碳纤维混凝土弯曲疲劳试验研究

徐薄

摘要：对加入体积含量为0.1%的碳纤维混凝土进行了疲劳试验研究，获得了不同应力水平作用下的碳纤维混凝土试件的疲劳寿命，和已有的素混凝土文献资料对比，疲劳寿命次数有较大的提高。并应用了疲劳寿命统计学理论确定了碳纤维混凝土疲劳寿命统计规律服从两参数的威布尔分布。对每组试件底部应变进行曲线拟合，发现应变在100范围内增长曲线基本都符合对数曲线拟合，且找到了在本文中应力水平对应的跨中底部应变和疲劳次数的最好关系表达式。

Abstract： In this research， reinforced concrete with 0.1% of carbon fiber was tested and various ranges of fatigue life of carbon fiber reinforced concrete specimens under different stress levels were obtained. Compared with the existing concrete literature， the fatigue life times were improved greatly. The fatigue life statistics of carbon fiber reinforced concrete were determined by the fatigue life statistic theory called Two-parameter Weibull distribution. The curves of the bottom strain of each specimen were fitted， the result showed that the growth curve of the strain is basically in accordance with the logarithmic curve fitting in the range of 100. Furthermore， the stress level corresponds to the optimal relationship between the bottom strain and the number of fatigue were found in the test.

关键词：碳纤维混凝土；疲劳寿命；跨中挠度；底部应变

Key words： carbon fiber reinforced concrete；fatigue life；mid-span deflection；bottom strain

中图分类号：TU528.582 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）04-0128-03

0 引言

随着我国科技的发展，工程发展的脚步也越来越快。自从混凝土被发明之后，大规模的应用于工程建设中，在当今世界成为了一种主流建筑材料，其地位不可替代。为了能充分的利用混凝土，学者们不断地改良它的性能，使其达到经济最优，性能最优。近年来很多学者已经取得了很多成果，但是在一些存在重复荷载领域，如高速公路、桥梁工程等领域中，虽然工程师已经掌握了结构理论，但还是在承受弯曲重复荷载作用下，结构构件容易发生疲劳破坏，导致构建承载力失效，影响工程结构的正常使用。主要原因除了与结构耐久性设计等因素有关外，还与混凝土的疲劳性能有关，因此怎样提高混凝土抗疲劳性能，延长其使用寿命是一个重要的研究内容。混凝土中加入纤维是很多学者公认的能提高混凝土综合性能的有效方式。随着碳纤维的出现，碳纤维优越的力学性能，也让人们广为熟知，由于其价格偏高，为了充分利用它的优势，已将它广泛用于工程结构加固并建立了一系列加固理论。目前邓宗才[1][2][3]等对其低周疲劳断裂特性，低周循环加载历史对其断裂特性影响，等幅、变幅疲劳断裂与损伤性能做了大量研究，发现碳纤维对混凝土疲劳性能有较大提高。不足之处是对试件进行预制缺口，让其破坏，未对自然状态的梁用应力水平控制其应力上下限来分析其寿命、应变。混凝土中加入碳纤维，在疲劳过程中底部应变的发展，都会影响其疲劳寿命，故本文以应力水平为变量，在MTS疲劳试验机上进行疲劳试验，研究其应力水平分别为S=0.6、S=0.7、S=0.8作用下疲劳寿命、跨中底部应变。

1 试验材料及试样制备

1.1 试验材料

按照普通混凝土配合比设计规程《JGJ55-2011》配置强度等级为C30的混凝土，配合比为水泥：水：砂：石= 349kg：185kg：597kg：1269kg。水泥用云南省红河水泥厂生产的P·O425级水泥，粗骨料采用粒径为5-20mm的机械碎石，细骨料采用机制中砂，加入体积含量为0.1%的碳纤维（东丽T700-12K-50C），力学性能参数见表1。

1.2 试样制备

由于碳纤维在水中不能很好的分散，拌和工藝是一个很关键的因素，本文采用先骨料混拌和，再加水。具体拌和工艺：碎石+砂拌和1分钟，再加入碳纤维拌和1分钟，再加入水泥拌和1分钟，最后加入水拌和3分钟。拌和过程中采用强制搅拌机搅拌，尽量避免拌和不均匀影响成型质量。制作尺寸150mm×150mm×550mm梁试件共18根，3根用于静载试验，其余15根用于3组应力水平对应的疲劳试验，标准养护28天。试验进行前，对试件进行测点布置。在碳纤维混凝土梁底部跨中沿横向均布3片应变片（BX120-100AA），测量混凝土底部应变，如图1所示。

2 梁弯曲疲劳加载试验

2.1 试验方法

试验设备由MTS809和3817动态应变仪组成。对于疲劳加载频率，目前没有统一规范规定，根据试验机的性能和试件成本、周期，通常采取的加载频率为5-15Hz。而加载频率在100-900次/分钟之间对混凝土的疲劳强度无明显影响。本实验选择MTS试验机加载频率为10Hz，波形为正弦波，采用力控制加载方式，装置图如图2所示。3817动态应变仪采集频率为5Hz，同时采集底部应变和跨中挠度。试验中分别对三组梁试件（每组5根），以应力水平为0.6、0.7、0.8进行疲劳试验。为了消除加载瞬间冲击荷载带来的影响，故先确定应力比为0.1，由静力加载试验得到的平均最大破坏强度为=25.71kN，由疲劳加载公式（1）和（2）可以得到应力水平对应的应力上限和应力下限，并进行试验。endprint

S=σmax/f（1）

r=σmin/σmax （2）

式（1）、（2）中：S-应力水平；σmax-最大应力；f-平均破坏强度；σmin-最小应力；r-应力比，取为0.1。

2.2 试验结果及分析

2.2.1 疲劳寿命结果及分析

不同应力水平作用下，加入体积含量为0.1%的碳纤维混凝土各试件的疲劳寿命见表2。

李永强[4]等对素混凝土弯曲疲劳做了研究，研究结果显示当应力水平S=0.8时，最大破坏次数为8411次，S=0.7时，最大破坏次数为58835次，S=0.6时，最大破坏次数为2116598次。与本文试验结果对比表明：加入0.1%的碳纤维，对混凝土疲劳次数有较大提高。

由于混凝土是一种复合人工材料其离散性非常大，由于其样本数量较小，必须借助较为科学的统计理论方法对其试验结果进行分析探究，得出的结论才更为可靠。本文采用两参数的weibull模型[5]来分析研究碳纤维混凝土的疲劳寿命分布。

两参数的weibull分布概率密度函数为：

式（7）为一次函数关系表达式，c和β两个参数可以从直线上得到。且式（7）可以用来做试验结果的两参数weibull分布的假设检验，如果试验数据的回归分析结果能够表明Y和X之间呈现出比较好的统计关系，则假设就成立。将各个对应应力水平作用下，疲劳试验得到的K个试验结果从小到大按顺序排列，顺序号为i，疲劳寿命次数为NP所对应的疲劳可靠度P可用下式（8）来计算：

2.2.2 底部应变结果及分析

混凝土梁底部跨中沿横向均布三片应变片，观测其应变增长规律。在疲劳过程中，每组进行五个试件的疲劳应变统计（与挠度同步统计），对同一应力水平的每个试件在0-100范围内应变值和疲劳次数进行对数曲线拟合，每组选择拟合曲线最好的一根，如图4所示。

图4结果表明：疲劳应变数值在0-100范围以内，各应力水平对应的应变值与疲劳次数符合对数曲线拟合。当应力水平S=0.8时， （a）拟合曲线的结果最好，即可以得到加入0.1%体积含量的碳纤维混凝土跨中底部应变值在0-100范围内的应变值和疲劳次数的关系表达式为ε= 26.631ln（N）+1.4367；当应力水平S=0.7时， （b）拟合曲线的结果最好，即可以得到加入0.1%体积含量的碳纤维混凝土跨中底部应变值在0-100范围内的应变值和疲劳次数的关系表达式为ε=7.5246ln（N）+15.67；当应力水平S=0.6时，（c）拟合曲线的结果最好，即可以得到加入0.1%体积含量的碳纤维混凝土跨中底部应变值在0-100范围内的应变值和疲劳次数的关系表达式为ε=7.3987ln（N）+16.118。此结论可以作为公路质量疲劳检测中底部应变和疲劳次数对应关系的参考表达式。

3 结论

通过对C30混凝土加入体积掺量为0.1%碳纤维进行疲劳试验研究得到以下结论：①疲劳试验结果和已有文献的素混凝土弯曲疲劳数据对比发现加入0.1%的碳纤维，对混凝土疲劳次数有较大的提高。对其碳纤维混凝土寿命统计分析，得到每组寿命分布能较好地服从两参数的weibull分布。②对各组试件的底部跨中应变进行疲劳过程连续采集，发现其应变在100范围内，疲劳次数和应变曲线拟合满足对数曲线。且找到了本文應力水平对应次数和底部应变的最好关系表达式。此关系表达式可作为公路疲劳检测中，底部应变与疲劳次数的参考关系表达式。

参考文献：

[1]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，2000，31（9）：0037-0044.

[2]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（2）：64-68.

[3]邓宗才，黄博升，闫同英，等.碳纤维混凝土等幅，变幅疲劳断裂与损伤性能的试验研究[J].混凝土与水泥制品，2000（z1）：52-54.

[4]李永强，车惠民.在等幅重复应力作用下混凝土弯曲疲劳性能研究[J].铁道学报，1999，21（2）：76-79.

[5]吕雁，程赫明，马志广.玻璃纤维混凝土的弯曲疲劳试验研究[J].混凝土，2012（9）：50-53.endprint