混凝土疲劳寿命的影响因素简析

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摘要：为了保证工程在使用中的安全性，那么对于混凝土疲劳寿命规律的研究就显得尤为重要。本文对混凝土疲劳寿命的主要影响因素进行了简单的介绍和分析。

关键词： 混凝土； 疲劳寿命； 矿物掺合料； 断裂力学与损伤力学；

0 引言

为了达到不损坏试件，却能估计出混凝土疲劳寿命的目地，对混凝土的弹性模量、泊松比、密度等主要参数对混凝土疲劳寿命离散性的影响进行了探讨。通过疲劳试验，筛选出最适合作为混凝土疲劳寿命预测指标的参数。

1 混凝土疲劳性能研究状况

工程中的混凝土结构大都受到重复循环荷载的作用。因此，正确评价受损混凝土结构的剩余使用寿命，从而进行抗疲劳设计是很有意义的。早期人们通过确定应力水平S和疲劳寿命N的关系来对混凝土疲劳寿命作出预测，由于混凝土自身离散性较大，只有依靠增加试件数量来寻求规律，但随着应力水平的降低，混凝土疲劳试验费时、费力，而且对于变幅值循环的情况，S-N关系曲线对预测混凝土寿命作用不大。

损伤力学出现后，人们试图将疲劳寿命与结构材料所受的损伤建立联系，并且运用一些宏观上可测参量来描述损伤，出现了基于材料刚度衰减、强度衰减和塑性变形发展规律的方法来估算其剩余疲劳寿命。近年来一些新的测试手段如声发射、超声波、工业CT等也开始应用于损伤描述。由于混凝土材料存在较大的离散性，因而所得结果尚不够精确或只能做定性判断。

2 混凝土疲劳寿命的主要影响因素

2.1 弹性模量、泊松比对疲劳寿命的影响

用混凝土的弹性模量预测其疲劳寿命，发现当弹性模量在某一值时，其疲劳寿命最大，低于或高于此值时其疲劳寿命均有所降低，表明疲劳寿命不仅与强度有关，而且与材料脆性也有关系。为了验证探索疲劳寿命与材料弹性模量的关系，对已有实验及其数据进行分析。试验数据分布离散与已有实验的结果不一致。究其原因，一方面与混凝土材料的离散性对试验结果的影响有关，另一方面弹性模量并不能很好地反映材料韧性，而与疲劳性能密切相关的参数是材料的强度和韧性，因此，仅用弹性模量指标很难预测混凝土疲劳寿命。

混凝土试件在轴压作用下产生纵向压应力的同时也会产生环向拉应力，而混凝土的抗拉性能远远不及其抗压性能，因此，在破坏时往往会产生纵向裂纹。泊松比所反映的正是在纵向作用下混凝土的横向变形能力，所以将其作为影响疲劳寿命的一个指标加以研究。与弹性模量相似。

2.2 密度对疲劳寿命的影响

选择密度作为预测疲劳寿命的参数，是因为混凝土发生疲劳破坏与其内部的孔隙有很大的关系。由于不同试件表面及内部孔洞不同，导致试件之间存在密度差异，因此混凝土密度对其疲劳寿命的影响不可忽视。试件内的孔洞，孔洞的形状和分布形式对疲劳寿命也有一定程度的影响，通过密度只能定性预测试件疲劳寿命的趋势，要得到精确的预测结果，还需要借助于其他测试手段。

2.3 最大塑性变形

疲劳试验发现，即使是同一批试件，其疲劳寿命也往往表现出较大的离散性，虽然原因很多，但应力水平对疲劳寿命的影响最大，当应力水平相差3%时，疲劳寿命相差约60%。可以推测试件疲劳寿命越长，其真实应力水平越低。随着试件破坏时塑性应变的增大，其疲劳寿命有延长的趋势。这是因为疲劳寿命越短，其真实应力水平越高，在高的应力水平作用下，试件的损伤更容易集中分布在某一薄弱面上而使其提前破坏，从而使塑性变形不能得到充分的发展。从能量的角度来看，材料的疲劳过程是其塑性能被消耗掉的过程。试验结果表明，应力水平低的试件在整个疲劳过程中消耗的能量高于应力水平高的试件。

2.4 基于塑性应变率的疲劳寿命预测

混凝土疲劳过程中其变形发展表现出明显的三阶段规律，即裂纹萌生阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹失稳发展阶段，且三阶段的比例大致为1∶8∶1。材料的塑性变形中包含两部分：一部分是由静载因素产生的塑性变形εps，另一部分是由疲劳因素产生的塑性变形εpf。应力水平越高，塑性应变随循环率增长越慢。实验中所取的疲劳塑性变形是疲劳过程中的总变形εp与第一个循环后的残余变形之差，即εpf=εp-εps，这样就在一定程度上扣除了由静载因素产生的塑性变形影响，而主要考虑由疲劳因素产生的塑性变形。随着应力水平的提高，试件在破坏时的最大疲劳塑性变形减小，从而使塑性应变随循环率增长变慢。由于不同应力水平试件的塑性变形增量差值相对较少，而循环次数以不同数量级增加，因此，随着应力水平的提高，塑性变形随循环次数的增长率不断降低。

2.5 矿物掺合料对混凝土疲劳性能的影响

试验结果表明：疲劳寿命随矿物掺合料掺量的变化趋势与应力水平S有关。当S≤0.80 时，疲劳寿命N随矿物掺合料掺量的增加而增加；当S>0.80 时，疲劳寿命随矿物掺合料掺量的增加而下降。疲劳强度折减系数具有随矿物掺合料掺量的增加而提高的趋势，大掺量矿物掺合料混凝土的疲劳强度折减系数显著增大。以道路工程为例，矿物掺合料掺量较低时，应力水平S与疲劳寿命的对数值lgN基本上呈现良好线性关系。但当矿渣掺量达到 80%，粉煤灰掺量达到 50%时，在S=0.85 与S=0.80 之间的线段斜率明显不同， 使整个连线出现了一个平缓的台阶。在同一级应力水平下，疲劳寿命近似服从两参数威布尔分布，不同矿物掺合料掺量混凝土的S-N方程及S-P-N方程为相关的工程设计提供了依据。

3 结论

1.弹性模量和泊松比不能很好地反映混凝土韧性，对其疲劳寿命的影响较为离散，不适合作为预测混凝土疲劳寿命的指标。

2.随着试件密度的增大，混凝土疲劳寿命有延长的趋势，但由于受到其孔洞形状和分布形式的影响，此趋势具有一定的离散性。

3.混凝土受压疲劳试件破坏时的最大塑性变形随试件疲劳寿命的延长而增大，说明在较低的应力水平下有利于混凝土韧性的发展。

4.混凝土塑性应变在发展的第二阶段呈线性变化，因此，可以用塑性应变增长率来预测混凝土疲劳寿命，且预测结果与实测结果较为一致。

5. 加入矿物掺合料的混凝土材料在疲劳损伤过程中其变形、弹性模量、强度等性质均会发生相应的变化，是其内部损伤积累的宏观表现。本文没有涉及到矿物掺合料对混凝土疲劳损伤过程中各种物理、力学性质的变化规律的影响，开展这方面的研究能够为掺矿物掺合料的混凝土结构在疲劳荷载作用下的损伤状况及服役寿命进行评估和预测。

上述结论只具有一定的参考价值。

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作者简介：孙业昂（1991.01―），男，汉，辽宁省大连市，长安大学理学院2014级计算结构力学研究生。

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