高性能纖維素纖維及其混雜纖維混凝土的彎曲疲勞特性

1、高性能纖維素纖維及其混雜纖維混凝土的彎曲疲勞特性鄧宗才（北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100022）摘要：本文系統(tǒng)研究了高性能纖維素纖維、鋼纖維、纖維素纖維及鋼纖維混雜纖維混凝土的彎曲疲勞特性，探討了齡期對(duì)纖維素纖維增強(qiáng)粉煤灰混凝土疲勞性能的影響。試驗(yàn)表明：纖維素纖維混凝土疲勞強(qiáng)度比素混凝土提高6.8；纖維素纖維與鋼纖維聯(lián)合使用后，構(gòu)件的彎曲疲勞性有了較為顯著的改善，鋼纖維摻量64kg/m3與纖維素纖維摻量1.3 kg/m3混摻時(shí)，混雜纖維混凝土疲勞強(qiáng)度比單摻鋼纖維64 kg/m3，疲勞強(qiáng)度提高15.4。即混雜纖維將會(huì)充分發(fā)揮各種纖維的優(yōu)勢(shì), 對(duì)改善疲勞性能比單摻鋼纖維和纖維素纖維作用都顯著

2、。纖維素纖維增強(qiáng)粉煤灰混凝土70d時(shí)疲勞強(qiáng)度比 34d 提高11.Flexural Fatigue Behavior of High Performance Cellulose Fiber and Hybrid Fibers Reinforced Concrete BeamsDENG Zong-cai (School of Civil Engineering, Beijing University of technology, Beijing 100022, China)Abstract: The fatigue properties of high performance cellulose

3、 fiber, steel fiber, and hybrid fibers reinforced concrete are studied in the round, the effects of curing ages on fatigue behavior of fiber reinforced fly ash concrete is analyzed. The test results show that, cellulose fiber can improve fatigue behavior of fly ash concrete; cellulose fiber has bett

4、er effect on improving the fatigue behavior than pp fiber. When the cellulose fiber concentrations used were 1.3kg/m3, the flexural fatigue strength of concrete with cellulose fiber is larger than that of plain concrete 6.8; when the cellulose fiber and steel fiber concentrations used were respectiv

5、ely 1.3kg/m3 and 64kg/m2, the flexural fatigue strength of hybrid fiber reinforced concrete is larger than that of plain concrete 15.4; The cellulose fiber combine with steel fiber is a new type of material, which has more effect to improve the fatigue behavior than alone used steel fiber or cellulo

6、se fiber to concrete. At 70 days, the flexural fatigue strength of fly ash concrete with same concentrations of cellulose fiber is larger than that of concrete at 30 days.Key words: Cellulose fiber; steel fiber; hybrid fiber; fatigue properties; fiber reinforced concrete; fly ash, ecological concret

7、e. 提高混凝土道面的耐久性和使用壽命是工程界十分關(guān)注的問題之一。鋼纖維可以延長(zhǎng)水泥路面、機(jī)場(chǎng)道面的疲勞壽命，但工程造價(jià)高，影響鋼纖維的推廣應(yīng)用。必須開發(fā)性價(jià)比高的新型纖維增強(qiáng)材料，以提高道面的疲勞耐久性。過去關(guān)于聚丙烯纖維、聚丙烯腈纖維增強(qiáng)混凝土的研究較多，但關(guān)于UF500纖維素纖維(博凱纖維素纖維UF500）增強(qiáng)混凝土的研究很少。UF纖維素纖維比聚丙烯纖維等存在許多優(yōu)點(diǎn)，分散性能優(yōu)越，彈性模量及抗拉強(qiáng)度較高；UF500纖維素纖維與混凝土基體黏結(jié)強(qiáng)度比一般合成纖維高，可以充分發(fā)揮纖維抗拉強(qiáng)度；可顯著改善混凝土的早期抗裂性，能提高混凝土疲勞性能和改善混凝土韌性。由于摻入活性礦物摻料可以帶來技術(shù)

8、、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會(huì)等諸多方面的重要效益，如粉煤灰用于道路建設(shè)，可提高道路的使用壽命，降低工程造價(jià)和減少環(huán)境污染。UF纖維素纖維有很好的親水性，混凝土攪拌過程中吸附自由水分，在水泥水化過程中，水分釋放，促進(jìn)了水泥繼續(xù)水化，提高基體強(qiáng)度，強(qiáng)化纖維與水泥基體間的黏結(jié)力。粉煤灰要改善混凝土的性能，需要良好的養(yǎng)護(hù)，UF纖維素纖維緩慢釋放的水分，很有助于粉煤灰的化學(xué)反應(yīng)，改善粉煤灰混凝土的性能。另外，UF纖維素纖維可以改善混凝土和易性，使鋼纖維由三維分布向二維分布變化，提高了鋼纖維的利用率。本文研究了纖維素纖維與鋼纖維混合使用的情況，分別研究了鋼纖維、UF纖維素纖維混凝土的疲勞壽命，還研究了二者混合使用情

9、況下的疲勞性能。在試驗(yàn)基礎(chǔ)上建立了纖維混凝土彎曲疲勞方程，供設(shè)計(jì)及施工參考。1 纖維混凝土彎曲疲勞試驗(yàn)過程1.1纖維材性及混凝土配合比表1 UF纖維素纖維的尺寸和性能纖維種類密度/g/cm3長(zhǎng)度/mm直徑/m抗拉強(qiáng)度/MPa彈性模量/GPaUF纖維素纖維1.102.12.314-17600-9008.5UF纖維素纖維由上海羅洋新材料科技有限公司提供?；炷僚浜媳葹椋核?73 kg/m3，水泥278kg/m3, 1級(jí)粉煤灰70 kg/m3, 人工砂 677kg/m3, 人工石子1190 kg/m3（粒徑520mm）。水泥為P.O42.5硅酸鹽水泥。減水劑為水泥質(zhì)量的0.5%。纖維質(zhì)量摻量見表2。

10、表2 試件名稱及其纖維摻量試件名稱纖維素纖維摻量/kg/m3鋼纖維/kg/m3注素混凝土（PC）00UF纖維素纖維（UF1.3）1.30羅洋纖維素纖維鋼纖維（S64）064哈瑞克斯鋼纖維鋼纖維（S78）078哈瑞克斯鋼纖維鋼纖維+纖維素纖維（S64+U1.3）1.364鋼纖維+纖維素纖維（S78+U1.0）1.0781.2纖維混凝土拌合方法UF纖維素纖維素纖維的攪拌方法與普通混凝土相同，即先將纖維、集料與水泥用強(qiáng)制式攪拌機(jī)攪拌均勻，再加水?dāng)嚢?，UF纖維素纖維在混凝土中可分散均勻。也可以將基料、水泥、水、和纖維一起加入，進(jìn)行攪拌。本試驗(yàn)采用先干拌基料、水泥和纖維，后加水的方法。兩種方法均作了試驗(yàn)

11、，分散性很好。1.3纖維混凝土試件 彎曲疲勞試驗(yàn)的試件用150mm×150mm×550mm的模具澆注。試件澆注24h后脫模，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28-70d開始疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)前11h從養(yǎng)護(hù)室取出晾干。1.4纖維混凝土彎曲疲勞試驗(yàn)方法（1）、用跨度450mm的四點(diǎn)梁作彎曲疲勞試驗(yàn)。彎曲疲勞試驗(yàn)前先測(cè)得各種配合比至少3個(gè)試件在靜載破壞時(shí)的最大荷載，求得每個(gè)試件靜載彎拉強(qiáng)度，再求得平均彎拉強(qiáng)度值，作為疲勞加載的依據(jù)。即 （1）式中為纖維混凝土平均彎拉強(qiáng)度，、分別為同一組3個(gè)試件的彎拉強(qiáng)度（MPa）。由于混凝土的離散性對(duì)疲勞試驗(yàn)結(jié)果影響大，為了準(zhǔn)確確定混凝土的平均彎拉強(qiáng)度，在混凝土的拌

12、和、試件成型、養(yǎng)護(hù)等方面嚴(yán)加控制。也就是說，盡可能減少混凝土彎拉強(qiáng)度的離散性，測(cè)得用于疲勞試驗(yàn)的試件的真實(shí)彎拉強(qiáng)度，以此作為疲勞加載的依據(jù)。（2）、疲勞加載應(yīng)力水平s的定義為實(shí)際加載應(yīng)力值與靜載彎拉強(qiáng)度的比值，即s= （2） 式中為按照實(shí)際疲勞加載荷載計(jì)算得到的彎拉應(yīng)力（MPa）。（3）、本次疲勞試驗(yàn)加載最小荷載為最大荷載的10%，疲勞循環(huán)特征值0.1。 （3）(4)、疲勞試驗(yàn)過程：先對(duì)梁預(yù)加100N的載荷，反復(fù)幾次，以消除因接觸不良造成的誤差。待機(jī)器及儀表運(yùn)轉(zhuǎn)正常后，開始疲勞試驗(yàn)。正弦波加載，頻率為510Hz。 (5)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析疲勞試驗(yàn)結(jié)果的離散性較大，應(yīng)按照數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法處理試驗(yàn)

13、結(jié)果。對(duì)于離散性特別大的說明原因，在疲勞方程回歸中不予采用。關(guān)于混凝土疲勞方程應(yīng)該盡可能滿足2個(gè)條件：（1）N=1時(shí)，s=1；（2）N=時(shí), s=0。N為疲勞次數(shù)，s為應(yīng)力水平。目前疲勞方程使用較為普遍的是單對(duì)數(shù)和雙對(duì)數(shù)函數(shù)，單對(duì)數(shù)形式簡(jiǎn)單。用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法得到了疲勞方程。對(duì)于纖維混凝土應(yīng)在疲勞方程中充分體現(xiàn)纖維的摻量、纖維的幾何特征。把纖維摻量、纖維幾何特征引入方程中去。當(dāng)纖維摻量為零時(shí)，纖維混凝土的疲勞方程可以退化到普通素混凝土的疲勞方程。為了研究纖維素纖維的水分釋放對(duì)粉煤灰纖維混凝土后期的作用。分別測(cè)定了纖維素纖維混凝土33d和70d時(shí)的疲勞壽命，研究齡期對(duì)纖維素纖維增強(qiáng)粉煤灰混凝土后期疲

14、勞性能的影響。2 纖維混凝土彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果及討論2.1纖維混凝土彎曲疲勞壽命素混凝土及纖維混凝土彎曲疲勞次數(shù)見表3。表3 纖維混凝土彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果試件平均最大靜載/kN抗彎強(qiáng)度/MPa應(yīng)力幅值疲勞次數(shù)/萬(wàn)次素混凝土（C）27.43.650.5350.540.550.600.670.700.750.800.850.8750.9018918017765168.110.21.40.1940.170.07UF纖維素纖維混凝土（UFC 1.3）28.53.770.540.550.600.670.700.800.850.8750.90197.4189.295.028.411.52.200.270.20

15、0.085鋼纖維（S64）29.83.970.550.600.600.670.700.750.780.800.830.8750.90210200200174.364.437.114.03.91.70.80.25鋼纖維（S78）30.94.130.600.670.6750.690.700.750.780.800.850.900.9022020020018717050.122.218.50.500.210.102鋼纖維+UF纖維素纖維增強(qiáng)混凝土（S64+UF1.3）32.74.360.650.680.700.710.780.800.880.9020020020017944.734.61.70.74

16、鋼纖維+UF纖維素纖維增強(qiáng)混凝土（S78+UF1.0）31.54.20.650.690.700.780.8750.90200200174261.140.40UF1.3（30-38d）28.73.80.700.7012.413.1UF1.3（66-78d）29.94.00.700.7013.4814.822.2纖維混凝土靜載彎曲強(qiáng)度素混凝土抗彎強(qiáng)度3.65MPa。纖維素纖維摻量為1.3 kg/m3時(shí)，纖維混凝土抗彎強(qiáng)度為3.77MPa。鋼纖維摻量為64 kg/m3時(shí)，纖維混凝土抗彎強(qiáng)度為3.97MPa；鋼纖維摻量為78 kg/m3時(shí)，鋼纖維混凝土抗彎強(qiáng)度為4.13MPa。纖維素纖維摻量1.3 k

17、g/m3，與鋼纖維摻量64kg/m3混摻時(shí)，纖維混凝土抗彎強(qiáng)度為4.36MPa；纖維素纖維摻量1.0 kg/m3，與鋼纖維摻量78kg/m3混摻時(shí)，纖維混凝土抗彎強(qiáng)度為4.20MPa。2.3疲勞裂紋擴(kuò)展過程分析當(dāng)鋼纖維與纖維素纖維混摻時(shí)，在較低的應(yīng)力水平下，混凝土梁一般在3-7.5萬(wàn)次時(shí)，梁底開裂，裂縫高度約為28-30mm；當(dāng)疲勞次數(shù)達(dá)到43-75萬(wàn)次時(shí)，裂縫高度提高為60mm；當(dāng)疲勞次數(shù)為157-180萬(wàn)次時(shí)，裂縫高度為70-78mm，裂縫寬度0.1mm。即纖維具有很好的阻止裂縫擴(kuò)展的作用，裂縫擴(kuò)展十分緩慢，即使混凝土開裂，在帶裂縫情況下仍能繼續(xù)承受荷載和使用。2.4纖維混凝土彎曲疲勞強(qiáng)度

18、疲勞強(qiáng)度是指梁能夠承受200萬(wàn)次疲勞荷載作用而未發(fā)生破壞的最大疲勞應(yīng)力值。獲得疲勞強(qiáng)度需要作較多的試驗(yàn)，應(yīng)力水平由低向高逐步提高，從而獲得疲勞強(qiáng)度值。由表3看出：素混凝土疲勞200萬(wàn)次時(shí)的疲勞應(yīng)力幅為0.535-0.54。UF纖維素纖維摻量1.3 kg/m3時(shí)，纖維混凝土疲勞200萬(wàn)次時(shí)的疲勞應(yīng)力幅為0.55。鋼纖維摻量為64 kg/m3時(shí)，纖維混凝土疲勞200萬(wàn)次時(shí)的疲勞應(yīng)力幅為0.67。鋼纖維摻量為78 kg/m3時(shí)，纖維混凝土疲勞200萬(wàn)次時(shí)的疲勞應(yīng)力幅為0.685。鋼纖維摻量64kg/m3與纖維素纖維摻量1.3 kg/m3混摻時(shí)，纖維混凝土疲勞200萬(wàn)次時(shí)的疲勞應(yīng)力幅為0.70-0.7

19、1。鋼纖維摻量78kg/m3與纖維素纖維摻量1.0kg/m3混摻時(shí)，纖維混凝土疲勞200萬(wàn)次時(shí)的疲勞應(yīng)力幅為0.695。UF纖維素纖維增強(qiáng)混凝土的疲勞性能比素混凝土有改善。素混凝土能夠疲勞200萬(wàn)次以上的最大彎拉應(yīng)力為1.91MPa；UF纖維素纖維摻量1.3kg/m3時(shí)，纖維混凝土能夠疲勞200萬(wàn)次以上的最大彎拉應(yīng)力為2.04MPa。UF纖維素纖維混凝土的彎曲疲勞強(qiáng)度比素混凝土提高約6.8%。鋼纖維摻量為64 kg/m3時(shí)，纖維混凝土疲勞強(qiáng)度為2.66MPa。鋼纖維摻量為78 kg/m3時(shí)，纖維混凝土疲勞強(qiáng)度為2.83MPa。鋼纖維摻量64kg/m3與纖維素纖維摻量1.3 kg/m3混摻時(shí)，纖

20、維混凝土疲勞強(qiáng)度3.07 MPa，比素混凝土提高60.8。鋼纖維摻量78kg/m3與纖維素纖維摻量1.0kg/m3混摻時(shí)，纖維混凝土疲勞200萬(wàn)次時(shí)的疲勞強(qiáng)度為2.92 MPa，比素混凝土提高52.8。可以看出，當(dāng)鋼纖維與UF纖維素纖維混合使用時(shí)，提高了纖維混凝土的疲勞強(qiáng)度。如鋼纖維摻量64kg/m3與纖維素纖維摻量1.3 kg/m3混摻時(shí)，混雜纖維混凝土疲勞強(qiáng)度比單摻鋼纖維64kg/m3時(shí)的疲勞強(qiáng)度提高15.4，即UF纖維素纖維能夠改善鋼纖維混凝土疲勞性能。另外，纖維素纖維增強(qiáng)粉煤灰混凝土70d時(shí)疲勞壽命比 34d 提高11，說明纖維素纖維釋放的水分，對(duì)粉煤灰混凝土有自養(yǎng)護(hù)作用。文獻(xiàn)2研究表

21、明：當(dāng)混凝土中摻入體積分?jǐn)?shù)為0.067%0.1%的聚丙烯纖維時(shí)，其彎曲疲勞強(qiáng)度比素混凝土提高1%5%。UF纖維素纖維混凝土的彎曲疲勞強(qiáng)度比聚丙烯纖維混凝土稍微高些。但UF纖維素纖維與鋼纖維混雜使用時(shí)，對(duì)改善疲勞性能效果更好。2.5纖維混凝土彎曲疲勞方程為了便于與其它研究成果進(jìn)行比較和工程應(yīng)用，疲勞方程的匯總見表4。由相關(guān)系數(shù)R2看出，所建立的彎曲疲勞方程與試驗(yàn)值相關(guān)性良好。表4 纖維混凝土彎曲疲勞方程匯總試件名稱單對(duì)數(shù)素混凝土梁(PC)lgN = 7.3528-9.2284 s（R2=0.975）UF纖維素纖維混凝土(UF1.3)lgN= 7.5346-9.3666 s（R2=0.91）S64

22、lgN= 7.6464-8.7223 s（R2=0.91）S78lgN= 10.641-12.459 s（R2=0.91）S64+UF1.3lgN= 9.9636-10.852 s（R2=0.914）S78+UF1.0lgN= 9.7555-10.971 s（R2=0.97）3 結(jié) 論1）UF纖維素纖維能均勻地分散在混凝土中，纖維混凝土和易性及施工性良好。2）UF纖維素纖維混凝土的彎曲疲勞強(qiáng)度比素混凝土提高6.8%，高于聚丙烯纖維混凝土的疲勞強(qiáng)度（1%5%）。當(dāng)鋼纖維與UF纖維素纖維混合使用時(shí)，對(duì)提高鋼纖維混凝土疲勞強(qiáng)度效果更加明顯。如鋼纖維摻量64kg/m3與纖維素纖維摻量1.3 kg/m3

23、混摻時(shí)，混雜纖維混凝土疲勞強(qiáng)度比單摻鋼纖維64 kg/m3，疲勞強(qiáng)度提高15.4?；祀s纖維將會(huì)充分發(fā)揮各種纖維的優(yōu)勢(shì)。3）纖維素纖維增強(qiáng)粉煤灰混凝土70d時(shí)疲勞壽命比 34d 提高11，說明纖維素纖維內(nèi)釋放的釋放，對(duì)粉煤灰混凝土有自養(yǎng)護(hù)作用。參考文獻(xiàn) 1 ZHAO Guofan, HUANG Chengkui. Structures of steel fiber reinforced concrete. Structure Industry Press, 1999. (in Chinese) 2 Prasad Nunna and V. Ramakrishnan. Performance cha

24、racteristics of polypropylene fiber reinforced concretes, paper presented at session No.14, “Recent Developments in Fiber Reinforced Concrete, Part 1,” During the 72nd Annual Meeting of The Transportation Research Board, January 10-14,1993, Washington, D.C. 3 DENG Zongcai (鄧宗才) . The early age cracking properties of polyacrylonitrile f