纖維對(duì)混凝土疲勞性能影響研究綜述

王志慧+王磊+趙燕茹

【摘要】本文介紹了疲勞損傷變量和疲勞統(tǒng)計(jì)分析理論，S-N曲線、對(duì)數(shù)正態(tài)分布和威布爾分布，總結(jié)了鋼纖維，玄武巖纖維，玻璃纖維，碳纖維以及聚丙烯纖維對(duì)混凝土疲勞性能的影響情況，纖維對(duì)混凝土的疲勞壽命有不同程度的提高。

【關(guān)鍵詞】纖維混凝土；損傷變量；疲勞統(tǒng)計(jì)；疲勞壽命

【中圖分類號(hào)】TU528

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【Abstract】This paper introduces the fatigue damage variable and fatigue theory of statistical analysis， S-N curve， lognormal distribution and Weibull distribution， summarizes the steel fiber， basalt fiber， glass fiber， carbon fiber and polypropylene fiber effect on fatigue performance of concrete， fiber have different degrees of improvement on the fatigue life of concrete.

【Key words】Fiber reinforced concrete；Damage variable；Fatigue statistics；Fatigue life

道路工程的路面、跨海大橋和高速高架橋都受到疲勞荷載作用。日積月累的疲勞荷載導(dǎo)致這些結(jié)構(gòu)構(gòu)件的負(fù)擔(dān)加重，加速其破壞進(jìn)程，降低其使用壽命。這些結(jié)構(gòu)是否安全，是否能夠繼續(xù)滿足人們正常使用要求，其疲勞壽命如何發(fā)展，有何規(guī)律，是當(dāng)前土木工程行業(yè)研究學(xué)者進(jìn)行的重要課題。然而普通混凝土易出現(xiàn)裂縫，疲勞性能差，抗拉強(qiáng)度低，而在混凝土中加入纖維之后，能增強(qiáng)混凝土強(qiáng)度，韌性，耐久性以及混凝土疲勞性能，因而纖維混凝土的疲勞性能被眾多學(xué)者所研究。

1. 混凝土疲勞理論

1.1混凝土疲勞損傷變量的研究現(xiàn)狀。

混凝土疲勞損傷研究開始于20世紀(jì)80年代，在外荷載和環(huán)境共同作用下，由于微觀結(jié)構(gòu)上的缺陷對(duì)于材料的劣化過程稱為損傷。在連續(xù)損傷力學(xué)中，所有的微缺陷被連續(xù)化，它們對(duì)材料的影響用一個(gè)或幾個(gè)連續(xù)的內(nèi)部場(chǎng)變量來表示，這種變量稱為損傷變量[1]。

（1）Miner準(zhǔn)則。

通過理論推導(dǎo)可知混凝土的疲勞壽命分布服從兩參數(shù)和三參數(shù)威布爾分布，其中威布爾分布的相關(guān)系數(shù)更高，擬合程度更好，表明疲勞壽命的分布更加符合威布爾分布。兩參數(shù)威布爾分布法求出的疲勞壽命相對(duì)于三參數(shù)威布爾分布法較低，更加安全可靠，適合疲勞壽命的預(yù)測(cè)。

2. 纖維對(duì)混凝土疲勞性能研究

2.1鋼纖維對(duì)混凝土疲勞性能研究。

鋼纖維混凝土較普通混凝土在抗拉、抗剪、抗彎、抗扭強(qiáng)度等方面都有明顯的改善。混凝土中的鋼纖維可以拉結(jié)在裂縫兩端，起到控制裂縫，減小撓度作用。鞠楊[11]等通過試驗(yàn)經(jīng)歷先低后高的變幅荷載作用下，當(dāng)循環(huán)次數(shù)不超過臨界值時(shí)，可以提高鋼纖維混凝土疲勞壽命。貢金鑫[12]等在分析鋼纖維對(duì)鋼纖維混凝土疲勞特性提高機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出鋼纖維混凝土抗折的基本疲勞方程。高丹盈[13]等通過疲勞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)摻入鋼纖維的高強(qiáng)混凝土梁裂縫寬度減裂縫寬度減小35%～121% ，裂縫間距減小28%～67%。高丹盈[14]還得出鋼纖維能增強(qiáng)混凝土剛度，減小跨度。有研究表明[15～16]，鋼纖維混凝土在疲勞損傷過程中，經(jīng)歷損傷潛伏期，損傷穩(wěn)定發(fā)展期，損傷失穩(wěn)破壞期三階段。張小輝[17]研究表明在普通混凝土中摻入鋼纖維可以大幅度提高靜載壓抗折強(qiáng)度，并且鋼纖維混凝土的疲勞壽命符合兩參數(shù)威布爾分布。楊潤(rùn)年[18]對(duì)鋼纖維再生混凝土和鋼纖維卵石混凝土彎曲疲勞性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明彎曲疲勞壽命較好地服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布和兩參數(shù)威布爾分布。

2.2玄武巖纖維對(duì)混凝土疲勞性能研究。

玄武巖纖維由純天然玄武巖礦石經(jīng)高溫熔融后，由于生產(chǎn)原料取自火山巖，所以具有較強(qiáng)化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。具有斷裂強(qiáng)度高、彈性模量高、伸長(zhǎng)率低、耐高溫、耐低溫、熱傳導(dǎo)系數(shù)低、抗腐蝕、吸濕性低、重量輕、加工性能好等優(yōu)異性能，屬于一種全新的材料。楊勇新[19]等通過彎曲疲勞性能試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)粘貼玄武巖纖維布，可以極大的提高鋼筋混凝土梁的疲勞壽命。王海良[20]等研究不論等幅、變幅疲勞荷載下，粘貼玄武巖纖維布可以加固預(yù)損傷混凝土梁疲勞壽命。馬海濤[21]研究在瀝青混合料加入玄武巖纖維，也可以提高其疲勞壽命，改善其疲勞性能。吳永根[22]通過彎曲疲勞試驗(yàn)，結(jié)果表明玄武巖纖維會(huì)提高道面混凝土疲勞性能，并且可知玄武巖纖維道面混凝土的疲勞壽命是普通道面混凝土疲勞壽命的2.15～5.95倍。

2.3玻璃纖維對(duì)混凝土疲勞性能研究。

玻璃纖維是一種性能優(yōu)良的材料，種類繁多，屬于高彈模纖維。它的優(yōu)點(diǎn)是絕緣性好、耐熱性強(qiáng)、抗腐燭性好，機(jī)械強(qiáng)度高，但缺點(diǎn)是耐磨性較差。呂雁[23]等對(duì)普通混凝土以及摻入玻璃纖維混凝土的對(duì)比疲勞試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)摻入玻璃纖維可以提高其疲勞性能，疲勞壽命統(tǒng)計(jì)分布較好的服從威布爾分布。吳鵬[24]等通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了玻璃纖維摻量對(duì)輕骨料混凝土疲勞壽命的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明隨著玻璃纖維摻量的增多，疲勞壽命增大。

2.4碳纖維對(duì)混凝土疲勞性能研究。

碳纖維材料以其質(zhì)輕高強(qiáng)、耐腐蝕、不增加結(jié)構(gòu)自重等一系列優(yōu)點(diǎn)越來越多地被應(yīng)用到橋梁加固當(dāng)中。駱志紅[25]對(duì)加固鋼筋混凝土梁的抗剪疲勞試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，碳纖維布能夠限制斜裂縫的開展，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的疲勞抗剪能力。并且隨著纖維摻量的增加，加固的抗剪疲勞越好。

劉沐宇[26]等做出了貼碳纖維布加固損傷混凝土梁的疲勞試驗(yàn)。表明粘貼碳纖維布加固混凝土梁可以提高混凝土梁的疲勞壽命，提高混凝土梁的變形能力。李子奇[27]等通過對(duì)粘貼碳纖維布鋼筋混凝土梁的疲勞試驗(yàn)，表明碳纖維布可以改善加固梁的鋼筋混凝土受力性能，梁的壽命得到大大延長(zhǎng)。張偉平[28]等通過碳纖維布加固銹蝕鋼筋混凝土梁的疲勞試驗(yàn)中，表明碳纖維布能降低鋼筋應(yīng)力，延緩裂縫發(fā)展速度，提高混凝土梁疲勞壽命。endprint

2.5聚丙烯纖維對(duì)混凝土疲勞性能研究。

蔡鵬宏[29]等通過三分點(diǎn)加載試驗(yàn)，研究表明聚丙烯纖維混凝土的疲勞壽命高于普通混凝土，并且疲勞壽命可達(dá)3.07倍。陳拴發(fā)[30]也通過三分點(diǎn)加載試驗(yàn)，結(jié)果表明摻入聚丙烯纖維不僅可以提高混凝土強(qiáng)度，還可以成倍地增加混凝土的疲勞壽命。張偉[31]通過疲勞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)改性聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土的彎曲疲勞性能較普通混凝土的彎曲疲勞性能好，且應(yīng)力水平越高，改性聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土的疲勞壽命增長(zhǎng)幅度越大。陳濤[32]通過抗彎疲勞性能試驗(yàn)，得出聚丙烯纖維可以抑制混凝土裂縫擴(kuò)展，延緩裂縫擴(kuò)展，提高混凝土抗裂性能。

3. 結(jié)語

本文通過總結(jié)纖維混凝土疲勞相關(guān)理論研究，發(fā)現(xiàn)纖維能增強(qiáng)混凝土抗疲勞性能，可以提高混凝土的疲勞壽命，減小混凝土裂縫寬度。在研究纖維對(duì)混凝土疲勞性能研究當(dāng)中，學(xué)者對(duì)于鋼纖維研究的最多，然而學(xué)者對(duì)玻璃纖維對(duì)混凝土疲勞性能影響研究最少。其次碳纖維大多數(shù)被應(yīng)用到橋梁加固當(dāng)中。總結(jié)單摻纖維對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞性能研究，然而混摻纖維對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞性能研究少之又少，急待研究者解決；從疲勞因素考慮，本文重點(diǎn)介紹了直接作用的結(jié)構(gòu)荷載，然而橋梁結(jié)構(gòu)還長(zhǎng)期承受溫度荷載的作用，所以纖維對(duì)結(jié)構(gòu)的疲勞性能在溫度疲勞荷載的影響還有待于研究。

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