次、150次和225次冻融循环的BFRC平均疲劳寿命较未经历冻融循环的BFRC分别降低了33.2%、50.7%和70.3%；在应力水平为0.7时，平均疲劳寿命分别降低了34.8%、61.9%和71.1%；在应力水平为0.8时，平均疲劳寿命分别降低了6.5%、36.3%和60.2%。这主要是由于在冻融循环过程中存在静水压力和渗透压力作用，造成混凝土内部损伤累积而出现微裂缝，在疲劳荷载作用下裂缝不断地发展，导致疲劳寿命下降；同时也说明随着应力水平的增大，加快了裂缝扩展的速度，使BFRC的疲劳破坏提前，从而降低了BFRC的疲劳寿命。另外，与应力水平0.6相比，应力水平分别为0.7和0.8时，经历冻融循环0次、75次、150次和225次的BFRC变异系数分别增大了57.9%、58.3%、27.6%、38.2%和80%、88.7%、43.9%、72.6%。这是因为存在包括混凝土材料细观层次上的多相性和不均匀性、再生骨料本身的缺陷和在混凝土中的随机分布，以及冻融循环导致的材料内部不均匀冻融损伤等诸多因素，随着应力水平的增加，上述因素作用下裂缝发展的随机性等偶然因素的影响增加，导致试验结果的离散型增大。

表4 BFRC的弯曲疲劳寿命试验结果Table 4 Bending fatigue life test results of BFRC

2.2.2 BFRC的疲劳寿命预测

由于疲劳试验结果具有较大的离散性，因此，利用两参数Weibull分布理论对冻融后BFRC弯曲疲劳试验结果进行线性回归分析，进而对其寿命进行预测。首先将两参数Weibull分布理论的概率密度函数两次取对数，整理后得

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

(1)

式中：Pf为疲劳寿命N的失效概率；b为形状参数，b值越大，表明混凝土弯曲疲劳寿命离散性越小；Na为特征寿命参数。

BFRC弯曲疲劳寿命所对应的失效概率Pf按式(2)确定。

(2)

式中：n为某应力水平下某组试件弯曲疲劳寿命数据从小到大升序排列的序号；K为某应力水平下某组试件进行疲劳试验的样本总数。

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

Y=bX-c

(3)

式(3)为直线方程，可以用于检验试验数据是否服从两参数Weibull分布。根据疲劳试验结果，计算各应力水平下经受不同冻融循环次数的BFRC的X值和Y值，用线性拟合回归的方法对冻融后BFRC试件弯曲疲劳寿命的试验数据进行两参数Weibull分布检验，结果如图4所示。由图4可知，除了应力水平为0.7且冻融循环150次和应力水平为0.8且冻融循环225次两组数据拟合的判定系数R2分别为0.866 9和0.833 0外，其他各组BFRC试件数据拟合的判定系数均大于0.96，表明由试验结果计算的X与Y具有良好的线性关系，说明冻融后BFRC的弯曲疲劳寿命较好地服从两参数Weibull分布。

根据式(1)计算不同失效概率下的疲劳寿命，结果见表5。可以看出，BFRC的弯曲疲劳寿命随着失效概率的增大而增加。当失效概率为0.5时，预测计算的BFRC疲劳寿命与试验所得的平均疲劳寿命十分接近。因此，在实际应用中，可以结合公路等级、应用层位及应力状态等因素确定合适的失效概率来分析BFRC的疲劳寿命。

表5 不同失效概率下BFRC的弯曲疲劳寿命计算结果Table 5 Calculation results of BFRC bending fatigue life under different failure probabilities

2.2.3 BFRC弯曲疲劳Pf-S-N方程

在混凝土的疲劳问题中，通常采用双对数疲劳方程来表达循环荷载的应力水平与材料断裂时循环次数之间的关系，即

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

(4)

式中：A、B为方程参数。

利用表5中的数据，对式(4)进行线性回归分析，得到BFRC在冻融循环后不同失效概率下的弯曲疲劳方程。以失效概率为0.05和0.5为例，冻融后BFRC的弯曲疲劳Pf-S-N曲线如图5所示，其中BFRC-0中的0为冻融次数。从图5可以看出，除了失效概率为0.05且冻融循环225次时的判定系数R2为0.845 7外，其余均在0.93以上，说明弯曲疲劳Pf-S-N方程能较好地反映冻融后BFRC应力水平S与疲劳寿命N之间的关系。因此，本文建立的弯曲疲劳方程完全可以满足道路工程应用的需要。各组BFRC疲劳方程对应曲线的变化趋势相近，且冻融循环次数越少，对应的弯曲疲劳曲线越接近于未冻融BFRC对应的弯曲疲劳曲线，表明冻融后BFRC仍然可以承受一定量的交通载荷，但冻融作用会削弱BFRC的抗弯疲劳性能，且冻融次数越多影响越大，疲劳曲线相差也越大。

3 结语

(1)随着冻融循环次数的增加，BFRC试件损伤越来越严重，相对动弹性模量和相对抗折强度逐渐降低，冻融循环达到225次的BFRC试件与未经历冻融循环的BFRC试件相比，相对动弹性模量和相对抗折强度分别下降了12.4%和35.1%。

(2)随着冻融循环次数和应力水平的增加，BFRC的弯曲疲劳寿命逐渐减小，离散性逐渐提高，在应力水平为0.6、0.7和0.8时，冻融循环达到225次的BFRC试件与未经历冻融循环的BFRC试件相比，平均弯曲疲劳寿命分别下降了70.3%、71.1%和60.2%。

(3)冻融后BFRC的弯曲疲劳寿命服从两参数Weibull分布。预测的BFRC弯曲疲劳寿命随着失效概率的增加而增加，且失效概率为0.5时的预测疲劳寿命与试验所得平均疲劳寿命十分接近。

(4)弯曲疲劳Pf-S-N方程能较好地反映冻融后BFRC应力水平S与疲劳寿命N之间的关系。冻融循环削弱了BFRC的弯曲疲劳性能，冻融次数越多，冻融作用对BFRC的弯曲疲劳性能影响越大。