碳纖維鋼纖維混凝土低周抗壓疲勞特性的試驗(yàn)研究

1、碳纖維、鋼纖維混凝土低周抗壓疲勞特性的試驗(yàn)研究摘要：本文研究了素混凝土、碳纖維混凝土和鋼纖維混凝土在軸壓疲勞荷載下的破壞機(jī)理，試驗(yàn)研究了碳纖維、不同品種鋼纖維、纖維摻量、加載應(yīng)力水平對(duì)于疲勞壽命及能量吸收的影響規(guī)律，探討了疲勞累積損傷特性。研究表明：在較低的應(yīng)力水平下纖維混凝土的疲勞壽命、能量吸收值均比高應(yīng)力水平時(shí)明顯增大。關(guān)鍵詞：碳纖維鋼纖維混凝土疲勞損傷近幾年來(lái)，纖維混凝土已廣泛應(yīng)用于對(duì)抗疲勞、抗震和抗沖擊等有較高要求的土木工程領(lǐng)域，這些工程在其服役期內(nèi)通常承受隨機(jī)或周期性反復(fù)荷載的作用，因此，研究纖維混凝土在不同加載應(yīng)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

2、維混凝土疲勞累積損傷理論和正確估算結(jié)構(gòu)剩余疲勞壽命等工作的基礎(chǔ)。過(guò)去關(guān)于素混凝土及鋼纖維混凝土疲勞特性的研究較多14，但關(guān)于碳纖維混凝土疲勞特性的研究未見(jiàn)報(bào)道。本文對(duì)碳纖維和鋼纖維增強(qiáng)混凝土的疲勞特性作了對(duì)比試驗(yàn)，重點(diǎn)研究了碳纖維摻量、加載應(yīng)力水平對(duì)疲勞壽命、能量吸收值及疲勞累積損傷變量的影響規(guī)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7.913.7倍，能量吸收是素混凝土7.414.5倍，碳纖維混凝土的疲勞壽命是素混凝土2.19.3倍，能量吸收是素混凝土1.534.2倍；與高應(yīng)力水平相比，纖維混凝土在較低應(yīng)力水平下的疲勞壽命、能量吸收均有明顯增

3、大的趨勢(shì)。1試驗(yàn)過(guò)程表1纖維混凝土力學(xué)性能試件編號(hào)纖維體積率(%)軸心抗壓強(qiáng)度/MPa彈性模量/GPaC0.0020.814.96CF10.1021.012.43CF20.2021.912.97CF30.2522.513.42SE1.020.920.10SK0SK21.622.923.71SK32.023.424.011.1試件試驗(yàn)所用材料及混凝土配合比見(jiàn)文獻(xiàn)5。棱柱體試件尺寸為100mm×100mm×300mm，各類試件個(gè)數(shù)均為6個(gè)，纖維混凝土力學(xué)性能列于表1，表中C代表素混凝土，CF1CF3代表碳纖維混凝土，SE代表E型鋼纖維混凝

4、土，SK1SK3代表K型鋼纖維混凝土。1.2靜載試驗(yàn)在作疲勞試驗(yàn)前先作了靜載抗壓試驗(yàn)，以確定試件破壞時(shí)的最大荷載。試件室內(nèi)自然養(yǎng)護(hù)45d后作試驗(yàn)。由于試件數(shù)量較多，試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間達(dá)9d，為了取得較精確的靜載軸心抗壓強(qiáng)度，用以下方法來(lái)測(cè)算疲勞試驗(yàn)時(shí)任意一天的軸心抗壓強(qiáng)度，并以此來(lái)確定疲勞試驗(yàn)中的應(yīng)力水平。試驗(yàn)開始的當(dāng)天，測(cè)一組試件的軸心抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)過(guò)程中每隔3d測(cè)一組軸心抗壓強(qiáng)度，代入下式4確定A、B常數(shù)。fc,t=Alogt+B(1)式中：fc,t為齡期t天時(shí)的軸心抗壓強(qiáng)度。利用式(1)可求得任意給定一天的軸心抗壓強(qiáng)度。1.3疲勞試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)過(guò)程整個(gè)試驗(yàn)在德國(guó)生產(chǎn)的電液伺服系統(tǒng)試驗(yàn)機(jī)上完成，

5、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(guò)程中出現(xiàn)非接觸情況，試件上保持了0.05Fmax的最小壓力(Fmax為靜載試驗(yàn)時(shí)的最大荷載).測(cè)試系統(tǒng)由試驗(yàn)機(jī)自帶的位移計(jì)、壓力傳感器、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀和x-y函數(shù)記錄儀組成，同時(shí)用計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集系統(tǒng)記錄和顯示數(shù)據(jù)。記錄儀記錄了疲勞過(guò)程中的荷載-位移曲線。加載應(yīng)力水平等于疲勞荷載與靜載軸心抗壓強(qiáng)度的比值，本試驗(yàn)分別取0.70、0.80、0.90和0.95.2試驗(yàn)結(jié)果及分析2.1疲勞試驗(yàn)結(jié)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(yīng)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CCF1CF2CF3SESK

6、1SK2SK30.70平均值1911600178818742270239324212625變異性0.150.080.090.070.100.090.080.080.80平均值79258333342562634734777變異性0.150.010.030.110.080.90平均值3188103117187192200179變異性5平均值13192427103115121124變異性00.180.24由表2可見(jiàn)，隨著加載應(yīng)力水平的提高，纖維混凝土的疲勞壽命減

7、少，纖維體積率增加時(shí)，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1.66.5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(yīng)力水平下，纖維混凝土的疲勞壽命高，但當(dāng)0.80時(shí)，疲勞壽命明顯降低。試驗(yàn)時(shí)清晰地觀察到：當(dāng)應(yīng)力水平較低時(shí)(如圖1(a)所示)，在循環(huán)初期，試件表面的可視裂紋少而短，循環(huán)次數(shù)增加，已有裂紋不再繼續(xù)增長(zhǎng)或增長(zhǎng)十分緩慢，隨著循環(huán)次數(shù)的進(jìn)一步增加，新生疲勞裂紋不斷萌生和擴(kuò)展，最后，已有裂紋與新生裂紋共同向前擴(kuò)展，并相互貫通，形成一條通縫，導(dǎo)致試件破壞。從試件內(nèi)部損傷機(jī)制

8、看，在低應(yīng)力水平下，疲勞裂紋端部的應(yīng)力集度小于纖維的阻力，纖維阻止了裂紋的擴(kuò)展，要使裂紋通過(guò)鋼纖維或高強(qiáng)碳纖維，就需增加循環(huán)次數(shù)，促使疲勞裂紋的擴(kuò)展與貫通。在較高應(yīng)力水平，如0.80時(shí)，循環(huán)初期，試件表面可視裂紋多而粗，當(dāng)循環(huán)次數(shù)增加時(shí)，已有裂紋不斷擴(kuò)展，新裂紋逐漸萌生和擴(kuò)展，最后兩種裂紋在疲勞荷載作用下，相互搭接和貫通，導(dǎo)致試件破壞(如圖1(b)所示).從試件內(nèi)部損傷機(jī)制看，較高應(yīng)力水平下，混凝土基體中裂紋端部的應(yīng)力集度大于纖維的阻力，裂紋進(jìn)一步擴(kuò)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(yīng)力水平、纖維體積率的關(guān)系如圖2所示，圖中縱坐標(biāo)為碳纖維混凝土疲勞壽命與素混凝土的比值。在不

9、同的應(yīng)力水平下，碳纖維對(duì)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(guī)律增加，即圖1疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程示意Ncf/Nc=a+bcf(2)式中：cf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(yīng)力水平不同，則a、b系數(shù)不同。當(dāng)=0.70時(shí)，a=7.62,b=0.78;=0.80時(shí)，a=2.40,b=0.80;=0.90時(shí)，a=1.98,b=0.73;=0.95時(shí)，a=1.21,b=0.33.這表明碳纖維混凝土的疲勞壽命與應(yīng)力水平密切相關(guān)，當(dāng)應(yīng)力水平由0.70升為0.80時(shí)，碳纖維混凝土疲勞壽命與素混凝

10、土疲勞壽命的比值明顯減小。圖2碳纖維混凝土相對(duì)疲勞壽命與纖維體積率的關(guān)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(dāng)試件破壞時(shí)，荷載-位移曲線下的面積為疲勞過(guò)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CCF1CF2CF3SESK1SK2SK30.70平均值127347585081532612793148371606918416變異性0.070.040.030.020.080.040.030.0340.80平均值70914541503160936534489548

11、85637變異性0.030.060.100.030.160.050.060.060.90平均值3936038049192002232523723221變異性70.080.060.95平均值2243443673921200146116571658變異性10.130.09纖維混凝土試件在疲勞過(guò)程中裂紋擴(kuò)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(yīng)力水平以及損傷發(fā)展密切相關(guān)。與高應(yīng)力水平相比，在較低的應(yīng)力水平下，疲勞裂紋短而且少，纖維與基體間有良好的粘結(jié)力，纖維延緩了裂紋的擴(kuò)展，

12、增大了基體的疲勞壽命、可恢復(fù)變形和能量吸收值，試件能吸收更多的能量。當(dāng)應(yīng)力水平提高時(shí)，砂漿體中產(chǎn)生更多的裂紋，消弱了纖維對(duì)裂紋的阻滯作用，裂紋擴(kuò)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(guò)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(guò)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(guī)律試件內(nèi)部的損傷演化與能量吸收密切相關(guān)。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(duì)值或損傷變量D與

13、循環(huán)次數(shù)比的關(guān)系曲線。由圖可見(jiàn)，纖維混凝土的累積損傷為非線性損傷，用Miner線性損傷準(zhǔn)則計(jì)算纖維混凝土結(jié)構(gòu)的剩余壽命偏于保守，加載應(yīng)力水平對(duì)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(fā)展大致分為三個(gè)階段：第一階段，循環(huán)初期，n/N0.15時(shí)，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(fā)展較慢，因此該階段用能量吸收值來(lái)估算累積損傷不夠準(zhǔn)確；第二階段，0.2n/N0.85，材料處于能量吸收或損傷演化的穩(wěn)定發(fā)展階段，能量吸收或累積損傷與循環(huán)次數(shù)基本呈線性增長(zhǎng)規(guī)律，試件所吸收的能量用于裂紋萌生、穩(wěn)定擴(kuò)展和纖維的脫粘等，能量吸收反映了累積損傷發(fā)展規(guī)律；第三階段，n/N0

14、.85，處于能量吸收或累積損傷的快速發(fā)展階段，試件中的裂紋由穩(wěn)定擴(kuò)展變?yōu)榉欠€(wěn)定擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展速率加快，纖維不斷被拔出，當(dāng)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(huán)比的關(guān)系曲線圖3中，纖維混凝土的累積損傷發(fā)展與應(yīng)力水平及纖維摻量有關(guān)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)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+1.7cf)log(0.9)(4)Ds=J/Jtot=(n/N)1-(3.1+2.4sfl/d)log(0.9)(5)式中：為應(yīng)力水平，0.70；n/N為循環(huán)比。3結(jié)論(1)在對(duì)纖維混凝土進(jìn)行疲勞設(shè)計(jì)和疲勞強(qiáng)度分析時(shí)

15、，應(yīng)考慮應(yīng)力水平對(duì)疲勞壽命及能量吸收的影響。纖維混凝土在較低應(yīng)力水平下的疲勞壽命和能量吸收比高應(yīng)力水平時(shí)有明顯的增大趨勢(shì)。當(dāng)應(yīng)力水平大于或等于破壞荷載的80%時(shí)，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(yīng)力水平下表現(xiàn)出很強(qiáng)的阻滯作用，延緩了混凝土基體的損傷發(fā)展。(2)當(dāng)鋼纖維體積率為1.0%2.0%，碳纖維體積率為1.02.5時(shí)，鋼纖維混凝土的疲勞壽命是碳纖維混凝土的1.66.5倍，能量吸收是碳纖維混凝土的3.94.8倍。(3)試件在疲勞過(guò)程中所吸收能量的相對(duì)值，較真實(shí)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(guò)程，用Miner線性累積損傷理論計(jì)算纖維混凝土的疲勞累積損傷偏于保守。參考文獻(xiàn)：1ByongYB,Cheng-TzuTH.PropertiesofSteelFiberReinforcedConcreteunderCyclicLoadingJ。ACIMaterialsJ.,1998,95(2).2HsuTC.FatigueandMicrocrackingofConcreteJ。RILEM,