钢—聚丙烯混杂纤维混凝土材料弯曲疲劳性能研究

钢—聚丙烯混杂纤维混凝土材料弯曲疲劳性能研究

摘 要：为研究钢-聚丙烯混杂纤维混凝土梁的抗弯疲劳性能，进行了三根钢-聚丙烯混杂纤维混凝土梁及1根对比梁的抗弯疲劳试验。同时在试件底部粘贴应变片，通过应变动态采集试件应变值，研究了重复荷载作用下素混凝土、单一纤维混凝土以及钢-聚丙烯混杂纤维混凝土梁的应力-应变关系，提出了疲劳强度计算公式，建立疲劳寿命与纤维掺量的模型，确定特定情况下的最佳掺量范围。

关键词：钢纤维；聚丙烯纤维；混杂纤维混凝土梁；疲劳实验

前言

20世纪初期，人们开始了单一纤维混凝土疲劳性能的研究。其中钢纤维自身强度高、分散性好，聚丙烯纤维自身化学性质稳定、质轻且分散性好，所以这两种纤维在众多纤维材料中脱颖而出。但随着技术的发展，人们逐渐意识到单一纤维其对混凝土的增强增韧作用较为局限，并且纤维本身也会存在一些缺点，不可避免地对混凝土的力学性能造成一定影响。于是有学者开始考虑将多种材料的纤维同时与混凝土混合，让不同材料的纤维发挥各自的性能优势，相互补充，从而更好地提高混凝土的性能。由于混杂纤维起源较晚，发展时间短，所以关于混杂纤维混凝土的性能特点以及混杂纤维的作用机理的了解还是比较局限。同时，混杂纤维对混凝土疲劳性能的研究很少，关于混杂纤维提高混凝土疲劳性能的作用机理知之甚微。目前已有的关于碳纤维和聚丙烯混凝土疲劳性能的相关研究报告中，也得出了一系列关于纤维增强混凝土疲劳性能的结论，但在关于不同纤维掺量、掺杂比和混杂纤维混凝土应力水平及疲劳寿命间的具体关系等方面的仍未得出具有较强理论性的结论。

1 试验概况

1.1 试验相关简介

本论文试验按照《钢纤维混凝土试验方法》（CECS38：）等现行法规规范进行科学试验。试验试件在标准条件下养护28d之后开始弯曲疲劳性能研究。

根据混凝土结构相关知识，对试件的疲劳试验进行理论分析，常用的有正态分布理论和威布尔分布理论。按照正态分布理论，只有当对数安全寿命趋近于无穷大时，可靠度才等于100%。因此，正态分布理论只适用于中、短寿命区的情况。

1.2 试件设计

实验中采用的梁的尺寸为1200mm×180mm×280mm，共3根。素混凝土的配制材料为普通硅酸盐水泥52.5级，I级粉煤灰，石英斑岩石，萘系高效减水剂FDN。采用的钢纤维是武汉汉森钢纤维有限公司生产的SFB-32钢纤维，长径比

57，抗拉强度>600MPa；采用的聚丙烯纤维是恒律发展有限公司提供的美国杜拉牌聚丙烯纤维。

1.3 实验方案

实验选取采用四点弯曲疲劳实验，支座位置及加载位置如图1所示。用疲劳试验机按正弦波形式对试件施加荷载。在梁的侧面跨中位置、底部跨中位置以及距底部跨中200mm处贴上应变片；在梁的顶部跨中位置以及底部距跨中200mm的放置位移计，以方便观察梁受荷载后各个部位的应力、应变及挠度。测出疲劳寿命，并且通过读取应变仪和位移计的数据计算指定位置的全过程应力、应变曲线和梁跨中挠度，建立弹性模量E与荷载循环次数n的关系。通过细致的观察了解混凝土梁的裂缝及断裂情况。试验设3组，每组1根梁，以不同的钢纤维和聚丙烯纤维的配比加以区分。通过对3组试验试件的抗疲劳性能的比较，得出最终结论。每组实验试件均一1次浇筑成型，在标准条件下养护到28d规定龄期后分别进行弯曲疲劳试验。

2 试验步骤

2.1 浇筑混凝土梁

按照不同的钢纤维和聚丙烯纤维的配比浇筑混凝土，在标准养护条件下养护28d。

2.2 检查试件

在试验前一天取出试件，检查试件表面，不得有超过试验规范的孔洞存在。用记号笔标出支撑点、加载点以及贴应变片的位置，置于标准试验条件下晾干。

2.3 贴应变片

打磨试件，清理过后用酒精清洗，用AB胶找平，做好贴应变片的前期准备。然后用502将应变片均匀贴好，并在上面覆盖一层白乳胶以起到保护应变片的作用，待胶水凝结后接好细线。

2.4 按照四点弯曲疲劳试验方案放置混凝土梁

接好应变仪并且将位移计放置妥当，试件必须放稳对中后再开动试验机。

2.5 对试件连续、均匀地加载循环荷载

在一切正常情况下观察并记录数据。

3 试验现象

试件按照试验设计要求放稳对中后，缓慢开动试验机，当压头刚好接触试件时停止，再次检测试件是否放置平稳。上述工作准备就绪之后，预加荷载，使位移计显示正常之后，按照指定频率开动机器，对试件进行加载。位移计的指针左右摆动，随着时间的增长，摆幅中心在渐渐的增大。同时应变仪上显示的数值也在一定的范围内变化，最大值慢慢的增大。前7h试件表面没有明显的变化，7h之后，试件底面即最大拉应力面开始出现微小裂纹，且慢慢增大。试验进行到第8h，试件出现断裂，发出明显的断裂声，试验结束。

4 材料弯曲疲劳性能试验结果与分析

本次混杂纤维混凝土弯曲疲劳试验过程中，每隔1h停止试验来记录各仪器读数。由于弯曲疲劳荷载的频率固定，故荷载循环次数n与加载时间t成正比，故试件测点挠度随循环次数n及应变随循环次数n的变化曲线均可用挠度随加载时间的变化曲线及应变随加载时间的变化曲线来代替且二者反应的变化规律相同。

现以1号试件和3号试件为例，给出3个挠度测点数据及7个应变测点数据随加载时间变化曲线如图2～图5所示。

5 结语

由图2可以看出，随着循环加载次数n的增加，混杂纤维混凝土试件各测点的挠度值呈波动增加的趋势。并且3个测点中中间测点的挠度值在开始挠度较小时，由于与左右两测点的水平间距较小（200mm）导致与左右两测点的挠度值相差不大；随着加载时间的增加，试件内部由于产生疲劳损伤以及微裂缝等导致试件整体的抗弯强度下降，在循环荷载大小不变时导致各测点的挠度值逐渐增大。并且由数据可以看出时间中部即测点2对应的位置挠度值增加较快，导致其与左右两测点的挠度值相差更为明显。此外，对称分布的1、3测点同一次的挠度测量结果相差较小，说明了测点位置选择及测量结果的准确性。

从1号试件和3号试件各测点挠度随加载时间变化曲线可以看出，在加载时间小于试件的疲劳寿命时，整体上各点挠度值均呈增加趋势，但并不是一直稳定增加而是增加一段时间后便稳定下来几乎不变，稳定一段时间后再显著增加然后再稳定不变。即存在多次的应变硬化阶段。经分析可知，在循环荷载加载过程中，随着加载次数的增加，试件内部应力较大的部位由于疲劳破坏导致骨料与水泥之间、纤维与骨料之间、纤维与水泥之间等连接薄弱位置出现破碎或者裂缝，导致试件整体上的抗弯强度下降，故挠度值逐渐增加。一段时间后由于试件内部骨料和纤维位置的调整和进一步的相互作用，使得试件整体的抗弯强度达到新的平衡并逐渐稳定，表现为这一阶段的测点挠度值不随加载时间的增加而变化。当新的平衡不足以继续抵抗荷载时便又出现挠度值增加直至下一阶段的稳定平衡或者破坏。

与普通混凝土试件对比可以看出，由于混杂纤维混凝土内部纤维广泛的分布及与水泥之间较为牢固的粘结作用，使得混杂纤维混凝土材料的疲劳寿命与普通

混凝土相比显著增加，且混杂纤维混凝土的疲劳破坏过程更加平稳，应变变化趋势更为稳定，不会出现像普通混凝土材料那样挠度或者应变突然发生急剧变化。即混杂纤维混凝土由于纤维的存在，延缓了材料内部微裂缝的出现和贯通，增强了材料的整体性，使得材料的疲劳寿命大大幅度提高。

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