碳纤维、钢纤维混凝土低周抗压疲劳特性的试验研究.doc

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1、碳纤维、钢纤维混凝土低周抗压疲劳特性的试验研究摘要：本文研究了素混凝土、碳纤维混凝土和钢纤维混凝土在轴压疲劳荷载下的破坏机理，试验研究了碳纤维、不同品种钢纤维、纤维掺量、加载应力水平对于疲劳寿命及能量吸收的影响规律，探讨了疲劳累积损伤特性。研究表明：在较低的应力水平下纤维混凝土的疲劳寿命、能量吸收值均比高应力水平时明显增大。关键词：碳纤维钢纤维混凝土疲劳损伤　　近几年来，纤维混凝土已广泛应用于对抗疲劳、抗震和抗冲击等有较高要求的土木工程领域，这些工程在其服役期内通常承受随机或周期性反复荷载的作用，因此，研究纤维混凝土在不同加载应力水平下的疲劳寿命、

2、能量吸收和疲劳累积损伤特性是极其重要的，它是建立纤维混凝土疲劳累积损伤理论和正确估算结构剩余疲劳寿命等工作的基础。过去关于素混凝土及钢纤维混凝土疲劳特性的研究较多[1～4]，但关于碳纤维混凝土疲劳特性的研究未见报道。本文对碳纤维和钢纤维增强混凝土的疲劳特性作了对比试验，重点研究了碳纤维掺量、加载应力水平对疲劳寿命、能量吸收值及疲劳累积损伤变量的影响规律。研究表明：钢纤维和碳纤维混凝土均具有良好的抗疲劳特性，钢纤维混凝土的疲劳寿命是素混凝土的7.9～13.7倍，能量吸收是素混凝土7.4～14.5倍，碳纤维混凝土的疲劳寿命是素混凝土2.1～9.3倍，能

3、量吸收是素混凝土1.53～4.2倍；与高应力水平相比，纤维混凝土在较低应力水平下的疲劳寿命、能量吸收均有明显增大的趋势。1试验过程表1纤维混凝土力学性能试件编号纤维体积率(%)轴心抗压强度/MPa18弹性模量/GPaC0.0020.814.96CF10.1021.012.43CF20.2021.912.97CF30.2522.513.4218SE1.020.920.10SK11.221.122.40SK21.622.923.71SK32.023.424.011.1试件试验所用材料及混凝土配合比见文献[5]。棱柱体试件尺寸为100mm×100mm×1

4、8300mm，各类试件个数均为6个，纤维混凝土力学性能列于表1，表中C代表素混凝土，CF1～CF3代表碳纤维混凝土，SE代表E型钢纤维混凝土，SK1～SK3代表K型钢纤维混凝土。1.2静载试验在作疲劳试验前先作了静载抗压试验，以确定试件破坏时的最大荷载。试件室内自然养护45d后作试验。由于试件数量较多，试验持续时间达9d，为了取得较精确的静载轴心抗压强度，用以下方法来测算疲劳试验时任意一天的轴心抗压强度，并以此来确定疲劳试验中的应力水平。　　试验开始的当天，测一组试件的轴心抗压强度，试验过程中每隔3d测一组轴心抗压强度，代入下式[4]确定A、B常数

5、。fc,t=Alogt+B(1)式中：fc,t为龄期t天时的轴心抗压强度。利用式(1)可求得任意给定一天的轴心抗压强度。1.3疲劳试验装置及试验过程整个试验在德国生产的电液伺服系统试验机上完成，疲劳加载按恒力控制，加载波为正弦波，频率为0.5Hz.为了避免加载过程中出现非接触情况，试件上保持了0.05Fmax的最小压力(Fmax为静载试验时的最大荷载).测试系统由试验机自带的位移计、压力传感器、动态应变仪和x-y函数记录仪组成，同时用计算机自动采集系统记录和显示数据。记录仪记录了疲劳过程中的荷载-位移曲线。加载应力水平τ等于疲劳荷载与静载轴心抗压强

6、度的比值，本试验τ分别取0.70、0.80、0.90和0.95.2试验结果及分析2.1疲劳试验结果2.1.1疲劳寿命素混凝土、碳纤维及钢纤维混凝土在4种不同应力水平下的疲劳寿命列于表2.表2纤维混凝土抗压疲劳寿命18试件τCCF1CF2CF3SESK1SK2SK30.70平均值181911600178818742270239324212625变异性δ0.150.080.090.070.100.090.080.080.80平均值7925818333342562634734777变异性δ0.150.010.070.110.190.030.110.080

7、.90平均值318810311718187192200179变异性δ0.220.130.120.150.120.110.110.140.95平均值1319242710311518121124变异性δ0.210.200.210.200.240.100.180.24　　由表2可见，随着加载应力水平的提高，纤维混凝土的疲劳寿命减少，纤维体积率增加时，疲劳寿命增大。钢纤维混凝土的疲劳寿命是碳纤维混凝土的1.6～6.5倍。试件SE与SK1中纤维体积率接近，两种钢纤维均能均匀地分布于混凝土中，施工性良好。但是，带钩的K型钢丝纤维的疲劳寿命高于E型剪切类钢纤维。

8、　　在较低应力水平下，纤维混凝土的疲劳寿命高，但当τ≥0.80时，疲劳寿命明显降低。试验时清晰地观察到：当应力水平较低时(