碳纖維混凝土彎曲疲勞試驗研究

徐薄

摘要：對加入體積含量為0.1%的碳纖維混凝土進行了疲勞試驗研究，獲得了不同應力水平作用下的碳纖維混凝土試件的疲勞壽命，和已有的素混凝土文獻資料對比，疲勞壽命次數有較大的提高。并應用了疲勞壽命統計學理論確定了碳纖維混凝土疲勞壽命統計規律服從兩參數的威布爾分布。對每組試件底部應變進行曲線擬合，發現應變在100范圍內增長曲線基本都符合對數曲線擬合，且找到了在本文中應力水平對應的跨中底部應變和疲勞次數的最好關系表達式。

Abstract： In this research， reinforced concrete with 0.1% of carbon fiber was tested and various ranges of fatigue life of carbon fiber reinforced concrete specimens under different stress levels were obtained. Compared with the existing concrete literature， the fatigue life times were improved greatly. The fatigue life statistics of carbon fiber reinforced concrete were determined by the fatigue life statistic theory called Two-parameter Weibull distribution. The curves of the bottom strain of each specimen were fitted， the result showed that the growth curve of the strain is basically in accordance with the logarithmic curve fitting in the range of 100. Furthermore， the stress level corresponds to the optimal relationship between the bottom strain and the number of fatigue were found in the test.

關鍵詞：碳纖維混凝土；疲勞壽命；跨中撓度；底部應變

Key words： carbon fiber reinforced concrete；fatigue life；mid-span deflection；bottom strain

中圖分類號：TU528.582 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）04-0128-03

0 引言

隨著我國科技的發展，工程發展的腳步也越來越快。自從混凝土被發明之后，大規模的應用于工程建設中，在當今世界成為了一種主流建筑材料，其地位不可替代。為了能充分的利用混凝土，學者們不斷地改良它的性能，使其達到經濟最優，性能最優。近年來很多學者已經取得了很多成果，但是在一些存在重復荷載領域，如高速公路、橋梁工程等領域中，雖然工程師已經掌握了結構理論，但還是在承受彎曲重復荷載作用下，結構構件容易發生疲勞破壞，導致構建承載力失效，影響工程結構的正常使用。主要原因除了與結構耐久性設計等因素有關外，還與混凝土的疲勞性能有關，因此怎樣提高混凝土抗疲勞性能，延長其使用壽命是一個重要的研究內容。混凝土中加入纖維是很多學者公認的能提高混凝土綜合性能的有效方式。隨著碳纖維的出現，碳纖維優越的力學性能，也讓人們廣為熟知，由于其價格偏高，為了充分利用它的優勢，已將它廣泛用于工程結構加固并建立了一系列加固理論。目前鄧宗才[1][2][3]等對其低周疲勞斷裂特性，低周循環加載歷史對其斷裂特性影響，等幅、變幅疲勞斷裂與損傷性能做了大量研究，發現碳纖維對混凝土疲勞性能有較大提高。不足之處是對試件進行預制缺口，讓其破壞，未對自然狀態的梁用應力水平控制其應力上下限來分析其壽命、應變?；炷林屑尤胩祭w維，在疲勞過程中底部應變的發展，都會影響其疲勞壽命，故本文以應力水平為變量，在MTS疲勞試驗機上進行疲勞試驗，研究其應力水平分別為S=0.6、S=0.7、S=0.8作用下疲勞壽命、跨中底部應變。

1 試驗材料及試樣制備

1.1 試驗材料

按照普通混凝土配合比設計規程《JGJ55-2011》配置強度等級為C30的混凝土，配合比為水泥：水：砂：石= 349kg：185kg：597kg：1269kg。水泥用云南省紅河水泥廠生產的P·O425級水泥，粗骨料采用粒徑為5-20mm的機械碎石，細骨料采用機制中砂，加入體積含量為0.1%的碳纖維（東麗T700-12K-50C），力學性能參數見表1。

1.2 試樣制備

由于碳纖維在水中不能很好的分散，拌和工藝是一個很關鍵的因素，本文采用先骨料混拌和，再加水。具體拌和工藝：碎石+砂拌和1分鐘，再加入碳纖維拌和1分鐘，再加入水泥拌和1分鐘，最后加入水拌和3分鐘。拌和過程中采用強制攪拌機攪拌，盡量避免拌和不均勻影響成型質量。制作尺寸150mm×150mm×550mm梁試件共18根，3根用于靜載試驗，其余15根用于3組應力水平對應的疲勞試驗，標準養護28天。試驗進行前，對試件進行測點布置。在碳纖維混凝土梁底部跨中沿橫向均布3片應變片（BX120-100AA），測量混凝土底部應變，如圖1所示。

2 梁彎曲疲勞加載試驗

2.1 試驗方法

試驗設備由MTS809和3817動態應變儀組成。對于疲勞加載頻率，目前沒有統一規范規定，根據試驗機的性能和試件成本、周期，通常采取的加載頻率為5-15Hz。而加載頻率在100-900次/分鐘之間對混凝土的疲勞強度無明顯影響。本實驗選擇MTS試驗機加載頻率為10Hz，波形為正弦波，采用力控制加載方式，裝置圖如圖2所示。3817動態應變儀采集頻率為5Hz，同時采集底部應變和跨中撓度。試驗中分別對三組梁試件（每組5根），以應力水平為0.6、0.7、0.8進行疲勞試驗。為了消除加載瞬間沖擊荷載帶來的影響，故先確定應力比為0.1，由靜力加載試驗得到的平均最大破壞強度為=25.71kN，由疲勞加載公式（1）和（2）可以得到應力水平對應的應力上限和應力下限，并進行試驗。endprint

S=σmax/f（1）

r=σmin/σmax （2）

式（1）、（2）中：S-應力水平；σmax-最大應力；f-平均破壞強度；σmin-最小應力；r-應力比，取為0.1。

2.2 試驗結果及分析

2.2.1 疲勞壽命結果及分析

不同應力水平作用下，加入體積含量為0.1%的碳纖維混凝土各試件的疲勞壽命見表2。

李永強[4]等對素混凝土彎曲疲勞做了研究，研究結果顯示當應力水平S=0.8時，最大破壞次數為8411次，S=0.7時，最大破壞次數為58835次，S=0.6時，最大破壞次數為2116598次。與本文試驗結果對比表明：加入0.1%的碳纖維，對混凝土疲勞次數有較大提高。

由于混凝土是一種復合人工材料其離散性非常大，由于其樣本數量較小，必須借助較為科學的統計理論方法對其試驗結果進行分析探究，得出的結論才更為可靠。本文采用兩參數的weibull模型[5]來分析研究碳纖維混凝土的疲勞壽命分布。

兩參數的weibull分布概率密度函數為：

式（7）為一次函數關系表達式，c和β兩個參數可以從直線上得到。且式（7）可以用來做試驗結果的兩參數weibull分布的假設檢驗，如果試驗數據的回歸分析結果能夠表明Y和X之間呈現出比較好的統計關系，則假設就成立。將各個對應應力水平作用下，疲勞試驗得到的K個試驗結果從小到大按順序排列，順序號為i，疲勞壽命次數為NP所對應的疲勞可靠度P可用下式（8）來計算：

2.2.2 底部應變結果及分析

混凝土梁底部跨中沿橫向均布三片應變片，觀測其應變增長規律。在疲勞過程中，每組進行五個試件的疲勞應變統計（與撓度同步統計），對同一應力水平的每個試件在0-100范圍內應變值和疲勞次數進行對數曲線擬合，每組選擇擬合曲線最好的一根，如圖4所示。

圖4結果表明：疲勞應變數值在0-100范圍以內，各應力水平對應的應變值與疲勞次數符合對數曲線擬合。當應力水平S=0.8時， （a）擬合曲線的結果最好，即可以得到加入0.1%體積含量的碳纖維混凝土跨中底部應變值在0-100范圍內的應變值和疲勞次數的關系表達式為ε= 26.631ln（N）+1.4367；當應力水平S=0.7時， （b）擬合曲線的結果最好，即可以得到加入0.1%體積含量的碳纖維混凝土跨中底部應變值在0-100范圍內的應變值和疲勞次數的關系表達式為ε=7.5246ln（N）+15.67；當應力水平S=0.6時，（c）擬合曲線的結果最好，即可以得到加入0.1%體積含量的碳纖維混凝土跨中底部應變值在0-100范圍內的應變值和疲勞次數的關系表達式為ε=7.3987ln（N）+16.118。此結論可以作為公路質量疲勞檢測中底部應變和疲勞次數對應關系的參考表達式。

3 結論

通過對C30混凝土加入體積摻量為0.1%碳纖維進行疲勞試驗研究得到以下結論：①疲勞試驗結果和已有文獻的素混凝土彎曲疲勞數據對比發現加入0.1%的碳纖維，對混凝土疲勞次數有較大的提高。對其碳纖維混凝土壽命統計分析，得到每組壽命分布能較好地服從兩參數的weibull分布。②對各組試件的底部跨中應變進行疲勞過程連續采集，發現其應變在100范圍內，疲勞次數和應變曲線擬合滿足對數曲線。且找到了本文應力水平對應次數和底部應變的最好關系表達式。此關系表達式可作為公路疲勞檢測中，底部應變與疲勞次數的參考關系表達式。

參考文獻：

[1]鄧宗才，錢在茲.短碳纖維混凝土低周疲勞斷裂特性的試驗研究[J].水利學報，2000，31（9）：0037-0044.

[2]鄧宗才，錢在茲.低周循環加載歷史對碳纖維混凝土斷裂特性影響的試驗研究[J].中國公路學報，2000，13（2）：64-68.

[3]鄧宗才，黃博升，閆同英，等.碳纖維混凝土等幅，變幅疲勞斷裂與損傷性能的試驗研究[J].混凝土與水泥制品，2000（z1）：52-54.

[4]李永強，車惠民.在等幅重復應力作用下混凝土彎曲疲勞性能研究[J].鐵道學報，1999，21（2）：76-79.

[5]呂雁，程赫明，馬志廣.玻璃纖維混凝土的彎曲疲勞試驗研究[J].混凝土，2012（9）：50-53.endprint