混凝土裂紋的疲勞擴展和纖維阻裂機理

(重慶交通大學 重慶 400000)

前言

構件的裂紋問題一直以來都是工程界所關心的問提，如何分析和解決這些裂紋的問題一直都是工程人員研究的對象?，F如今我國經濟快速發展，國家的建筑行業也取得了巨大的進步。大部分的地區都在做大量的基建。在眾多的工程材料中，混凝土材料展現的優良特性使其被廣泛的應用。

一、混凝土裂紋成因分析

本文根據文獻[1-4]中對混凝土裂縫的介紹，對裂縫的種類和成因做出了歸納總結。根據文獻的介紹，可以將混凝土的裂縫大致分為以下的幾種:1.外部的荷載造成的裂紋；2.構件所處的環境溫度造成的裂紋；3.混凝土自身的收縮造成的裂紋；4.建筑物的地基基礎變位造成的裂紋；5.鋼筋混凝土構件里面的鋼筋的銹蝕造成的裂紋；6.混凝土受到低溫環境凍脹后造成的裂紋；7.構件施工時施工方法和用料所造成的裂紋等。

在實際工程建筑中，混凝土結構產生一定的裂紋是十分的常見，實際產生的裂紋的原因也比較復雜，各種因素之間甚至還相互影響，但裂紋的產生總是由一個主要的原因和幾個次要原因共同組成。工程中的混凝土開裂破壞通常是在循環荷載的反復作用引起的?；炷敛牧媳旧淼目估阅茌^差，容易產生脆性破壞，這一特性使得混凝土容易產生疲勞裂紋進而發生破壞。所以，設法控制疲勞裂紋的擴展在工程中顯得十分重要，本文將簡單介紹在混凝土中加入纖維后對疲勞裂紋的影響。

二、混凝土疲勞裂紋的發展

(一)混凝土的力學性能

考察混凝土在受到荷載作用下的力學特性，根據實驗結果分析，在受一次單調荷載作用和循環荷載作用下混凝土的應力應變關系如圖1所示。在不斷施加循環荷載后,應變在不斷累積，只要不超出單調荷載的應變輪廓，疲勞破壞就不會發生；若累積的應變超過了單調荷載作用下的應變值，混凝土就會發生疲勞破壞。

(二)混凝土的疲勞裂紋擴展機理

我們所接觸的混凝土一般都會因為一些原因使其本身有一些初始裂紋，例如環境影響，澆筑影響等。這些初始裂紋在反復交變的荷載作用下尺寸會逐漸增大，當裂紋的長度由初始長度發展到臨界長度時，混凝土構件就會破壞，這也就是混凝土構件的疲勞破壞。

疲勞裂紋在混凝土構件中得發展可分為三步:裂紋形成、裂紋擴展和構件斷裂。第一步：混凝土得抗拉強度不好，若在60%極限抗拉強度出現了裂紋，這是裂紋形成。在這個階段，應力和應變曲線是線性的，表面開始出現小裂縫。第二步：當載荷達到70%的拉伸強度時，混凝土溶液和骨料之間會發生一定的滑移。膨脹并開始滲透到亞臨界疲勞裂紋狀態。在這個階段，微裂紋緩慢而穩定地發展。如果負載停止，裂縫中斷。第三步：當載荷達到最大載荷時，裂紋在兩側出現。應力會松弛，部分裂紋也會閉合。并且斷裂區的寬度會很窄，與此同時裂縫區會迅速向前擴展，主裂縫快速發展使得試件完全斷裂[5]。

三、加入纖維后裂紋的阻裂

(一)疲勞裂紋擴展公式

國內外對疲勞裂紋的計算的研究公式有很多，大量的專家做了大量的研究。較常用的公式有Paris公式。由于Paris公式的簡單和方便，所以在理論研究和工程應用中的使用比較廣泛。Paris公式；

式中c和m是材料參數，與實驗條件，例如環境、頻率、溫度和應力比值等有關，△K1為應力強度因子幅度，以上公式可以計算混凝土的疲勞壽命。即產生初始裂紋和達到破壞時所經歷的循環荷載的次數。

(二)纖維阻裂的機理

研究表明，纖維在混凝土中承三維亂象分布，當纖維跨越兩個裂縫時，就會對其產生一個壓反力，減小了應力強度因子，從而阻斷微裂紋的擴展，如圖所示I的應力強度因子為K1；II的應力強度因子為K2，纖維應力σ=0；III的應力強度因子-K3，應力纖維σ。可以得出，狀態I和狀態II之間的差異是第一個增加反作用力σ和應力強度因子K1=K2-K3?？梢钥闯?，在添加纖維之后，應力強度因子降低。這就意味著裂紋擴展速率的降低，同時也延長了混凝土的疲勞壽命。

圖2

四、結論

我們需要分析找出混凝土在長期使用后產生裂紋的原因并設法解決這個問題，保障結構安全，增強結構的耐久性。雖然工程中的混凝土裂紋產生的原因很多，但是在分析了裂紋成因和影響因素之后我們可以更在注意這些方面的影響，在實際施工和設計中多加控制，盡量減少不必要因素對混凝土裂紋產生的影響?；炷猎陂L期使用過程中，受到疲勞破壞是在所難免的，但是通過上述分析可以的知，在混凝土中加入纖維不僅可以提高混凝土的韌性，還可以有效減少尖端裂紋的應力強度因子，從而降低裂紋擴展的速率。所以，對于一些設計使用壽命較長的建筑物時，我們可以在混凝土中加入一定的纖維來提高混凝土的使用壽命。