玄武岩纤维机场道面混凝土弯曲疲劳性能试验研究.pdf

第 3 8卷第 3 期 2 0 1 2年 6月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 5 9 玄武岩纤维机场道面混凝土弯曲疲劳性能试验研究 吴永根 ， 李文蕾 ， 黄命辉 ， 刁军亮 ( 1 ． 空军工程大学工程学院， 陕西 西安7 1 0 0 3 8 ； 2 ． 中南航空港建设公司 ， 湖南 衡阳4 2 1 0 0 1 ； 3 ． 中航第九工程总队， 四川 成都6 1 1 4 3 1 ) 摘要： 通过弯曲疲劳试验， 对比分析研究了玄武岩纤维道面混凝土和普通道面混凝土的弯曲疲劳性能， 并得出疲 劳方程。试验结果表明： 掺入玄武岩纤维后能明显提高普通道面混凝土的抗弯曲疲劳性能， 玄武岩纤维道面混凝 土的疲劳寿命是普通道面混凝土的 2 ． 1 5～5 ． 9 5倍 ， 且疲劳寿命均服从两参数威布尔分布。本文的试验研究结果 为玄武岩纤维在机场道面混凝土中的实际应用提供了依据。 关键词： 玄武岩纤维； 机场道面混凝土 ； 疲劳寿命 ； 疲劳方程 ； P一 ．s 一Ⅳ曲线 中图分类号： T U 5 0 2 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 8—1 9 3 3 ( 2 0 1 2 ) 0 3—0 5 9一o 4 Ex pe r i me n t a l s t ud y o n b e n d i n g f a t i g u e p r o p e r t i e s o f b a s a l t fib e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e f o r a i r p o r t p a v e me n t WU Yo n g g e n ， L I We n l e i ，HUANG Mi n g h u i ， DI AO J u n l i a n g 3 ( 1 ． E n g i n e e r i n g C o l l e g e ， A j r F o r c e E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y ， X i ’ a n 7 1 0 0 3 8 ， C h i n a ； 2 ． C e n t e r - s o u t h Ai r p o r t C o n s t r u c t i o n C o mp a n y ， He n g y a n g 4 2 1 0 0 1， C h i n a； 3 ． N o ． 9 E n g i n e e r i n g C o r p s o f C h i n a A i rpo r t ， C h e n g d u 6 1 1 4 3 1 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： An a 1 ) ， z e a n d c o mp a r e wi t h t h e b e n d i n g f a t i g u e p r o per t i e s o f b a s alt fi b e r r e i n f o rce d c o n c r e t e f o r a i r p o r t p a v e me n t a n d p l a i n p a v e me n t c o n c r e t e b y b e n d i n g f a t i g u e t e s ti n g i n l a b o r a t o r y， a n d o b t ain s t h e f a t i gue e q u a ti o n ．T e s t r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e a n ti— f a t i gu e p r o p e r t y o f p a v e me n t c o n c ret e c a n be i mp r o v e d e v i d e n t l y b y t h e b a s alt fi be r be i n g m i x e d i n t o ， f a t i g u e l i f o o f b asalt fi b e r r e i n f o r c e d p a v e me n t c o n c r e t e i s 2 ． 1 5～5 ． 9 5 ti me s o f t h o s e o f p l a i n p a v e me n t c o n c r e t e， b o t h f a t i gue l i f e C an be d e s c ribed b y t w o p a r a me t e rs We i B u U dis t r i b u t i o n ． T h e s t u d y res u l t s i n t h e p a p e r p r o v i d e t h e e x p e ri me n t al b a s i s f o r t h e印 p l i e a t i o n o f b a s alt fi b e r i n a i r p o rt p a v e me n t e n gi n e e ri n g c o n s t ruc t i o n p r a c ti c e ． Ke y wo r d s ： b asalt fi b e r ； air p o rt p a v e me n t c o n c r e t e ； f a t i gu e l i f e； f a t i gu e e q u a t i o n ； P-- S - -N c u r v e U 刖 罱 机场混凝土道面供飞机起飞降落反复使用， 需 要承受大量弯拉荷载反复作用， 因此， 道面混凝土的 抗弯曲疲劳 陛能对于混凝土 自身的性能发挥和机场 跑道的使用寿命都有着非常重要的意义。玄武岩纤 维 ( B a s a l t F i b e r ) 有着优异的各项性能⋯ ， 笔者前期 强度试验结果表明 ， 玄武岩纤维掺人 到道面混凝土 中， 对于其抗折强度的增强效果比较理想( 2 8 d抗 折强度提高 1 0 ． 3 2 ％到 1 9 ． 8 0 ％) 。本试验主要将对 收稿 日期 ： 2 0 1 0 ． 1 2 — 1 6 作者简介 ： 吴 永根( 1 9 6 9一) ， 男 ， 上海人 ， 副教授 ， 博士 ， 研究方 向为 机场施工与材料。 E —m a i l ： wu y o ng g e n l @ 1 6 3 ． e o m 抗折强度提高较理想的4 0 IT U T I ～ 4 0 tx m玄武岩纤维 以0 ． 1 0 ％的体积掺量与普通机场道面混凝土进行 弯曲疲劳试验， 通过对比试验研究， 分析玄武岩纤维 对于道面混凝土抗弯曲疲 劳性能 的影响规律 ， 根据 对数正态分布理论和威布尔( We i B u l 1 ) 分布理论 ， 得 出其相应的弯曲疲劳方程并进行深人分析和讨论， 为玄武岩纤维在机场道面施工 中的推广应用提供研 究参考和技术支持。 1 试验概述 1 ． 1 配合比 根据 G J B I 5 9 6 - - - -- 9 1 《 机场道面混凝土性能及配 合比设计要求》 进行试验配制。机场道面混凝土 以抗折强度为设计指标 ， 本试验道面混凝土 2 8 d设 四川建筑科学研究 第3 8卷 计抗折强度为 5 ． 0 M P a ， 和易性要求维勃稠度 l 5 ～ 3 0 S 。经过试配与调整确定试验用配合 比为： 水 泥 3 3 0 ， 水 1 5 2 ， 砂 6 9 3 ， 石 1 3 0 2 ， 砂率为 0 ． 3 6 ， 用外掺 法将玄武岩纤维以0 ． 1 0 ％的体积掺量掺入。 1 ． 2 试验用原材料 水泥： 陕西耀县秦岭牌 P O 4 2 ． 5 R普通硅酸盐 水泥 ， 2 8 d抗折强度 8 ． 8 M P a ， 抗压强度 4 8 ． 8 MP a ， 密度 3 ． 1 0 g ／ c m ； 砂： 灞河 中砂 ， 细度模数为 2 ． 7 3 ， 属 Ⅱ区， 级配合 格， 含 泥量 1 ． 0 ％， 表 观密 度 2 6 3 0 k g ／ m ， 堆积密度 1 5 0 3 k g ／ m ； 石： 陕西泾 阳石灰 岩 碎石 ， 5— 2 0 m m和 2 0— 4 0 mm两级配， 级配 比例为 4 5 ： 5 5 ， 级配合格， 表观密度 2 7 8 0 k g ／ m ， 堆积密度 1 5 9 0 k g ／ m ； 水 ： 普通饮用水 ； 玄武岩纤维 ： 试验采用 四川航天拓鑫玄武岩实业有限公司 2 0 1 0年 3月生 产的短切玄武岩纤维， 直径 4 0 tx m， 长 4 0 mm。其性 能参见表 1 。 表 1 试验用短切玄武岩纤维的物理化学性能参数 Ta b l e 1 Te s t wi t h a s ho r t c u t b a s a l t fib e r p h y s i c a l a n d c h e mi s t r y p e r f o r m a n c e p a r a me t e r s 1 ． 3疲劳试验方法 本次疲劳试验使用长春新试验机有限责任公司 ( 原长春试验机厂) 生产 的 P WS一5 0 0型微机控制 电液伺服疲劳试验机。试验龄期均为 2 8 d ， 试件尺 寸为4 0 0 mm1 0 0 m m 1 0 0 mm的小梁。进行弯曲 疲劳试验前， 先对两种道面混凝土试件各取 3根进 行静载抗折强度测定， 求出平均抗折强度， 作为弯曲 疲劳试验加载 的基础依据 。两种道 面混凝 土 2 8 d 抗折强度分别为 5 ． 8 7 MP a和 6 ． 9 3 MP a ， 全部满足 设计要求。 疲劳试验 的应 力水 平 S由小 到大依次取值为 0 ． 6 0 ， 0 ． 6 5 ， 0 ． 7 0， 0 ． 7 5 ， 0 ． 8 0五种， 每一级应力水平 完成 5个试件的弯曲疲劳试验。试验先对普通道面 混凝土进行。 首先根据试验要求 ， 使用试验 系统控制软件设 置好试验波形、 加载频率、 最大荷载 P 最小荷载 P i ， 应力幅值等参数( 疲劳试验加载最小荷载为最 大荷载的 1 0 ％ ， 即疲劳循环特征值为 0 ． 1 ) 并设定好 加载程序。然后检查试件外观并清洁表面 ， 将试件 放置到试验机夹具上并调整好位置后 ， 启动程序 ， 采 用三分点法加载， 先对每个小梁试件预加 5 k N的荷 载 ， 反复几次 ， 以消除 因接触不 良造成的误差 ， 待机 器设备运转稳定正常后 ， 开始疲劳试验加载。加载 频率为 l O H z ， 按正弦波加载。最终直至试件断裂 破坏， 计算机程序控制位移下降保护， 此时试验机 自 动停机 ， 并记录试件的加载循环次数即疲劳寿命 N。 必须注意试件断裂面要位于加荷点之间 ， 否则无效。 试件的破坏形态如图 1 所示。 图 1 疲 劳试验试件的破坏形态 Fi g．1 Fa t i gue t e s t d e s t r uc t i ve f o r m 2 疲劳试验结果及分析 表 2的疲劳试验结果表明， 在 5个不同的应力 水平下 ， 玄武岩纤维道面混凝土的疲劳寿命全部高 于普通道面混凝土 ， 且有大幅提高。在高应力水平 下疲劳寿命 的提高倍数要高于低应 力水 平 ， 比如 S 为 0 ． 8时， 掺人纤维后 ， 疲劳寿命增长了 2 ． 5～1 5 ． 6 倍 ， 而 s为 0 ． 6时， 疲劳寿命 增长 了 1 ． 1～2 ． 5倍 。 在 同一应力水平下 ， 试件的疲劳寿命 都不 同且有的 相差数倍 ， 表明疲劳试验结果存在着一定的离散性 ， 这种现象也 与其他学者 的试验结果 和文献所 述相 同。 表 2疲劳试 验结果 Ta b l e 2 Be n d i n g f a tig u e t e s t r esu l t s 吴永根， 等： 玄武岩纤维机场道面混凝土弯曲疲劳性能试验研究 6 1 混凝土的疲劳破坏是混凝土内部损伤逐渐积累 和发展 的过程∞ ] ， 而玄武岩纤维道 面混凝土的抗 弯 曲疲劳性能比普通道面混凝 土有 明显的提高 ， 疲 劳 寿命大幅延长 ， 主要是 因为乱向分布的玄武岩纤维 在道面混凝土的反复疲劳加载卸载过程中， 协同混 凝土基体受力， 使得混凝土自身的弹塑性变形能力 提高 ， 其韧性和塑性增加明显， 减少减缓了原始缺陷 及微裂缝， 改善了内部微观结构 ， 同时纤维可对荷载 冲击能量进行吸收和缓解 ， 总体外在表现就是道面 混凝土的抗弯曲疲劳荷载能力和变形适应能力得到 了大大改善 ， 延长了使用寿命。 3 基于对数正态分布理论建立疲劳 方程 根据对数正态分布理论线性 回归的单 、 双对数 疲劳方程 ( 表 3 ) ， 可计算出不同应力水平下两种道 面混凝土的理论疲劳寿命( 表 4 ) 。结果表明： 同一 应力水平下 ， 玄武岩纤维道面混凝 土的疲劳寿命全 部高于普通机场道面混凝土 ， 说 明 4 0 mm～ 4 0 t L r n 玄武岩纤维的掺入对于道面混凝土疲劳寿命的提高 是非常有利的。采用单对数疲 劳方程时 ， 玄武岩纤 维道面混凝土的疲劳寿命是普通道面混凝土的2 ． 1 5 表 3 由对数正态分布理论线性回归的疲劳方程 Ta b l e 3 By l o g a r i t h mi c n o r ma l d i s t r i b u t i o n t h e o r y o f l i n e a r r e g r e s s i o n o f f a t i g u e e q u a t i o n 一 5 ． 9 5 倍 ， 平均为 4 ． 0 5倍； 采用双对数疲劳方程 时， 玄武岩纤维道面混凝土的疲劳寿命是普通道面 混凝土的2 ． 1 5～ 5 ． 7 9 倍， 平均为3 ． 9 7 倍。 表 4 线性 回归的理论疲劳寿命 比较 Tab l e4 Li n e ar r eg r e s s i o n th eo ry f at i gu e l i f e c o mpar i s on s 4 基 于威 布 尔分 布 理 论建 立考 虑 不 同失效概 率的疲劳方程 近年来威布尔 ( We i B u l 1 ) 分布越来越 多被研究 材料疲劳性 能的研究 人员所采用 J 。威 布尔分 布 函数的优点在于存在最小安全寿命 ， 这也是符合疲 劳破坏实际情况的。 > N p ) N ) d N = e x p [ _ ( 一 Np - ． N ． o ) 】 ( N o≤N <。 。 ) ( 1 ) 考虑到混凝土静载强度具有一定 的离散性 ， 结 合混凝土材料使用时的安全可靠性要求， 在威布尔 分布概率函数( 1 ) 式中令最小寿命参数为零， 即 Ⅳ n =0 ， 则( 1 ) 式可简化为两参数 的威布尔分布函数 并 变形为下式 ： l n [ I n ( 1 ／ P ) ]=b l n N 。 一b l n N ( 2 ) 疲劳试验 结果的 回归分析表 明， l n [ 1 n ( 1 ／ P) ] 与 I n N之间相关系数较高， 均在 0 ． 9 0以上 ， 说 明具 有较好的统计线性关系 ， 所 以普通道面混凝 土和玄 武岩纤维道面混凝土的弯曲疲劳寿命较好地服从双 参数威布尔分布， 见表5 ， 6 。 表 5 普通道 面混凝土疲劳寿命 的试验结果 回归分析 T a b l e 5 P l a i n p a v e me n t c o n c r e t e f a t i g u e l i f e t e s t r e s u l t s o f r e g r e ssi o n a n aly s i s 表 6 玄 武岩纤维道面混凝土疲劳寿命 的试验结果 回归分析 Ta bl e 6 Ba s a l t fibe r r e i nf o r c e d pa v e m e nt c on c r e t e f a t i gu e l i f e t e s t r e s ult s o f r e gr e s s i o n a n a l y s i s 通过表 5 ， 6可 以得到疲劳寿命威布尔分布不 同 应力水平 S下 的特征寿命参数 N =e B ， b ， 并计算 出 不同失效概率 F ( F=1 一存活概率 P) 和应力水平 Is 下的理论疲劳寿命值 ， 对其进行线性 回归 ， 可分别得 到不同失效概率下的双对数 和单对数疲劳方程 ， 它 们也是体现了存活概率 P， 应 力水平 s ， 疲劳寿命 Ⅳ 三者关系的表达式 ， 即相应 的 P—S—N关系方程， 在同一坐标系中即为关系曲线族 。见表 7， 8 。 6 2 四川建筑科学研究 第 3 8卷 表 7 Ta bl e 7 普通道面 混凝 土不 同失效概 率下 的疲劳方程 Pl a i n pa v e me nt c on c r e t e un de r di ffe r e nt f a i l ur e pr o ba bi l i t y o f f a tig ue e qua tion 表 8 玄武岩纤维道面混凝土不同失效概率下的疲劳方程 Ta b l e 8 Ba s a l t fi b e r r e i n f o r c e d p a v e me n t c o n c r e t e u n d e r d i ffe r e n t f a i l ur e p r o b a b i l i t y o f f a t i gu e e q u a t i o n 图 2为玄武岩纤维道面混凝土与普通道面混凝 土存活概率 P= 9 0 ％ ( 失效概率 F=1 0 ％) 的 l g S— l g N曲线比较 ， 可以看 出玄武岩纤维道面混凝 土疲 劳方程曲线的截距与斜率都比普通道面混凝土要 大 ， 在各个应力水平下， 疲劳寿命均大于普通道面混 凝土 ， 说明普通道面混凝 土掺人玄武岩纤维后其疲 劳寿命提高幅度较大， 玄武岩纤维可以明显改善其 的弯曲疲劳性能。 5 结 论 1 ) 在 5个 不 同应 力水 平下 ， 玄武岩 纤维道 面 混凝土的疲劳寿命均高于普通机场道面混凝土， 而且 图 2 存活概率 P= 9 o ％ ( 失效概率 F=1 O ％ ) 时的 l g S—l g Ⅳ曲线比较 F i g ． 2 S u r v i v a l p r o b a b il i t y P= 9 0 ％( f a il u r e p r o b a b i l i t y F=1 0 ％)l g S—l g S c u r v e c o mp a r i s o n s 在高应力水平下疲劳寿命的提高倍数要高于低应力 水平 ， 说明 4 0 mm～ 4 0 l x m玄武岩纤 维的掺人对于 道面混凝土疲劳寿命的提高是非常有利 的。 2 ) 用对数正态分布理论分析 时 ， 采用单 、 双对 数疲劳方程， 玄武岩纤维道面混凝土的疲劳寿命是 普通道面混凝土的2 ． 1 5～ 5 ． 9 5倍。 3 ) 普通道 面混凝土和玄武岩纤维道面混凝土 的弯 曲疲劳 寿 命 较好 地 服 从 双 参 数 威 布尔 ( We i B u U ) 分布。基于威 布尔理论分布建立的疲劳 方程 ， 反映了存活概率 P， 应力水平 ．s ， 疲劳寿命 Ⅳ 三者的关系， 即相应 的 P—s一Ⅳ关系方程， 较正态 分布理论能够更好地拟合实际的疲劳破坏情况。 参 考 文 献 ： [ 1 ] 胡显奇， 申屠年． 连续玄武岩纤维在军工及民用领域的应用 [ J ] ． 高科技纤维与应用， 2 0 0 5 ， 3 0 ( 6 ) ： 7 — 1 3 ． [ 2 ] G J B B 9 6 -- --9 1 机场道面水泥混凝土配合比设计技术标准[ s ] ． [ 3 ] K O L L U R U S V， P O P O V I C S J s ， S H A H S P ， e t a 1 ． C r a c k p r o p a g a — t i o n i n fl e x u r a l f a ti g u e o f c o n c r e t e [ J ] ． J o u m a l o f E n g i n e e ri n g M e — c h a n i c s ， 2 0 0 2 。 1 2 6 ( 9 ) ： 8 9 1 - 8 9 8 ． [ 4 ] 高镇同， 熊峻江． 疲劳可靠性[ M] ． 北京： 北京航空航天大学出 版社 。 2 0 0 2 ． [ 5 ] 邓宗才， 王璋水， 张国庆， 等． 改性腈纶纤维混凝土梁的弯曲疲 劳特性[ J ] ． 清华大学学报： 自然科学版， 2 0 0 3 ， 4 3 ( 1 1 ) ： 1 5 5 0 — 1 5 5 3 ．