潘少林，劉學虎，周 洋，金飛帆，余海鋒

（武漢大學，湖北 武漢 430072）

前言

20世紀初期，人們開始了單一纖維混凝土疲勞性能的研究。其中鋼纖維自身強度高、分散性好，聚丙烯纖維自身化學性質穩(wěn)定、質輕且分散性好，所以這兩種纖維在眾多纖維材料中脫穎而出。但隨著技術的發(fā)展，人們逐漸意識到單一纖維其對混凝土的增強增韌作用較為局限，并且纖維本身也會存在一些缺點，不可避免地對混凝土的力學性能造成一定影響。于是有學者開始考慮將多種材料的纖維同時與混凝土混合，讓不同材料的纖維發(fā)揮各自的性能優(yōu)勢，相互補充，從而更好地提高混凝土的性能。由于混雜纖維起源較晚，發(fā)展時間短，所以關于混雜纖維混凝土的性能特點以及混雜纖維的作用機理的了解還是比較局限。同時，混雜纖維對混凝土疲勞性能的研究很少，關于混雜纖維提高混凝土疲勞性能的作用機理知之甚微。目前已有的關于碳纖維和聚丙烯混凝土疲勞性能的相關研究報告中，也得出了一系列關于纖維增強混凝土疲勞性能的結論，但在關于不同纖維摻量、摻雜比和混雜纖維混凝土應力水平及疲勞壽命間的具體關系等方面的仍未得出具有較強理論性的結論。

1 試驗概況

1.1 試驗相關簡介

本論文試驗按照《鋼纖維混凝土試驗方法》（CECS38：89）等現(xiàn)行法規(guī)規(guī)范進行科學試驗。試驗試件在標準條件下養(yǎng)護28d之后開始彎曲疲勞性能研究。

根據(jù)混凝土結構相關知識，對試件的疲勞試驗進行理論分析，常用的有正態(tài)分布理論和威布爾分布理論。按照正態(tài)分布理論，只有當對數(shù)安全壽命趨近于無窮大時，可靠度才等于100%。因此，正態(tài)分布理論只適用于中、短壽命區(qū)的情況。

1.2 試件設計

實驗中采用的梁的尺寸為1200mm×180mm×280mm，共3根。素混凝土的配制材料為普通硅酸鹽水泥52.5級，I級粉煤灰，石英斑巖石，萘系高效減水劑FDN。采用的鋼纖維是武漢漢森鋼纖維有限公司生產的SFB-32鋼纖維，長徑比57，抗拉強度>600MPa；采用的聚丙烯纖維是香港恒律發(fā)展有限公司提供的美國杜拉牌聚丙烯纖維。

1.3 實驗方案

實驗選取采用四點彎曲疲勞實驗，支座位置及加載位置如圖1所示。用疲勞試驗機按正弦波形式對試件施加荷載。在梁的側面跨中位置、底部跨中位置以及距底部跨中200mm處貼上應變片；在梁的頂部跨中位置以及底部距跨中200mm的放置位移計，以方便觀察梁受荷載后各個部位的應力、應變及撓度。測出疲勞壽命，并且通過讀取應變儀和位移計的數(shù)據(jù)計算指定位置的全過程應力、應變曲線和梁跨中撓度，建立彈性模量E與荷載循環(huán)次數(shù)n的關系。通過細致的觀察了解混凝土梁的裂縫及斷裂情況。試驗設3組，每組1根梁，以不同的鋼纖維和聚丙烯纖維的配比加以區(qū)分。通過對3組試驗試件的抗疲勞性能的比較，得出最終結論。每組實驗試件均一1次澆筑成型，在標準條件下養(yǎng)護到28d規(guī)定齡期后分別進行彎曲疲勞試驗。

圖1 試件加載狀況及應變片、位移計放置位置

2 試驗步驟

2.1 澆筑混凝土梁

按照不同的鋼纖維和聚丙烯纖維的配比澆筑混凝土，在標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護28d。

2.2 檢查試件

在試驗前一天取出試件，檢查試件表面，不得有超過試驗規(guī)范的孔洞存在。用記號筆標出支撐點、加載點以及貼應變片的位置，置于標準試驗條件下晾干。

2.3 貼應變片

打磨試件，清理過后用酒精清洗，用AB膠找平，做好貼應變片的前期準備。然后用502將應變片均勻貼好，并在上面覆蓋一層白乳膠以起到保護應變片的作用，待膠水凝結后接好細線。

2.4 按照四點彎曲疲勞試驗方案放置混凝土梁

接好應變儀并且將位移計放置妥當，試件必須放穩(wěn)對中后再開動試驗機。

2.5 對試件連續(xù)、均勻地加載循環(huán)荷載

在一切正常情況下觀察并記錄數(shù)據(jù)。

3 試驗現(xiàn)象

試件按照試驗設計要求放穩(wěn)對中后，緩慢開動試驗機，當壓頭剛好接觸試件時停止，再次檢測試件是否放置平穩(wěn)。上述工作準備就緒之后，預加荷載，使位移計顯示正常之后，按照指定頻率開動機器，對試件進行加載。位移計的指針左右擺動，隨著時間的增長，擺幅中心在漸漸的增大。同時應變儀上顯示的數(shù)值也在一定的范圍內變化，最大值慢慢的增大。前7h試件表面沒有明顯的變化，7h之后，試件底面即最大拉應力面開始出現(xiàn)微小裂紋，且慢慢增大。試驗進行到第8h，試件出現(xiàn)斷裂，發(fā)出明顯的斷裂聲，試驗結束。

4 材料彎曲疲勞性能試驗結果與分析

本次混雜纖維混凝土彎曲疲勞試驗過程中，每隔1h停止試驗來記錄各儀器讀數(shù)。由于彎曲疲勞荷載的頻率固定，故荷載循環(huán)次數(shù)n與加載時間t成正比，故試件測點撓度隨循環(huán)次數(shù)n及應變隨循環(huán)次數(shù)n的變化曲線均可用撓度隨加載時間的變化曲線及應變隨加載時間的變化曲線來代替且二者反應的變化規(guī)律相同。

現(xiàn)以1號試件和3號試件為例，給出3個撓度測點數(shù)據(jù)及7個應變測點數(shù)據(jù)隨加載時間變化曲線如圖2～圖5所示。

圖2 1號試件1、2、3測點撓度與加載時間變化曲線

圖3 1號試件1～7號測點應變與加載時間變化曲線

圖4 3號試件1、2、3測點撓度與加載時間變化曲線

圖5 3號試件1～7號測點應變與加載時間變化曲線

5 結語

由圖2可以看出，隨著循環(huán)加載次數(shù)n的增加，混雜纖維混凝土試件各測點的撓度值呈波動增加的趨勢。并且3個測點中中間測點的撓度值在開始撓度較小時，由于與左右兩測點的水平間距較?。?00mm）導致與左右兩測點的撓度值相差不大；隨著加載時間的增加，試件內部由于產生疲勞損傷以及微裂縫等導致試件整體的抗彎強度下降，在循環(huán)荷載大小不變時導致各測點的撓度值逐漸增大。并且由數(shù)據(jù)可以看出時間中部即測點2對應的位置撓度值增加較快，導致其與左右兩測點的撓度值相差更為明顯。此外，對稱分布的1、3測點同一次的撓度測量結果相差較小，說明了測點位置選擇及測量結果的準確性。

從1號試件和3號試件各測點撓度隨加載時間變化曲線可以看出，在加載時間小于試件的疲勞壽命時，整體上各點撓度值均呈增加趨勢，但并不是一直穩(wěn)定增加而是增加一段時間后便穩(wěn)定下來幾乎不變，穩(wěn)定一段時間后再顯著增加然后再穩(wěn)定不變。即存在多次的應變硬化階段。經分析可知，在循環(huán)荷載加載過程中，隨著加載次數(shù)的增加，試件內部應力較大的部位由于疲勞破壞導致骨料與水泥之間、纖維與骨料之間、纖維與水泥之間等連接薄弱位置出現(xiàn)破碎或者裂縫，導致試件整體上的抗彎強度下降，故撓度值逐漸增加。一段時間后由于試件內部骨料和纖維位置的調整和進一步的相互作用，使得試件整體的抗彎強度達到新的平衡并逐漸穩(wěn)定，表現(xiàn)為這一階段的測點撓度值不隨加載時間的增加而變化。當新的平衡不足以繼續(xù)抵抗荷載時便又出現(xiàn)撓度值增加直至下一階段的穩(wěn)定平衡或者破壞。

與普通混凝土試件對比可以看出，由于混雜纖維混凝土內部纖維廣泛的分布及與水泥之間較為牢固的粘結作用，使得混雜纖維混凝土材料的疲勞壽命與普通混凝土相比顯著增加，且混雜纖維混凝土的疲勞破壞過程更加平穩(wěn)，應變變化趨勢更為穩(wěn)定，不會出現(xiàn)像普通混凝土材料那樣撓度或者應變突然發(fā)生急劇變化。即混雜纖維混凝土由于纖維的存在，延緩了材料內部微裂縫的出現(xiàn)和貫通，增強了材料的整體性，使得材料的疲勞壽命大大幅度提高。

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