纖維對混凝土疲勞性能的影響研究現(xiàn)狀

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

在實(shí)際工程中，許多結(jié)構(gòu)除了承受靜荷載外，還要承受動荷載的作用，如吊車梁、海洋平臺、橋梁等。這些承受動荷載作用的結(jié)構(gòu)構(gòu)件受到交替變化的荷載作用，產(chǎn)生交替變化的應(yīng)變，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)生低于靜載設(shè)計強(qiáng)度的破壞，即疲勞破壞[1]。混凝土結(jié)構(gòu)是當(dāng)今世界使用的主要結(jié)構(gòu)之一，混凝土結(jié)構(gòu)的疲勞是一個復(fù)雜的過程，影響因素多，其中纖維摻量是影響混凝土疲勞性能的因素之一，諸多研究表明，纖維對混凝土疲勞性能影響顯著，因此，纖維混凝土疲勞性能的研究，是今后學(xué)者研究的主要方向之一。

1 混凝土疲勞累積損傷機(jī)理

對于混凝土的疲勞損傷理論，許多學(xué)者進(jìn)行了研究。混凝土等材料由于內(nèi)部的細(xì)觀缺陷當(dāng)受到外荷載和環(huán)境等因素作用時，材料的劣化過程稱為損傷。現(xiàn)就常用兩種損傷理論簡單介紹[6]。

1.1 Miner準(zhǔn)則

Miner在1945年提出了線性累計損傷理論，又稱Miner準(zhǔn)則，表達(dá)式：

式中，ni為給定應(yīng)力水平Si下的循環(huán)次數(shù)；Ni為該應(yīng)力水平下材料的疲勞壽命。

1.2 Henry損傷模型

Henry在1955年假設(shè)等幅疲勞S-N曲線為N(S-E)=k,假設(shè)等幅剩余S-N曲線為(N-n)(S-E’)=k’,由此推得等幅疲勞損傷為

2 纖維混凝土疲勞性能研究進(jìn)展

纖維混凝土作為一種新型的建筑材料在保留混凝土抗壓強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)的條件下，由于纖維在混凝土機(jī)中的三維亂向分布兼并了纖維抗拉強(qiáng)度比混凝土高得優(yōu)點(diǎn)，提高混凝土抗拉強(qiáng)度，改善混凝土的抗裂性能和混凝土變形能力，對混凝土的耐久性能也起到提高作用。近年來，諸多學(xué)者對纖維混凝土疲勞性能也進(jìn)行了試驗研究，曹誠[2]等，對聚丙烯纖維混凝土和普通混凝土分別進(jìn)行了疲勞性能試驗研究，結(jié)果表明：當(dāng)纖維摻量較低時，混凝土的疲勞性能得到明顯提高。陳拴發(fā)[3]的研究發(fā)現(xiàn)，在混凝土中摻入聚丙烯纖維可以顯著提高混凝土的彎曲疲勞性能，在大應(yīng)力作用下，聚丙烯纖維使混凝土的疲勞壽命成倍增長。呂雁[4]研究了玻璃纖維摻量分別為0%、0.6%、0.8%和1%的玻璃纖維混凝土及普通混凝土的基本力學(xué)性能和抗彎曲疲勞性能及累積損傷研究，結(jié)果證明了，玻璃纖維混凝土疲勞壽命服從兩參數(shù)、三參數(shù)威布爾分布，玻璃纖維混凝土的疲勞強(qiáng)度高于普通混凝土和鋼纖維混凝土。呼鐵明[5]等，通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，鋼纖維自應(yīng)力混凝土加固簡支連續(xù)梁，梁的負(fù)彎矩及跨中鋼筋應(yīng)力幅、裂縫寬度和跨中撓度較普通混凝土及剛纖維混凝土都明顯降低，梁的疲勞壽命提高，裂縫寬度較普通混凝土降低25.0%～32.0%。方志[6]等，研究了鋼纖維摻量對活性粉末混凝土抗疲勞性能的影響，研究表明：鋼纖維可明顯提高活性粉末混凝土的疲勞壽命和疲勞強(qiáng)度，并提出鋼纖維含量分別為1.5%和3%時，疲勞彈性模量與初始彈性模量的比值分別取0.7和0.75。鄧宗才[7]-[9]等，研究了碳纖維混凝土帶切口三點(diǎn)彎試驗梁進(jìn)行了低周疲勞斷裂試驗，試驗發(fā)現(xiàn):碳纖維混凝土的斷裂參數(shù)與循環(huán)加載幅值有關(guān)。在混凝土中加入碳纖維可明顯提高混凝土疲勞斷裂壽命，是是素混凝土的2.1～2.8倍。碳纖維混凝土能量吸收能力較素混凝土明顯提高，是素混凝土的9.5～13.2倍。對碳纖維、鋼纖維混凝土低周抗壓疲勞性能也進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，碳纖維和鋼纖維在低應(yīng)力水平時的疲勞壽命、能量吸收值均明顯高于高應(yīng)力水平相應(yīng)的值。朱翠冉[10]對在不同玄武巖纖維摻量、不同應(yīng)水平下鋼混凝土梁進(jìn)行等幅疲勞試驗研究，對疲勞破壞特征、撓度、混凝土應(yīng)變、鋼筋應(yīng)變及梁的剛度進(jìn)行了分析，最后通過玄武巖纖維鋼筋混凝土梁的S-N曲線擬合不同體積摻量疲勞壽命方程。

綜合近年來研究成果，在混凝土中摻加聚丙烯纖維、鋼纖維、玻璃纖維、碳纖維均能改提高混凝土抗疲勞強(qiáng)度，延長疲勞壽命，裂縫寬度減少，使混凝土的整體性更好，彈性模量明顯提高。但均是通過試驗對纖維混凝土疲勞試驗進(jìn)行研究，對于多因素下纖維混凝土疲勞性能的研究還有待進(jìn)一步深入，且對玻璃纖維、玄武巖纖維對混凝土疲勞性能的研究甚少，還需進(jìn)一步研究，以形成適合與玄武巖纖維混凝土疲勞性能的相關(guān)理論，促進(jìn)玄武巖纖維混凝土在土木工程領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。

3.結(jié)語

工程中常用的纖維可分為，聚丙烯纖維、玻璃纖維、鋼纖維、碳纖維、玄武巖纖維等。通過對近年來纖維混凝土疲勞性能研究總結(jié)發(fā)現(xiàn)：在混凝土基體中摻入聚丙烯纖維、碳纖維、鋼纖維、玻璃纖維等得到的新型纖維增強(qiáng)混凝土，不僅混凝土抗拉強(qiáng)度、抗劈裂、變形能力均有提高，并且混凝土的疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命也得到提高。對于多因素下纖維混凝土疲勞性能的研究還有待進(jìn)一步深入。但目前，對玄武巖纖維混凝土、玻璃纖維混凝土疲勞性能的研究尚不完善，玄武巖纖維對混凝土疲勞壽命、疲勞強(qiáng)度的影響還有待進(jìn)一步研究。因此，對玄武巖纖維混凝土抗疲勞性能的研究是混凝土研究的又一重要方向。

[1]辛雷，姜福香，蔣金洋，譚明，李福如.混凝土疲勞性能試驗研究現(xiàn)狀[J].青島理工大學(xué)學(xué)報.2011.32(3):14-20.

[2]張偉，王生武，趙晶，改性聚丙烯纖維混凝土抗疲勞性能研究[J].山西建筑.2008（28）:5-6.

[3]曹誠，劉家彬.聚丙烯纖維對混凝土動力學(xué)特性的影響研究[J].2001（02）：18-20.

[4]陳拴發(fā).聚丙烯纖維混凝土彎曲疲勞性能[J].西安公路交通大學(xué)學(xué)報.2008(02):64-67.

[5]呂雁.玻璃纖維混凝土的彎曲疲勞性能及累積損傷研究[D].昆明理工大學(xué)博士論文.2012.

[6]胡鐵明，黃承逵，陳小鋒，梁振宇.鋼纖維自應(yīng)力混凝土加固簡支變連續(xù)梁疲勞試驗[J].大連理工大學(xué)學(xué)報.2011.51(01)：90-95.

[7]鄧宗才，錢在茲.低周循環(huán)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(xué)報.2000.13(02)：64-68.

[8]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(xué)報.2000.(09)：37-43.

[9]鄧宗才.碳纖維、鋼纖維混凝土低周抗壓疲勞特性的試驗研究[J].水利學(xué)報.2001.(02)：38-43.

[10]朱翠冉.玄武巖纖維鋼筋混凝土梁疲勞試驗性能研究[D].內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)碩士論文.2013.