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鋼纖維混凝土抗壓管理論文

近幾年來，纖維混凝土已廣泛應用于對抗疲勞、抗震和抗沖擊等有較高要求的土木工程領域，這些工程在其服役期內通常承受隨機或周期性反復荷載的作用，因此，研究纖維混凝土在不同加載應力水平下的疲勞壽命、能量吸收和疲勞累積損傷特性是極其重要的，它是建立纖維混凝土疲勞累積損傷理論和正確估算結構剩余疲勞壽命等工作的基礎。過去關于素混凝土及鋼纖維混凝土疲勞特性的研究較多[1～4]，但關于碳纖維混凝土疲勞特性的研究未見報道。本文對碳纖維和鋼纖維增強混凝土的疲勞特性作了對比試驗，重點研究了碳纖維摻量、加載應力水平對疲勞壽命、能量吸收值及疲勞累積損傷變量的影響規律。研究表明：鋼纖維和碳纖維混凝土均具有良好的抗疲勞特性，鋼纖維混凝土的疲勞壽命是素混凝土的7.9～13.7倍，能量吸收是素混凝土7.4～14.5倍，碳纖維混凝土的疲勞壽命是素混凝土2.1～9.3倍，能量吸收是素混凝土1.53～4.2倍；與高應力水平相比，纖維混凝土在較低應力水平下的疲勞壽命、能量吸收均有明顯增大的趨勢。

1試驗過程

表1纖維混凝土力學性能

--------------------------------------------------------------------------------

試件編號

纖維體積率(%)

軸心抗壓強度/MPa

彈性模量/GPa

--------------------------------------------------------------------------------

0.00

20.8

14.96

CF1

0.10

21.0

12.43

CF2

0.20

21.9

12.97

CF3

0.25

22.5

13.42

1.0

20.9

20.10

SK1

1.2

21.1

22.40

SK2

1.6

22.9

23.71

SK3

2.0

23.4

24.01

--------------------------------------------------------------------------------

1.1試件試驗所用材料及混凝土配合比見文獻[5]。棱柱體試件尺寸為100mm×100mm×300mm，各類試件個數均為6個，纖維混凝土力學性能列于表1，表中C代表素混凝土，CF1～CF3代表碳纖維混凝土，SE代表E型鋼纖維混凝土，SK1～SK3代表K型鋼纖維混凝土。

1.2靜載試驗在作疲勞試驗前先作了靜載抗壓試驗，以確定試件破壞時的最大荷載。試件室內自然養護45d后作試驗。由于試件數量較多，試驗持續時間達9d，為了取得較精確的靜載軸心抗壓強度，用以下方法來測算疲勞試驗時任意一天的軸心抗壓強度，并以此來確定疲勞試驗中的應力水平。

試驗開始的當天，測一組試件的軸心抗壓強度，試驗過程中每隔3d測一組軸心抗壓強度，代入下式[4]確定A、B常數。

fc,t=Alogt+B

(1)

式中：fc,t為齡期t天時的軸心抗壓強度。利用式(1)可求得任意給定一天的軸心抗壓強度。

1.3疲勞試驗裝置及試驗過程整個試驗在德國生產的電液伺服系統試驗機上完成，疲勞加載按恒力控制，加載波為正弦波，頻率為0.5Hz.為了避免加載過程中出現非接觸情況，試件上保持了0.05Fmax的最小壓力(Fmax為靜載試驗時的最大荷載).測試系統由試驗機自帶的位移計、壓力傳感器、動態應變儀和x-y函數記錄儀組成，同時用計算機自動采集系統記錄和顯示數據。記錄儀記錄了疲勞過程中的荷載-位移曲線。加載應力水平τ等于疲勞荷載與靜載軸心抗壓強度的比值，本試驗τ分別取0.70、0.80、0.90和0.95.

2試驗結果及分析

2.1疲勞試驗結果

2.1.1疲勞壽命素混凝土、碳纖維及鋼纖維混凝土在4種不同應力水平下的疲勞壽命列于表2.

表2纖維混凝土抗壓疲勞壽命

--------------------------------------------------------------------------------

試件

--------------------------------------------------------------------------------

CF1

CF2

CF3

SK1

SK2

SK3

--------------------------------------------------------------------------------

0.70

平均值

191

1600

1788

1874

2270

2393

2421

2625

變異性δ

0.15

0.08

0.09

0.07

0.10

0.09

0.08

0.80

平均值

258

333

342

562

634

734

777

變異性δ

0.15

0.01

0.07

0.11

0.19

0.03

0.11

0.08

0.90

平均值

103

117

187

192

200

179

變異性δ

0.22

0.13

0.12

0.15

0.12

0.11

0.14

0.95

平均值

103

115

121

124

變異性δ

0.21

0.20

0.21

0.20

0.24

0.10

0.18

0.24

--------------------------------------------------------------------------------

由表2可見，隨著加載應力水平的提高，纖維混凝土的疲勞壽命減少，纖維體積率增加時，疲勞壽命增大。鋼纖維混凝土的疲勞壽命是碳纖維混凝土的1.6～6.5倍。試件SE與SK1中纖維體積率接近，兩種鋼纖維均能均勻地分布于混凝土中，施工性良好。但是，帶鉤的K型鋼絲纖維的疲勞壽命高于E型剪切類鋼纖維。

在較低應力水平下，纖維混凝土的疲勞壽命高，但當τ≥0.80時，疲勞壽命明顯降低。試驗時清晰地觀察到：當應力水平較低時(如圖1(a)所示)，在循環初期，試件表面的可視裂紋少而短，循環次數增加，已有裂紋不再繼續增長或增長十分緩慢，隨著循環次數的進一步增加，新生疲勞裂紋不斷萌生和擴展，最后，已有裂紋與新生裂紋共同向前擴展，并相互貫通，形成一條通縫，導致試件破壞。從試件內部損傷機制看，在低應力水平下，疲勞裂紋端部的應力集度小于纖維的阻力，纖維阻止了裂紋的擴展，要使裂紋通過鋼纖維或高強碳纖維，就需增加循環次數，促使疲勞裂紋的擴展與貫通。在較高應力水平，如τ≥0.80時，循環初期，試件表面可視裂紋多而粗，當循環次數增加時，已有裂紋不斷擴展，新裂紋逐漸萌生和擴展，最后兩種裂紋在疲勞荷載作用下，相互搭接和貫通，導致試件破壞(如圖1(b)所示).從試件內部損傷機制看，較高應力水平下，混凝土基體中裂紋端部的應力集度大于纖維的阻力，裂紋進一步擴展，累積損傷增大，疲勞壽命減少。

碳纖維混凝土疲勞壽命與應力水平、纖維體積率的關系如圖2所示，圖中縱坐標為碳纖維混凝土疲勞壽命與素混凝土的比值。在不同的應力水平下，碳纖維對混凝土疲勞壽命的提高幅度不同。但是，隨著碳纖維體積率的增大，碳纖維混凝土的疲勞壽命基本上按線性規律增加，即

圖1疲勞裂紋擴展過程示意

Ncf/Nc=a+bνcf

(2)

式中：νcf為碳纖維體積率，單位為(‰)，下同；Ncf為碳纖維混凝土的疲勞壽命；Nc為素混凝土的疲勞壽命。應力水平不同，則a、b系數不同。當τ=0.70時，a=7.62,b=0.78;τ=0.80時，a=2.40,b=0.80;τ=0.90時，a=1.98,b=0.73;τ=0.95時，a=1.21,b=0.33.這表明碳纖維混凝土的疲勞壽命與應力水平密切相關，當應力水平τ由0.70升為0.80時，碳纖維混凝土疲勞壽命與素混凝土疲勞壽命的比值明顯減小。

圖2碳纖維混凝土相對疲勞壽命與纖維體積率的關系曲線

2.1.2能量吸收試件在疲勞荷載作用下荷載-位移曲線下的面積為其所吸收的能量值，用J表示。當試件破壞時，荷載-位移曲線下的面積為疲勞過程中所吸收的總能量，用Jtot表示，總能量吸收值列于表3.

表3纖維混凝土所吸收的總能量(單位：N·m)

--------------------------------------------------------------------------------

試件

--------------------------------------------------------------------------------

CF1

CF2

CF3

SK1

SK2

SK3

--------------------------------------------------------------------------------

0.70

平均值

1273

4758

5081

5326

12793

14837

16069

18416

變異性δ

0.07

0.04

0.03

0.02

0.08

0.04

0.03

0.034

0.80

平均值

709

1454

1503

1609

3653

4489

5488

5637

變異性δ

0.03

0.06

0.10

0.03

0.16

0.05

0.06

0.90

平均值

393

603

804

919

2002

2325

2372

3221

變異性δ

0.14

0.12

0.17

0.08

0.05

0.14

0.12

0.06

0.95

平均值

224

344

367

392

1200

1461

1657

1658

變異性δ

0.17

0.15

0.11

0.13

0.06

0.23

0.18

0.09

--------------------------------------------------------------------------------

纖維混凝土試件在疲勞過程中裂紋擴展、纖維的脫粘與拔出等都需吸收能量，總的能量吸收與疲勞壽命、纖維體積率、應力水平以及損傷發展密切相關。與高應力水平相比，在較低的應力水平下，疲勞裂紋短而且少，纖維與基體間有良好的粘結力，纖維延緩了裂紋的擴展，增大了基體的疲勞壽命、可恢復變形和能量吸收值，試件能吸收更多的能量。當應力水平提高時，砂漿體中產生更多的裂紋，消弱了纖維對裂紋的阻滯作用，裂紋擴展速率和不可逆變形增大，疲勞壽命和能量吸收值減少。鋼纖維與碳纖維的彈性模量接近，但鋼纖維混凝土在疲勞過程中吸收的能量值大于碳纖維混凝土，這是由于鋼纖維兩端帶鉤，增加了鋼纖維與基體間的摩擦力，在鋼纖維被拔出的過程中即鋼纖維混凝土的破壞階段所吸收的能量大于碳纖維混凝土。鋼纖維更有利于提高混凝土的耗能性能。

2.2疲勞累積損傷規律試件內部的損傷演化與能量吸收密切相關。從能量吸收的角度定義損傷變量D為：

D=J/Jtot

(3)

圖3為試件能量吸收相對值或損傷變量D與循環次數比的關系曲線。由圖可見，纖維混凝土的累積損傷為非線性損傷，用Miner線性損傷準則計算纖維混凝土結構的剩余壽命偏于保守，加載應力水平對于能量吸收或損傷演化有影響。纖維混凝土材料的能量吸收或累積損傷發展大致分為三個階段：第一階段，循環初期，n/N≤0.15時，能量吸收較快，由于材料的彈性變形在吸收能量，但損傷變形發展較慢，因此該階段用能量吸收值來估算累積損傷不夠準確；第二階段，0.2≤n/N≤0.85，材料處于能量吸收或損傷演化的穩定發展階段，能量吸收或累積損傷與循環次數基本呈線性增長規律，試件所吸收的能量用于裂紋萌生、穩定擴展和纖維的脫粘等，能量吸收反映了累積損傷發展規律；第三階段，n/N＞0.85，處于能量吸收或累積損傷的快速發展階段，試件中的裂紋由穩定擴展變為非穩定擴展，裂紋擴展速率加快，纖維不斷被拔出，當纖維被拔出后，試件完全喪失承載力。

圖3纖維混凝土能量吸收比與循環比的關系曲線

圖3中，纖維混凝土的累積損傷發展與應力水平及纖維摻量有關，經統計分析得到碳纖維混凝土累積損傷變量Dcf以及鋼纖維混凝土累積損傷變量Ds分別為：

Dcf=J/Jtot=(n/N)1-(3.1+1.7νcf)log(0.9τ)

(4)

Ds=J/Jtot=(n/N)1-(3.1+2.4νsfl/d)log(0.9τ)

(5)

式中：τ為應力水平，τ≥0.70；n/N為循環比。

3結論

(1)在對纖維混凝土進行疲勞設計和疲勞強度分析時，應考慮應力水平對疲勞壽命及能量吸收的影響。纖維混凝土在較低應力水平下的疲勞壽命和能量吸收比高應力水平時有明顯的增大趨勢。當應力水平大于或等于破壞荷載的80%時，纖維混凝土的疲勞壽命和能量吸收明顯降低；纖維在較低應力水平下表現出很強的阻滯作用，延緩了混凝土基體的損傷發展。(2)當鋼纖維體積率為1.0%～2.0%，碳纖維體積率為1.0‰～2.5‰時，鋼纖維混凝土的疲勞壽命是碳纖維混凝土的1.6～6.5倍，能量吸收是碳纖維混凝土的3.9～4.8倍。(3)試件在疲勞過程中所吸收能量的相對值，較真實地反映了鋼纖維和碳纖維混凝土的非線性疲勞累積損傷過程，用Miner線性累積損傷理論計算纖維混凝土的疲勞累積損傷偏于保守。

參考文獻：

[1]ByongYB,Cheng-TzuTH.PropertiesofSteelFiberReinforcedConcreteunderCyclicLoading[J]。ACIMaterialsJ.,1998,95(2).

[2]HsuTC.FatigueandMicrocrackingofConcrete[J]。RILEM,MaterialsandStructures,1984,17(97).

[3]孫偉，高建明。路用鋼纖維混凝土抗折疲勞特性研究[J]。東南大學學報，1993，21(2).

[4]鞠楊，樊承謀。鋼纖維混凝土軸壓疲勞性能研究[A]。第五屆全國纖維水泥與纖維混凝土學術會議論文集[C]。廣州：廣東科技出版社，1994.

[5]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).

[6]鄧宗才。鋼纖維、碳纖維混凝土低周疲勞斷裂與損傷特性的試驗研究[D]。杭州：浙江大學，2000年。

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