混凝土裂纹的疲劳扩展和纤维阻裂机理

(重庆交通大学 重庆 400000)

前言

构件的裂纹问题一直以来都是工程界所关心的问提，如何分析和解决这些裂纹的问题一直都是工程人员研究的对象。现如今我国经济快速发展，国家的建筑行业也取得了巨大的进步。大部分的地区都在做大量的基建。在众多的工程材料中，混凝土材料展现的优良特性使其被广泛的应用。

一、混凝土裂纹成因分析

本文根据文献[1-4]中对混凝土裂缝的介绍，对裂缝的种类和成因做出了归纳总结。根据文献的介绍，可以将混凝土的裂缝大致分为以下的几种:1.外部的荷载造成的裂纹；2.构件所处的环境温度造成的裂纹；3.混凝土自身的收缩造成的裂纹；4.建筑物的地基基础变位造成的裂纹；5.钢筋混凝土构件里面的钢筋的锈蚀造成的裂纹；6.混凝土受到低温环境冻胀后造成的裂纹；7.构件施工时施工方法和用料所造成的裂纹等。

在实际工程建筑中，混凝土结构产生一定的裂纹是十分的常见，实际产生的裂纹的原因也比较复杂，各种因素之间甚至还相互影响，但裂纹的产生总是由一个主要的原因和几个次要原因共同组成。工程中的混凝土开裂破坏通常是在循环荷载的反复作用引起的。混凝土材料本身的抗拉性能较差，容易产生脆性破坏，这一特性使得混凝土容易产生疲劳裂纹进而发生破坏。所以，设法控制疲劳裂纹的扩展在工程中显得十分重要，本文将简单介绍在混凝土中加入纤维后对疲劳裂纹的影响。

二、混凝土疲劳裂纹的发展

(一)混凝土的力学性能

考察混凝土在受到荷载作用下的力学特性，根据实验结果分析，在受一次单调荷载作用和循环荷载作用下混凝土的应力应变关系如图1所示。在不断施加循环荷载后,应变在不断累积，只要不超出单调荷载的应变轮廓，疲劳破坏就不会发生；若累积的应变超过了单调荷载作用下的应变值，混凝土就会发生疲劳破坏。

(二)混凝土的疲劳裂纹扩展机理

我们所接触的混凝土一般都会因为一些原因使其本身有一些初始裂纹，例如环境影响，浇筑影响等。这些初始裂纹在反复交变的荷载作用下尺寸会逐渐增大，当裂纹的长度由初始长度发展到临界长度时，混凝土构件就会破坏，这也就是混凝土构件的疲劳破坏。

疲劳裂纹在混凝土构件中得发展可分为三步:裂纹形成、裂纹扩展和构件断裂。第一步：混凝土得抗拉强度不好，若在60%极限抗拉强度出现了裂纹，这是裂纹形成。在这个阶段，应力和应变曲线是线性的，表面开始出现小裂缝。第二步：当载荷达到70%的拉伸强度时，混凝土溶液和骨料之间会发生一定的滑移。膨胀并开始渗透到亚临界疲劳裂纹状态。在这个阶段，微裂纹缓慢而稳定地发展。如果负载停止，裂缝中断。第三步：当载荷达到最大载荷时，裂纹在两侧出现。应力会松弛，部分裂纹也会闭合。并且断裂区的宽度会很窄，与此同时裂缝区会迅速向前扩展，主裂缝快速发展使得试件完全断裂[5]。

三、加入纤维后裂纹的阻裂

(一)疲劳裂纹扩展公式

国内外对疲劳裂纹的计算的研究公式有很多，大量的专家做了大量的研究。较常用的公式有Paris公式。由于Paris公式的简单和方便，所以在理论研究和工程应用中的使用比较广泛。Paris公式；

式中c和m是材料参数，与实验条件，例如环境、频率、温度和应力比值等有关，△K1为应力强度因子幅度，以上公式可以计算混凝土的疲劳寿命。即产生初始裂纹和达到破坏时所经历的循环荷载的次数。

(二)纤维阻裂的机理

研究表明，纤维在混凝土中承三维乱象分布，当纤维跨越两个裂缝时，就会对其产生一个压反力，减小了应力强度因子，从而阻断微裂纹的扩展，如图所示I的应力强度因子为K1；II的应力强度因子为K2，纤维应力σ=0；III的应力强度因子-K3，应力纤维σ。可以得出，状态I和状态II之间的差异是第一个增加反作用力σ和应力强度因子K1=K2-K3。可以看出，在添加纤维之后，应力强度因子降低。这就意味着裂纹扩展速率的降低，同时也延长了混凝土的疲劳寿命。

图2

四、结论

我们需要分析找出混凝土在长期使用后产生裂纹的原因并设法解决这个问题，保障结构安全，增强结构的耐久性。虽然工程中的混凝土裂纹产生的原因很多，但是在分析了裂纹成因和影响因素之后我们可以更在注意这些方面的影响，在实际施工和设计中多加控制，尽量减少不必要因素对混凝土裂纹产生的影响。混凝土在长期使用过程中，受到疲劳破坏是在所难免的，但是通过上述分析可以的知，在混凝土中加入纤维不仅可以提高混凝土的韧性，还可以有效减少尖端裂纹的应力强度因子，从而降低裂纹扩展的速率。所以，对于一些设计使用寿命较长的建筑物时，我们可以在混凝土中加入一定的纤维来提高混凝土的使用寿命。