高性能纤维素纤维及其混杂纤维混凝土的弯曲疲劳特性

1、高性能纤维素纤维及其混杂纤维混凝土的弯曲疲劳特性邓宗才（北京工业大学建筑工程学院，北京 100022）摘要：本文系统研究了高性能纤维素纤维、钢纤维、纤维素纤维及钢纤维混杂纤维混凝土的弯曲疲劳特性，探讨了龄期对纤维素纤维增强粉煤灰混凝土疲劳性能的影响。试验表明：纤维素纤维混凝土疲劳强度比素混凝土提高6.8；纤维素纤维与钢纤维联合使用后，构件的弯曲疲劳性有了较为显著的改善，钢纤维掺量64kg/m3与纤维素纤维掺量1.3 kg/m3混掺时，混杂纤维混凝土疲劳强度比单掺钢纤维64 kg/m3，疲劳强度提高15.4。即混杂纤维将会充分发挥各种纤维的优势, 对改善疲劳性能比单掺钢纤维和纤维素纤维作用都显著

2、。纤维素纤维增强粉煤灰混凝土70d时疲劳强度比 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 ; when the cellulose fiber and steel fiber concentrations used were respectively

5、 1.3kg/m3 and 64kg/m2, the flexural fatigue strength of hybrid fiber reinforced concrete is larger than that of plain concrete 1; 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 cellulose fib

6、er 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 concrete. 提高混

7、凝土道面的耐久性和使用寿命是工程界十分关注的问题之一。钢纤维可以延长水泥路面、机场道面的疲劳寿命，但工程造价高，影响钢纤维的推广应用。必须开发性价比高的新型纤维增强材料，以提高道面的疲劳耐久性。过去关于聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维增强混凝土的研究较多，但关于UF500纤维素纤维(博凯纤维素纤维UF500）增强混凝土的研究很少。UF纤维素纤维比聚丙烯纤维等存在许多优点，分散性能优越，弹性模量及抗拉强度较高；UF500纤维素纤维与混凝土基体黏结强度比一般合成纤维高，可以充分发挥纤维抗拉强度；可显著改善混凝土的早期抗裂性，能提高混凝土疲劳性能和改善混凝土韧性。由于掺入活性矿物掺料可以带来技术、经济、环境

8、、社会等诸多方面的重要效益，如粉煤灰用于道路建设，可提高道路的使用寿命，降低工程造价和减少环境污染。UF纤维素纤维有很好的亲水性，混凝土搅拌过程中吸附自由水分，在水泥水化过程中，水分释放，促进了水泥继续水化，提高基体强度，强化纤维与水泥基体间的黏结力。粉煤灰要改善混凝土的性能，需要良好的养护，UF纤维素纤维缓慢释放的水分，很有助于粉煤灰的化学反应，改善粉煤灰混凝土的性能。另外，UF纤维素纤维可以改善混凝土和易性，使钢纤维由三维分布向二维分布变化，提高了钢纤维的利用率。本文研究了纤维素纤维与钢纤维混合使用的情况，分别研究了钢纤维、UF纤维素纤维混凝土的疲劳寿命，还研究了二者混合使用情况下的疲劳性

9、能。在试验基础上建立了纤维混凝土弯曲疲劳方程，供设计及施工参考。1 纤维混凝土弯曲疲劳试验过程1.1纤维材性及混凝土配合比表1 UF纤维素纤维的尺寸和性能纤维种类密度/g/cm3长度/mm直径/m抗拉强度/MPa弹性模量/GPaUF纤维素纤维14-17600-900UF纤维素纤维由上海罗洋新材料科技有限公司提供。混凝土配合比为：水173 kg/m3，水泥278kg/m3, 1级粉煤灰70 kg/m3, 人工砂 677kg/m3, 人工石子1190 kg/m3（粒径520mm）。水泥为P.O42.5硅酸盐水泥。减水剂%。纤维质量掺量见表2。表2 试件名称及其纤维掺量试件名称纤维素纤维掺量/kg/

10、m3钢纤维/kg/m3注素混凝土（PC）00UF纤维素纤维（UF1.3）0罗洋纤维素纤维钢纤维（S64）064哈瑞克斯钢纤维钢纤维（S78）078哈瑞克斯钢纤维钢纤维+纤维素纤维（S64+U1.3）64钢纤维+纤维素纤维（S78+U1.0）781.2纤维混凝土拌合方法UF纤维素纤维素纤维的搅拌方法与普通混凝土相同，即先将纤维、集料与水泥用强制式搅拌机搅拌均匀，再加水搅拌，UF纤维素纤维在混凝土中可分散均匀。也可以将基料、水泥、水、和纤维一起加入，进行搅拌。本试验采用先干拌基料、水泥和纤维，后加水的方法。两种方法均作了试验，分散性很好。1.3纤维混凝土试件 弯曲疲劳试验的试件用150mm150m

11、m550mm的模具浇注。试件浇注24h后脱模，在标准养护室养护28-70d开始疲劳试验，试验前11h从养护室取出晾干。1.4纤维混凝土弯曲疲劳试验方法（1）、用跨度450mm的四点梁作弯曲疲劳试验。弯曲疲劳试验前先测得各种配合比至少3个试件在静载破坏时的最大荷载，求得每个试件静载弯拉强度，再求得平均弯拉强度值，作为疲劳加载的依据。即 （1）式中为纤维混凝土平均弯拉强度，、分别为同一组3个试件的弯拉强度（MPa）。由于混凝土的离散性对疲劳试验结果影响大，为了准确确定混凝土的平均弯拉强度，在混凝土的拌和、试件成型、养护等方面严加控制。也就是说，尽可能减少混凝土弯拉强度的离散性，测得用于疲劳试验的试

12、件的真实弯拉强度，以此作为疲劳加载的依据。（2）、疲劳加载应力水平s的定义为实际加载应力值与静载弯拉强度的比值，即s= （2） 式中为按照实际疲劳加载荷载计算得到的弯拉应力（MPa）。（3）、本次疲劳试验加载最小荷载为最大荷载的10%，疲劳循环特征值0.1。 （3）(4)、疲劳试验过程：先对梁预加100N的载荷，反复几次，以消除因接触不良造成的误差。待机器及仪表运转正常后，开始疲劳试验。正弦波加载，频率为510Hz。 (5)、试验数据统计与分析疲劳试验结果的离散性较大，应按照数理统计的方法处理试验结果。对于离散性特别大的说明原因，在疲劳方程回归中不予采用。关于混凝土疲劳方程应该尽可能满足2个条

13、件：（1）N=1时，s=1；（2）N=时, s=0。N为疲劳次数，s为应力水平。目前疲劳方程使用较为普遍的是单对数和双对数函数，单对数形式简单。用数理统计方法得到了疲劳方程。对于纤维混凝土应在疲劳方程中充分体现纤维的掺量、纤维的几何特征。把纤维掺量、纤维几何特征引入方程中去。当纤维掺量为零时，纤维混凝土的疲劳方程可以退化到普通素混凝土的疲劳方程。为了研究纤维素纤维的水分释放对粉煤灰纤维混凝土后期的作用。分别测定了纤维素纤维混凝土33d和70d时的疲劳寿命，研究龄期对纤维素纤维增强粉煤灰混凝土后期疲劳性能的影响。2 纤维混凝土弯曲疲劳试验结果及讨论2.1纤维混凝土弯曲疲劳寿命素混凝土及纤维混凝土

14、弯曲疲劳次数见表3。表3 纤维混凝土弯曲疲劳试验结果试件平均最大静载/kN抗弯强度/MPa应力幅值疲劳次数/万次素混凝土（C）27.453541891801776516UF纤维素纤维混凝土（UFC 1.3）45189.295.0钢纤维（S64）210200200钢纤维（S78）22020020018717020.102钢纤维+UF纤维素纤维增强混凝土（S64+UF1.3）200200200179434.61.70.74钢纤维+UF纤维素纤维增强混凝土（S78+UF1.0）20020017426（30-38d）0.700.70UF1.3（66-78d）0.700.702.2纤维混凝土静载弯曲强度

15、5MPa。纤维素纤维掺量为1.3 kg/m3。钢纤维掺量为64 kg/m3时，纤维混凝土抗弯强度为3.97MPa；钢纤维掺量为78 kg/m3。纤维素纤维掺量1.3 kg/m3，与钢纤维掺量64kg/m3混掺时，纤维混凝土抗弯强度为MPa；纤维素纤维掺量1.0 kg/m3，与钢纤维掺量78kg/m3Pa。2.3疲劳裂纹扩展过程分析当钢纤维与纤维素纤维混掺时，在较低的应力水平下，混凝土梁一般在3-7.5万次时，梁底开裂，裂缝高度约为28-30mm；当疲劳次数达到43-75万次时，裂缝高度提高为60mm；当疲劳次数为157-180万次时，裂缝高度为70-78mm，裂缝宽度。即纤维具有很好的阻止裂缝

16、扩展的作用，裂缝扩展十分缓慢，即使混凝土开裂，在带裂缝情况下仍能继续承受荷载和使用。2.4纤维混凝土弯曲疲劳强度疲劳强度是指梁能够承受200万次疲劳荷载作用而未发生破坏的最大疲劳应力值。获得疲劳强度需要作较多的试验，应力水平由低向高逐步提高，从而获得疲劳强度值。由表3看出：。UF纤维素纤维掺量 kg/m35。钢纤维掺量为64 kg/m3时，纤维。钢纤维掺量为78 kg/m385。钢纤维掺量64kg/m3与纤维素纤维掺量1.3 kg/m3混掺时，纤维混凝土疲劳200万次时的疲劳应力幅为0.70-0.71。钢纤维掺量78kg/m3与纤维素纤维掺量/m3混掺时，纤维混凝土疲劳200万次时的疲劳应力幅

17、为0.695。UF纤维素纤维增强混凝土的疲劳性能比素混凝土有改善。素混凝土能够疲劳200万次以上的最大弯拉应力为1MPa；UF纤维素纤维掺量/m3时，纤维混凝土能够疲劳200万次以上的最大弯拉应力为MPa。UF纤维素纤维混凝土的弯曲疲劳强度比素混凝土提高约%。钢纤维掺量为64 kg/m3时，纤维混凝土疲劳强度为2.66MPa。钢纤维掺量为78 kg/m3时，纤维混凝土疲劳强度为2.83MPa。钢纤维掺量64kg/m3与纤维素纤维掺量1.3 kg/m3混掺时，纤维混凝土疲劳强度3.07 MPa，比素混凝土提高。钢纤维掺量78kg/m3与纤维素纤维掺量/m3混掺时，纤维混凝土疲劳200万次时的疲劳

18、强度为2.92 MPa，比素混凝土提高。可以看出，当钢纤维与UF纤维素纤维混合使用时，提高了纤维混凝土的疲劳强度。如钢纤维掺量64kg/m3与纤维素纤维掺量1.3 kg/m3混掺时，混杂纤维混凝土疲劳强度比单掺钢纤维64kg/m3时的疲劳强度提高15.4，即UF纤维素纤维能够改善钢纤维混凝土疲劳性能。另外，纤维素纤维增强粉煤灰混凝土70d时疲劳寿命比 34d 提高11，说明纤维素纤维释放的水分，对粉煤灰混凝土有自养护作用。文献2研究表明：当混凝土中掺入体积分数为0.067%0.1%的聚丙烯纤维时，其弯曲疲劳强度比素混凝土提高1%5%。UF纤维素纤维混凝土的弯曲疲劳强度比聚丙烯纤维混凝土稍微高些

19、。但UF纤维素纤维与钢纤维混杂使用时，对改善疲劳性能效果更好。2.5纤维混凝土弯曲疲劳方程为了便于与其它研究成果进行比较和工程应用，疲劳方程的汇总见表4。由相关系数R2看出，所建立的弯曲疲劳方程与试验值相关性良好。表4 纤维混凝土弯曲疲劳方程汇总试件名称单对数素混凝土梁(PC)lgN =-9.2284 s（R2=0.975）UF纤维素纤维混凝土(UF)lgN= - s（R21）S64lgN= s（R2=0.91）S78lgN= s（R2=0.91）lgN= s（R2=0.914）lgN= - s（R27）3 结 论1）UF纤维素纤维能均匀地分散在混凝土中，纤维混凝土和易性及施工性良好。2）UF

20、纤维素纤维混凝土的弯曲疲劳强度比素混凝土提高%，高于聚丙烯纤维混凝土的疲劳强度（1%5%）。当钢纤维与UF纤维素纤维混合使用时，对提高钢纤维混凝土疲劳强度效果更加明显。如钢纤维掺量64kg/m3与纤维素纤维掺量1.3 kg/m3混掺时，混杂纤维混凝土疲劳强度比单掺钢纤维64 kg/m3，疲劳强度提高15.4。混杂纤维将会充分发挥各种纤维的优势。3）纤维素纤维增强粉煤灰混凝土70d时疲劳寿命比 34d 提高11，说明纤维素纤维内释放的释放，对粉煤灰混凝土有自养护作用。参考文献 1 ZHAO Guofan, HUANG Chengkui. Structures of steel fiber rei

21、nforced concrete. Structure Industry Press, 1999. (in Chinese) 2 Prasad Nunna and V. Ramakrishnan. Performance characteristics 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 (邓宗才) . The early age cracking properties of polyacrylonitrile fiber reinforced concrete. Highway, 2003, (8) (in Chinese)4 DENG Zongcai (邓宗才) F