玻璃纤维混凝土的弯曲疲劳试验研究.pdf

2 0 1 2 年 第9期 (总 第 2 7 5 期 ) Nu mb e r 9 i n 2 0 1 2 ( T o t a l No 2 7 5 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AL AND ADM I NI CLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 2 0 9 0 1 6 玻璃纤维混凝土的弯曲疲劳试验研究 吕雁 。程赫明 ，马志广 ( 昆明理工大学 建筑工程学院 ，云南 昆明 6 5 0 0 9 3 ) 摘要： 对玻璃纤维混凝： 2 ( G F R C) 材料的弯曲疲劳进行了试验研究， 获得不同应力水平作用下 G F R C的疲劳寿命， 并应用疲劳寿命统 计学理论确定了G F R C疲劳寿命统计分布规律服从两参数的威布尔分布， 建立了考虑存活率的双对数疲劳方程和单对数疲劳方程。 研究 结果表明， G F R C的抗夸l生 能和弯曲疲劳寿命明显高于普通混凝土材料。 关键词： 玻璃纤维混凝土；弯曲疲劳；疲劳寿命 中图分类号 ： T U 5 2 8 5 8 1 文献标志码 ： A 文章编 号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 9 0 0 5 0 0 4 Ex pe r i me nt a l i nv es t i ga t i on on f l e xur al f a t i gue p er f or manc e of gl a s s f i be r r ei n f or c e d c onc r e t e L c Y an ， C HE NGHe min g ， MAZ h i - g u a n g ( F a c u l t y o f Ci v i l E n g in e e r i n g a n dA r c h i t e c t u r e ， Kt m mi n gU n iv e r s i tyo f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y ， K u n mi n g 6 5 0 0 9 3 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Th e fl e x u r a l f a t i g u e p e rfo r ma n c e o fg l a s s fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e wa s i n v e s t i g a t e d e x p e r i me n t a l l y Us i n g f a t i gu e l i f e s t a t i s t i c s t he o r y， i t wa sf o u n dt h a t t h ef a t i gu el i f eo fg l a s sfib e r r e i n f o r c e d c o n c r e t ewa s s u i t e dt ot h et wop a r a me t e r sWe i b uUd i s t r i b u t i o nTh e n， t h ef a t i gue e q ua - t i o n s o fg l a s s fib e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i n b o t h t h e d o u b l e - l o g a r i t h m a nd s i n g l e l o g a r i thm f o rm s a r e e s t a b l i s h e d Th e r e s u l t s s h o we d t h a t the fl e xu r e r e s i s t a n t p r o p e r t y a n d t h e f a t i gue l i f e o fg l a s s fib e r r e i n f o r c e d c o nc r e t e we r e mu c h n i c e r t h an tha t o fc o mmo n c o nc r e t e Ke y wor ds ： g l a s s fib e r r e i n f o r c e d c o nc r e t e； fle x u r a l f a t i gu e ； f a t i gu e l i f e 0 引言 随着我国高速公路网络建设的飞速发展， 对道路桥梁结构的 要求越来越高。 高速公路水泥混凝土路面主要承受静载弯曲、 动载 疲劳及温度应力的作用， 容易在低于静载强度下发生疲劳破损或 失效， 影响了结构物的正常使用1 1 。 究其原因除了耐疲劳设计有待 进一步完善以外， 很大程度上是由于混凝土抗疲劳陛能较差所致。 因此 ， 如何改善和提高混凝土的抗疲劳性能、 延长其使用寿命， 成 为亟待解决的个重要研究课题。 国际上已一致公认， 在水泥基材 料中掺人纤维有助于提高其抗拉、 抗冲击、 抗断裂和抗弯性能， 可 广泛应用于公路路面、 桥面和铁路轨枕等土木工程结构中踟。 玻璃 纤维在道路工程施工中， 有很广泛的应用， 因为它与路面混合料具 有良好的相容陛。 玻璃纤维混凝+( g l a s s fi b e r r e i n f o r e e d c o n c r e t e ， 以下简称 G F R C ) 以其优越的性能正引起越来越广泛的关注。 由于纤维混凝土材料的组成和性质差异较大 ， 不同纤维材 料组成、 结构类型和环境条件下材料的疲劳特性不同。 要将玻璃 纤维用在承受疲劳荷载的结构中， 就必须对 G F R C在疲劳荷载 下的性能有所了解。 本研究应用 MT S材料试验系统， 对 3种玻 璃纤维掺量的试件进行弯曲疲劳 陛能试验研究。 1试 验 概 况 1 1 试件材料及配合比 由于研究的 G F R C主要用于路桥方面， 依据 J T GD6 2 -2 0 0 4 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 和J G T 3 0 6 4 一 收稿 日期 ：2 0 1 2 - 0 3 - 2 8 基金项 目：国家 自然科学基金资助项 目( 9 0 5 1 0 0 1 8 ) 50 1 9 9 9 ( 钢纤维混凝土 ， 基体混凝土按 C 4 0 配置， 用云南陆良远东 水泥厂生产的P O4 2 5 级水泥； 粗集料为粒径 5 2 0 ton i 的机械碎 石； 细集料采用机制砂； 外加剂为昆明安泰缓凝高效减水剂。 增 强纤维为湖北襄樊汇尔杰玻璃纤维有限责任公司生产的耐碱玻璃 纤维短切丝， 长度为 3 6 mm， 直径为 1 5 m， 强度O 2 5 N t e x 。 试 件的混凝土配合比见表 1 。 表 1 GF R C材料配合 比 1 2 试件的制备和养护 为了防止在搅拌过程中玻璃纤维结团采用预拌法。 先将水 泥和砂石放人搅拌机中干拌 2 mi n ， 再加入玻璃纤维继续搅拌至 纤维分散均匀， 然后加入一半用水量和外加剂搅拌 2 mi n ， 最后 加入剩余用水量搅拌。 搅拌采用强制式搅拌机以尽量避免在搅拌 过程中玻璃纤维投入后被水泥浆包裹而成团， 影响成型试件的 质量。 G F R C弯曲疲劳试验采用尺寸为 1 0 0 mmx l 0 0 mmx 4 0 0 i n l r l 的梁式试件 ， 玻璃纤维体积掺量分别为 0 、 0 8 和 1 ， 标准养 护至 3 个月后进行试验， 以减少龄期对疲劳结果的影响。 1 3试 验 方 法 疲劳试验设备由MT S 8 1 0材料试验机和 D H1 5 2 0 2动态应 变仪组成， 采用三分点( 5 0 + 3 1 0 0 + 5 0 ) 弯曲加载方式( 见图 1 ) ， 波形为正弦波 ， 加载频率为 1 0 H z ， 位移控制模式， 采用 0 8 0 、 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图 1 疲劳试验加载装置 0 7 5 、 0 7 0三种应力水平 5 ( 施加的最大应力值与试件的静载 抗折强度之比值) ， 应力比R( 作用在试件上的最小载荷和最大 载荷的比值) 取 O 1 。 在试件底部粘贴应变片， MT S 测试系统自动 记录载荷、 载荷循环次数等试验数据。 动态应变采集系统同步自 动采集试件的应变数据， 采集频率为 1 0 0 H z 。 在同一 MT S试验机上测得不同纤维掺量试件的静载抗折 强度( 见表 2 ) ， 然后根据静载试验结果进行疲劳试验。 按照有关 土木行业规范的规定， 如果试件经过 2 x l O 次疲劳加载循环后仍 不破坏， 则认为它可以承受无限次循环载荷， 也就是说有无限 寿命硼 。 因此本次试验中若试件的循环次数达到 2 x 1 0 次仍不 破坏则停止试验。 作为对比试验， 素混凝土和 GF R C试件都进行 三组载荷水平试验， 每组应力水平普通混凝土试件数量为 3根， 每种掺量GF R C试件数量为 6根。 对每组试件数量， 应用概率分 析方法进行检验 ， 对不满足检验要求的试件剔除后增补试件数 量， 保证每组有效试件数量满足试验要求。 由表 2可以看出， 两 种掺量 G F R C的静载抗折强度都高于普通混凝土材料。 表 2 GF RC静载抗折强度试验值 2 试验结果及分析 2 1 GF RC试件 的疲劳寿命 不同应力水平作用下， GF R C试件的疲劳寿命见表 3 。 表 3 GF R C疲劳寿命试验结果 为了说明 G F R C优 良的疲劳性能， 将相同配合比的普通混 凝土试件( 即掺量为 0的试件) 与 GF RC试件的弯曲疲劳试验 结果进行对比， 对比结果如表 4 所示。 表 4 GF R C与普通混凝土疲劳试 验结果 比较 由表 4可以发现， 在循环载荷作用下， G F R C的疲劳寿命明 显高于普通素混凝土材料。 具体表现为同一应力水平 S 一下， GF R C的疲劳寿命是基准混凝土材料的2 3 倍 ， 在高应力水平 下该数值更是偏大 ； 而且随着纤维体积掺量的增加 ， 疲劳寿命 也随之增大。 这些结果都说明了在混凝土基材中加入玻璃纤维 后 ， 材料的耐疲劳性能确实可以得到较大的改善。 2 2 G F RC疲劳寿命的统计分析 由于混凝土本身就是一种离散性很大的材料 ， 加之疲劳试 验结果的离散性也是众所周知的嘲 。 从表 3的试验结果可以看 出， G F R C的疲劳寿命离散性较大， 只有借助科学的、 合理的统 计方法对试验结果进行分析， 才能用较小的样本得到比较可靠 的结果。 用于描述混凝土类材料疲劳数据统计的数学概率模型中 最常用的是正态分布和 We i b u l 1 分布旧 。 由于正态分布概率密度 函数以横坐标为渐近线 ， 曲线两端延伸至无限远， 所以只有当 疲劳寿命取负无穷时， 可靠度才能达到 1 0 0 ， 然而现实中无穷 大寿命是不存在的。 相比较 We i b u l l 概率密度函数存在 1 0 0 可 靠度的安全寿命( 图2 ) ， 符合疲劳试验的实际情况， 所以近年来 经常用来描述疲劳数据。 本研究采用两参数的 Wc i b u l 1 分布来 分析 G F R C的疲劳寿命分布。 撼 髓 Jl； L 鞋 O 寿 口 图 2 两参数的 We i b u l1 分布概率密度函数曲线图 两参数的We i b u l 1 分布概率密度函数为： )： b I Jb-Ie 鲁 ( 。 。 ) ( 1 ) 式中： 6 、 v e i b u l l 形状参数 ； Mwe i b u 1 1 分布的特征寿命， 即存活率为 3 6 8 时的寿命。 根据式( 1 ) 可得 We i b u l l 变量的分布函数 ) 为： F (N p )= P (N N p )= l - e x p _ ( ( 2 ) 由失效概率分布函数 P ( ， v D ) 可以求得可靠度 P为 ： p P ( N N p )= e )【p (_ ( ( 3 ) 式( 3 ) 可写做： m =e x p( 两边取二次自然对数可得： m 1n ( ) = 6 l岍 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 即： Y = b X - fl 热 y h ； 1 n 。 ； fl = b l n N = 。 ( 6 ) 表 5 0 7 O应力水平的 GF R C疲劳寿命分布检验 式( 6 ) 为一直线方程 ， b和 可以直接从直线上得到， 从而 获得 We i b u l 1 分布的两个参数。 式( 6 ) 可以用来检验一组试验数 据服从两参数 We i b u l 1 分布的假设是否成立， 若试验数据的回归 分析表明 l ， 和 之问呈现良好的统计线性关系， 则假设成立， 反 之不成立。 将某一给定应力水平下疲劳试验得到的 K个疲劳试 验数据从小到大按顺序排列 ， 序号为 i ， 疲劳寿命 0 所对应的 可靠度 P可用式( 7 ) 计算 ： P = I 一 ( 7 ) K +1 将表( 3 ) 的疲劳试验结果进行各个应力水平下的 We i b u U 概率分布检验， 根据式( 7 ) ， 0 7 0应力水平下纤维体积掺量为 1 G F R C试件的存活率 P 和 I n f I n f I l 计算示例见表 5 。 【 P J 各应力水平下 G F R C疲劳寿命的W i b u l 1 分布检验如图 3 所示， 表 6 是将检验数据进行回归分析得到的两种纤维掺量 各应力水平 s 下的回归系数和相关系数。 由图 3和表 6的疲劳试验数据和回归分析可以看 出： r 1 1 h a I In l l I 和In N 之间 呈现出 较好的 统计 线性关系， 相 应的 相关 L 、 P J 系数R均达到 0 9 0以上， 说明G F R C的弯曲疲劳寿命能较好地 服从两参数的We i b u l 1 分布。 3 考虑失效概率的 G F RC疲劳方程 3 1 疲劳方程的形式 根据 G F R C疲劳试验时的加载情况以及不存在耐久极限 的假定， 结合工程应用实际和 G F RC疲劳试验的实际边界条件 ， 图 3 GF R C的 We ib u l1 分布检验 表 6 GF R C疲劳试验按式( 6) 回归分析结果 5 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 双对数形式的疲劳方程的基本形式为： l g S = l g a - c l g N ( 8 ) 单对数形式的疲劳方程的基本形式为： S = A C 1 g N ( 9 ) 在式( 8 ) 、 ( 9 ) 中， 系数 o ， c ， A和 的取值取决于方程所能 够保证的安全程度。 3 2 考虑失效概率的 P - S N疲 劳方程 由上述分析可知， G F R C的疲劳寿命 D 服从两参数 We i b u l 1 分布。 因此， 失效概率 F应满足下列方程： p) N p )= 1 一 e x p 一 f ) I ( 1 o ) 将表 6中给出的系数 b和 b l n N a 分别代人式( 1 0 ) ， 经过计 算即可求得给定失效概率 F时的疲劳寿命 n ， 3个应力水平上 相应于不同失效概率 ，的疲劳寿命 口 的计算结果如表 7所示。 表 7 不 同应 力水平下 GF R C疲 劳寿命 随失效概率 F的变化 将表 7中的数据按式( 8 ) 、 ( 9 ) 进行回归， 就可以得到相应 于不同失效概率 F时的回归系数 l g a ， C ， A和 C。 具体的回归系 数和相关系数见表 8 。 图 4 、 5描述了GF R C的双对数疲劳方程 ( P - l g 8 1 g 曲线) 和单对数疲劳方程( P - S l g N曲线 ) 。 l g N 图 4 GF RC不 同存活率的P - lg S - Ig N曲线 l g N 图 5 GF R C不同存 活率的 尸 - - S _ _ l g 曲线 上接第 4 9页 【 1 0 B RY A N T G W， B RO WN I N G G J ， E MA N U E L H T h e f u s i b i l i t y o f b l e n d e d c o a l a s h J E n e r g y a n d F u e l s ， 2 0 0 0 ， 1 4 ( 2 ) ： 3 1 6 3 2 5 I 1 1 王泉清， 曾蒲君 煤灰熔融性的研究现状与分析 煤炭转化， 1 9 9 7 ， 2 0 ( 2 ) ： 3 2 3 7 【 1 2 兰泽全， 曹欣玉， 周俊虎， 等 炉内灰渣沉积物中矿物元素分布的电 从表 8的结果可以看出： 在各级应力水平下， 不同失效概率 所对应的相关系数 R。 、 R： 的数值均在 0 9以上， 说明式( 8 ) 、 ( 9 ) 的线性关系是成立的； 在不同失效概率 F下回归系数 c和 G 的 变化很小， 可以忽略， 可以取 c和 c的平均值作为通用结果。 综 合上述分析， 考虑了失效概率 F时 G F R C的双对数疲劳方程和 单对数疲劳方程可表述为如下形式 ： l g l g a - 0 0 6 0 9 1 g N ( 1 1 ) S = A 一 0 1 0 4 3 G l g ( 1 2 ) 表 8 不同应力水平下GF R C疲劳寿命随失效概率 F的变化 O 1 0 0 2 O 0 l 3 O 0 4 0 0 5 0 0 9 0 O _ 8 O 0 7 O O 6 0 0 5 0 0 9l 8 4 0 9 2 04 0 9 21 7 0 9 2 2 9 0 9 23 5 1 2 5 7 6 0 1 O 2 9 1 2 7 8 0 0 1 O 3 9 1 2 9 0 9 0 1 0 4 5 1 3 01 0 0 1 0 5 0 1 3 0 9 4 0 1 O 5 4 0 9 0 7 5 0 9 0 9 7 0 9l 1 0 O 9 1 2 3 0 9 1 3 0 4结论 通过对玻璃纤维混凝土 G F R C和其相同配合比的普通混 凝土的对比疲劳试验研究， 探讨了G F R C的弯曲疲劳陛能。 研究 结果表明 ： ( 1 ) 与普通混凝土相比， GF R C具有较为优异的抗疲劳陛能， 这是因为在普通混凝土中掺入适量的玻璃纤维， 会使原有材料 的韧性得到明显的改善， 从而提高其抗疲劳I生能。 ( 2 ) G F R C的弯曲疲劳寿命统计分布能较好的服从两参数的 We i b u l 1 分布， 线性相关陛均达到 0 9以上。 ( 3 ) 根据疲劳试验结果， 得到了 G F RC考虑存活率的双对 数疲劳方程和单对数疲劳方程， 并且能够较好地满足工程应用。 参 考文献 ： 1 】孙伟， 高建明 路用钢纤维混凝土抗折疲劳特性研究J 】 东南大学学 报， 1 9 9 3 ， 2 1 ( 2 ) ： 8 0 8 7 f 2 】S U NWe i ， Y ANY u n S t u d yo f t h e f a t i g u e p e rf o r m a n c e a n d d a ma g e me e h a n i s mo f s t e e l fi b r e r e i n f o r c e d c o n c r e t e J AC I Ma t e r i a l s J o u r n al， 1 9 9 6 ， 9 3 ( 3 ) ： 2 0 6 2 1 1 【 3 MO G S E N A I ， S HA F I G P E F a t i gue c h a r a c t e ri s t i c s o f a l i g n e d f i b e r r e i n f o r c e d m o r t a r J J E n g r e M e c h ， 1 9 9 9 ( 1 2 5 ) ： 1 5 6 1 6 4 4 】4 郑顺潮， 黄培彦， 郭馨艳 钢纤维聚合物高强混凝土疲劳性能的试验 研究 试验力学， 2 0 1 1 ， 2 6 ( 1 ) ： 1 - 6 5 】 余自若， 安明秸， 阎贵平 活性粉末混凝土的疲劳强度研究【 J 1 混凝 土 ， 2 0 0 8 ( 7 ) ： 3 - 6 【 6 】 高镇同 疲劳应用统计学【 M 】 北京： 国防工业出版社 ， 1 9 8 6 作者简介 联 系地址 ： 联 系电话 ： 吕雁( 1 9 7 7 一 ) ， 女， 博士研究生， 主要从事新型建筑材料等 方面的研究工作。 云南昆明教场北路 8 4 号 馨悦芳邻 9 - 3 3 0 2 ( 6 5 0 2 2 3 ) 1 8 9 8 8 41 7 4 6 5 子探针分析 J 】 中国电机工程学报， 2 0 0 5 ， 2 5 ( 2 ) ： 1 1 4 1 1 9 作者简介： 李爱莉( 1 9 8 7 一 ) ， 女， 硕士研究生。 联系地址： 南京市新模范马路5 号 南京工业大学 1 2 7 号信箱( 2 1 0 o 0 9 ) 联 系电话 ： 1 5 2 5 0 9 8 5 1 6 4 53 O 6 0 3 5 O O 1 1 l 6 6 6 6 6 O O O O O O O O O O 6 5 O 9 8 O 2 O 5 O 7 8 9 9 O 1 2 O O O O O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m