鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土材料彎曲疲勞性能研究

潘少林，劉學(xué)虎，周 洋，金飛帆，余海鋒

（武漢大學(xué)，湖北 武漢 430072）

前言

20世紀(jì)初期，人們開始了單一纖維混凝土疲勞性能的研究。其中鋼纖維自身強(qiáng)度高、分散性好，聚丙烯纖維自身化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、質(zhì)輕且分散性好，所以這兩種纖維在眾多纖維材料中脫穎而出。但隨著技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸意識(shí)到單一纖維其對混凝土的增強(qiáng)增韌作用較為局限，并且纖維本身也會(huì)存在一些缺點(diǎn)，不可避免地對混凝土的力學(xué)性能造成一定影響。于是有學(xué)者開始考慮將多種材料的纖維同時(shí)與混凝土混合，讓不同材料的纖維發(fā)揮各自的性能優(yōu)勢，相互補(bǔ)充，從而更好地提高混凝土的性能。由于混雜纖維起源較晚，發(fā)展時(shí)間短，所以關(guān)于混雜纖維混凝土的性能特點(diǎn)以及混雜纖維的作用機(jī)理的了解還是比較局限。同時(shí)，混雜纖維對混凝土疲勞性能的研究很少，關(guān)于混雜纖維提高混凝土疲勞性能的作用機(jī)理知之甚微。目前已有的關(guān)于碳纖維和聚丙烯混凝土疲勞性能的相關(guān)研究報(bào)告中，也得出了一系列關(guān)于纖維增強(qiáng)混凝土疲勞性能的結(jié)論，但在關(guān)于不同纖維摻量、摻雜比和混雜纖維混凝土應(yīng)力水平及疲勞壽命間的具體關(guān)系等方面的仍未得出具有較強(qiáng)理論性的結(jié)論。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)相關(guān)簡介

本論文試驗(yàn)按照《鋼纖維混凝土試驗(yàn)方法》（CECS38：89）等現(xiàn)行法規(guī)規(guī)范進(jìn)行科學(xué)試驗(yàn)。試驗(yàn)試件在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28d之后開始彎曲疲勞性能研究。

根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)相關(guān)知識(shí)，對試件的疲勞試驗(yàn)進(jìn)行理論分析，常用的有正態(tài)分布理論和威布爾分布理論。按照正態(tài)分布理論，只有當(dāng)對數(shù)安全壽命趨近于無窮大時(shí)，可靠度才等于100%。因此，正態(tài)分布理論只適用于中、短壽命區(qū)的情況。

1.2 試件設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)中采用的梁的尺寸為1200mm×180mm×280mm，共3根。素混凝土的配制材料為普通硅酸鹽水泥52.5級，I級粉煤灰，石英斑巖石，萘系高效減水劑FDN。采用的鋼纖維是武漢漢森鋼纖維有限公司生產(chǎn)的SFB-32鋼纖維，長徑比57，抗拉強(qiáng)度>600MPa；采用的聚丙烯纖維是香港恒律發(fā)展有限公司提供的美國杜拉牌聚丙烯纖維。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)選取采用四點(diǎn)彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)，支座位置及加載位置如圖1所示。用疲勞試驗(yàn)機(jī)按正弦波形式對試件施加荷載。在梁的側(cè)面跨中位置、底部跨中位置以及距底部跨中200mm處貼上應(yīng)變片；在梁的頂部跨中位置以及底部距跨中200mm的放置位移計(jì)，以方便觀察梁受荷載后各個(gè)部位的應(yīng)力、應(yīng)變及撓度。測出疲勞壽命，并且通過讀取應(yīng)變儀和位移計(jì)的數(shù)據(jù)計(jì)算指定位置的全過程應(yīng)力、應(yīng)變曲線和梁跨中撓度，建立彈性模量E與荷載循環(huán)次數(shù)n的關(guān)系。通過細(xì)致的觀察了解混凝土梁的裂縫及斷裂情況。試驗(yàn)設(shè)3組，每組1根梁，以不同的鋼纖維和聚丙烯纖維的配比加以區(qū)分。通過對3組試驗(yàn)試件的抗疲勞性能的比較，得出最終結(jié)論。每組實(shí)驗(yàn)試件均一1次澆筑成型，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)到28d規(guī)定齡期后分別進(jìn)行彎曲疲勞試驗(yàn)。

圖1 試件加載狀況及應(yīng)變片、位移計(jì)放置位置

2 試驗(yàn)步驟

2.1 澆筑混凝土梁

按照不同的鋼纖維和聚丙烯纖維的配比澆筑混凝土，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28d。

2.2 檢查試件

在試驗(yàn)前一天取出試件，檢查試件表面，不得有超過試驗(yàn)規(guī)范的孔洞存在。用記號(hào)筆標(biāo)出支撐點(diǎn)、加載點(diǎn)以及貼應(yīng)變片的位置，置于標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下晾干。

2.3 貼應(yīng)變片

打磨試件，清理過后用酒精清洗，用AB膠找平，做好貼應(yīng)變片的前期準(zhǔn)備。然后用502將應(yīng)變片均勻貼好，并在上面覆蓋一層白乳膠以起到保護(hù)應(yīng)變片的作用，待膠水凝結(jié)后接好細(xì)線。

2.4 按照四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)方案放置混凝土梁

接好應(yīng)變儀并且將位移計(jì)放置妥當(dāng)，試件必須放穩(wěn)對中后再開動(dòng)試驗(yàn)機(jī)。

2.5 對試件連續(xù)、均勻地加載循環(huán)荷載

在一切正常情況下觀察并記錄數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)現(xiàn)象

試件按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求放穩(wěn)對中后，緩慢開動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，當(dāng)壓頭剛好接觸試件時(shí)停止，再次檢測試件是否放置平穩(wěn)。上述工作準(zhǔn)備就緒之后，預(yù)加荷載，使位移計(jì)顯示正常之后，按照指定頻率開動(dòng)機(jī)器，對試件進(jìn)行加載。位移計(jì)的指針左右擺動(dòng)，隨著時(shí)間的增長，擺幅中心在漸漸的增大。同時(shí)應(yīng)變儀上顯示的數(shù)值也在一定的范圍內(nèi)變化，最大值慢慢的增大。前7h試件表面沒有明顯的變化，7h之后，試件底面即最大拉應(yīng)力面開始出現(xiàn)微小裂紋，且慢慢增大。試驗(yàn)進(jìn)行到第8h，試件出現(xiàn)斷裂，發(fā)出明顯的斷裂聲，試驗(yàn)結(jié)束。

4 材料彎曲疲勞性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

本次混雜纖維混凝土彎曲疲勞試驗(yàn)過程中，每隔1h停止試驗(yàn)來記錄各儀器讀數(shù)。由于彎曲疲勞荷載的頻率固定，故荷載循環(huán)次數(shù)n與加載時(shí)間t成正比，故試件測點(diǎn)撓度隨循環(huán)次數(shù)n及應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)n的變化曲線均可用撓度隨加載時(shí)間的變化曲線及應(yīng)變隨加載時(shí)間的變化曲線來代替且二者反應(yīng)的變化規(guī)律相同。

現(xiàn)以1號(hào)試件和3號(hào)試件為例，給出3個(gè)撓度測點(diǎn)數(shù)據(jù)及7個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)數(shù)據(jù)隨加載時(shí)間變化曲線如圖2～圖5所示。

圖2 1號(hào)試件1、2、3測點(diǎn)撓度與加載時(shí)間變化曲線

圖3 1號(hào)試件1～7號(hào)測點(diǎn)應(yīng)變與加載時(shí)間變化曲線

圖4 3號(hào)試件1、2、3測點(diǎn)撓度與加載時(shí)間變化曲線

圖5 3號(hào)試件1～7號(hào)測點(diǎn)應(yīng)變與加載時(shí)間變化曲線

5 結(jié)語

由圖2可以看出，隨著循環(huán)加載次數(shù)n的增加，混雜纖維混凝土試件各測點(diǎn)的撓度值呈波動(dòng)增加的趨勢。并且3個(gè)測點(diǎn)中中間測點(diǎn)的撓度值在開始撓度較小時(shí)，由于與左右兩測點(diǎn)的水平間距較小（200mm）導(dǎo)致與左右兩測點(diǎn)的撓度值相差不大；隨著加載時(shí)間的增加，試件內(nèi)部由于產(chǎn)生疲勞損傷以及微裂縫等導(dǎo)致試件整體的抗彎強(qiáng)度下降，在循環(huán)荷載大小不變時(shí)導(dǎo)致各測點(diǎn)的撓度值逐漸增大。并且由數(shù)據(jù)可以看出時(shí)間中部即測點(diǎn)2對應(yīng)的位置撓度值增加較快，導(dǎo)致其與左右兩測點(diǎn)的撓度值相差更為明顯。此外，對稱分布的1、3測點(diǎn)同一次的撓度測量結(jié)果相差較小，說明了測點(diǎn)位置選擇及測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

從1號(hào)試件和3號(hào)試件各測點(diǎn)撓度隨加載時(shí)間變化曲線可以看出，在加載時(shí)間小于試件的疲勞壽命時(shí)，整體上各點(diǎn)撓度值均呈增加趨勢，但并不是一直穩(wěn)定增加而是增加一段時(shí)間后便穩(wěn)定下來幾乎不變，穩(wěn)定一段時(shí)間后再顯著增加然后再穩(wěn)定不變。即存在多次的應(yīng)變硬化階段。經(jīng)分析可知，在循環(huán)荷載加載過程中，隨著加載次數(shù)的增加，試件內(nèi)部應(yīng)力較大的部位由于疲勞破壞導(dǎo)致骨料與水泥之間、纖維與骨料之間、纖維與水泥之間等連接薄弱位置出現(xiàn)破碎或者裂縫，導(dǎo)致試件整體上的抗彎強(qiáng)度下降，故撓度值逐漸增加。一段時(shí)間后由于試件內(nèi)部骨料和纖維位置的調(diào)整和進(jìn)一步的相互作用，使得試件整體的抗彎強(qiáng)度達(dá)到新的平衡并逐漸穩(wěn)定，表現(xiàn)為這一階段的測點(diǎn)撓度值不隨加載時(shí)間的增加而變化。當(dāng)新的平衡不足以繼續(xù)抵抗荷載時(shí)便又出現(xiàn)撓度值增加直至下一階段的穩(wěn)定平衡或者破壞。

與普通混凝土試件對比可以看出，由于混雜纖維混凝土內(nèi)部纖維廣泛的分布及與水泥之間較為牢固的粘結(jié)作用，使得混雜纖維混凝土材料的疲勞壽命與普通混凝土相比顯著增加，且混雜纖維混凝土的疲勞破壞過程更加平穩(wěn)，應(yīng)變變化趨勢更為穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)像普通混凝土材料那樣撓度或者應(yīng)變突然發(fā)生急劇變化。即混雜纖維混凝土由于纖維的存在，延緩了材料內(nèi)部微裂縫的出現(xiàn)和貫通，增強(qiáng)了材料的整體性，使得材料的疲勞壽命大大幅度提高。

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