纖維對混凝土疲勞性能的影響研究現狀

（內蒙古工業大學土木工程學院， 內蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

在實際工程中，許多結構除了承受靜荷載外，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構構件受到交替變化的荷載作用，產生交替變化的應變，導致結構構件發生低于靜載設計強度的破壞，即疲勞破壞[1]。混凝土結構是當今世界使用的主要結構之一，混凝土結構的疲勞是一個復雜的過程，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，是今后學者研究的主要方向之一。

1 混凝土疲勞累積損傷機理

對于混凝土的疲勞損傷理論，許多學者進行了研究。混凝土等材料由于內部的細觀缺陷當受到外荷載和環境等因素作用時，材料的劣化過程稱為損傷。現就常用兩種損傷理論簡單介紹[6]。

1.1 Miner準則

Miner在1945年提出了線性累計損傷理論，又稱Miner準則，表達式：

式中，ni為給定應力水平Si下的循環次數；Ni為該應力水平下材料的疲勞壽命。

1.2 Henry損傷模型

Henry在1955年假設等幅疲勞S-N曲線為N(S-E)=k,假設等幅剩余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度高等優點的條件下，由于纖維在混凝土機中的三維亂向分布兼并了纖維抗拉強度比混凝土高得優點，提高混凝土抗拉強度，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，諸多學者對纖維混凝土疲勞性能也進行了試驗研究，曹誠[2]等，對聚丙烯纖維混凝土和普通混凝土分別進行了疲勞性能試驗研究，結果表明：當纖維摻量較低時，混凝土的疲勞性能得到明顯提高。陳拴發[3]的研究發現，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性能和抗彎曲疲勞性能及累積損傷研究，結果證明了，玻璃纖維混凝土疲勞壽命服從兩參數、三參數威布爾分布，玻璃纖維混凝土的疲勞強度高于普通混凝土和鋼纖維混凝土。呼鐵明[5]等，通過試驗研究發現，鋼纖維自應力混凝土加固簡支連續梁，梁的負彎矩及跨中鋼筋應力幅、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彎試驗梁進行了低周疲勞斷裂試驗，試驗發現:碳纖維混凝土的斷裂參數與循環加載幅值有關。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行了研究，結果發現，碳纖維和鋼纖維在低應力水平時的疲勞壽命、能量吸收值均明顯高于高應力水平相應的值。朱翠冉[10]對在不同玄武巖纖維摻量、不同應水平下鋼混凝土梁進行等幅疲勞試驗研究，對疲勞破壞特征、撓度、混凝土應變、鋼筋應變及梁的剛度進行了分析，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理論，促進玄武巖纖維混凝土在土木工程領域的進一步發展。

3.結語

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發現：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混凝土，不僅混凝土抗拉強度、抗劈裂、變形能力均有提高，并且混凝土的疲勞強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、疲勞強度的影響還有待進一步研究。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狀[J].青島理工大學學報.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特性的影響研究[J].2001（02）：18-20.

[4]陳拴發.聚丙烯纖維混凝土彎曲疲勞性能[J].西安公路交通大學學報.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].昆明理工大學博士論文.2012.

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

[7]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(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].內蒙古工業大學碩士論文.2013.