纤维对混凝土疲劳性能的影响研究现状

（内蒙古工业大学土木工程学院， 内蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

在实际工程中，许多结构除了承受静荷载外，还要承受动荷载的作用，如吊车梁、海洋平台、桥梁等。这些承受动荷载作用的结构构件受到交替变化的荷载作用，产生交替变化的应变，导致结构构件发生低于静载设计强度的破坏，即疲劳破坏[1]。混凝土结构是当今世界使用的主要结构之一，混凝土结构的疲劳是一个复杂的过程，影响因素多，其中纤维掺量是影响混凝土疲劳性能的因素之一，诸多研究表明，纤维对混凝土疲劳性能影响显著，因此，纤维混凝土疲劳性能的研究，是今后学者研究的主要方向之一。

1 混凝土疲劳累积损伤机理

对于混凝土的疲劳损伤理论，许多学者进行了研究。混凝土等材料由于内部的细观缺陷当受到外荷载和环境等因素作用时，材料的劣化过程称为损伤。现就常用两种损伤理论简单介绍[6]。

1.1 Miner准则

Miner在1945年提出了线性累计损伤理论，又称Miner准则，表达式：

式中，ni为给定应力水平Si下的循环次数；Ni为该应力水平下材料的疲劳寿命。

1.2 Henry损伤模型

Henry在1955年假设等幅疲劳S-N曲线为N(S-E)=k,假设等幅剩余S-N曲线为(N-n)(S-E’)=k’,由此推得等幅疲劳损伤为

2 纤维混凝土疲劳性能研究进展

纤维混凝土作为一种新型的建筑材料在保留混凝土抗压强度高等优点的条件下，由于纤维在混凝土机中的三维乱向分布兼并了纤维抗拉强度比混凝土高得优点，提高混凝土抗拉强度，改善混凝土的抗裂性能和混凝土变形能力，对混凝土的耐久性能也起到提高作用。近年来，诸多学者对纤维混凝土疲劳性能也进行了试验研究，曹诚[2]等，对聚丙烯纤维混凝土和普通混凝土分别进行了疲劳性能试验研究，结果表明：当纤维掺量较低时，混凝土的疲劳性能得到明显提高。陈拴发[3]的研究发现，在混凝土中掺入聚丙烯纤维可以显著提高混凝土的弯曲疲劳性能，在大应力作用下，聚丙烯纤维使混凝土的疲劳寿命成倍增长。吕雁[4]研究了玻璃纤维掺量分别为0%、0.6%、0.8%和1%的玻璃纤维混凝土及普通混凝土的基本力学性能和抗弯曲疲劳性能及累积损伤研究，结果证明了，玻璃纤维混凝土疲劳寿命服从两参数、三参数威布尔分布，玻璃纤维混凝土的疲劳强度高于普通混凝土和钢纤维混凝土。呼铁明[5]等，通过试验研究发现，钢纤维自应力混凝土加固简支连续梁，梁的负弯矩及跨中钢筋应力幅、裂缝宽度和跨中挠度较普通混凝土及刚纤维混凝土都明显降低，梁的疲劳寿命提高，裂缝宽度较普通混凝土降低25.0%～32.0%。方志[6]等，研究了钢纤维掺量对活性粉末混凝土抗疲劳性能的影响，研究表明：钢纤维可明显提高活性粉末混凝土的疲劳寿命和疲劳强度，并提出钢纤维含量分别为1.5%和3%时，疲劳弹性模量与初始弹性模量的比值分别取0.7和0.75。邓宗才[7]-[9]等，研究了碳纤维混凝土带切口三点弯试验梁进行了低周疲劳断裂试验，试验发现:碳纤维混凝土的断裂参数与循环加载幅值有关。在混凝土中加入碳纤维可明显提高混凝土疲劳断裂寿命，是是素混凝土的2.1～2.8倍。碳纤维混凝土能量吸收能力较素混凝土明显提高，是素混凝土的9.5～13.2倍。对碳纤维、钢纤维混凝土低周抗压疲劳性能也进行了研究，结果发现，碳纤维和钢纤维在低应力水平时的疲劳寿命、能量吸收值均明显高于高应力水平相应的值。朱翠冉[10]对在不同玄武岩纤维掺量、不同应水平下钢混凝土梁进行等幅疲劳试验研究，对疲劳破坏特征、挠度、混凝土应变、钢筋应变及梁的刚度进行了分析，最后通过玄武岩纤维钢筋混凝土梁的S-N曲线拟合不同体积掺量疲劳寿命方程。

综合近年来研究成果，在混凝土中掺加聚丙烯纤维、钢纤维、玻璃纤维、碳纤维均能改提高混凝土抗疲劳强度，延长疲劳寿命，裂缝宽度减少，使混凝土的整体性更好，弹性模量明显提高。但均是通过试验对纤维混凝土疲劳试验进行研究，对于多因素下纤维混凝土疲劳性能的研究还有待进一步深入，且对玻璃纤维、玄武岩纤维对混凝土疲劳性能的研究甚少，还需进一步研究，以形成适合与玄武岩纤维混凝土疲劳性能的相关理论，促进玄武岩纤维混凝土在土木工程领域的进一步发展。

3.结语

工程中常用的纤维可分为，聚丙烯纤维、玻璃纤维、钢纤维、碳纤维、玄武岩纤维等。通过对近年来纤维混凝土疲劳性能研究总结发现：在混凝土基体中掺入聚丙烯纤维、碳纤维、钢纤维、玻璃纤维等得到的新型纤维增强混凝土，不仅混凝土抗拉强度、抗劈裂、变形能力均有提高，并且混凝土的疲劳强度和疲劳寿命也得到提高。对于多因素下纤维混凝土疲劳性能的研究还有待进一步深入。但目前，对玄武岩纤维混凝土、玻璃纤维混凝土疲劳性能的研究尚不完善，玄武岩纤维对混凝土疲劳寿命、疲劳强度的影响还有待进一步研究。因此，对玄武岩纤维混凝土抗疲劳性能的研究是混凝土研究的又一重要方向。

[1]辛雷，姜福香，蒋金洋，谭明，李福如.混凝土疲劳性能试验研究现状[J].青岛理工大学学报.2011.32(3):14-20.

[2]张伟，王生武，赵晶，改性聚丙烯纤维混凝土抗疲劳性能研究[J].山西建筑.2008（28）:5-6.

[3]曹诚，刘家彬.聚丙烯纤维对混凝土动力学特性的影响研究[J].2001（02）：18-20.

[4]陈拴发.聚丙烯纤维混凝土弯曲疲劳性能[J].西安公路交通大学学报.2008(02):64-67.

[5]吕雁.玻璃纤维混凝土的弯曲疲劳性能及累积损伤研究[D].昆明理工大学博士论文.2012.

[6]胡铁明，黄承逵，陈小锋，梁振宇.钢纤维自应力混凝土加固简支变连续梁疲劳试验[J].大连理工大学学报.2011.51(01)：90-95.

[7]邓宗才，钱在兹.低周循环加载历史对碳纤维混凝土断裂特性影响的试验研究[J].中 国公路学报.2000.13(02)：64-68.

[8]邓宗才，钱在兹.短碳纤维混凝土低周疲劳断裂特性的试验研究[J].水利学报.2000.(09)：37-43.

[9]邓宗才.碳纤维、钢纤维混凝土低周抗压疲劳特性的试验研究[J].水利学报.2001.(02)：38-43.

[10]朱翠冉.玄武岩纤维钢筋混凝土梁疲劳试验性能研究[D].内蒙古工业大学硕士论文.2013.