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1、第1卷第2期建筑材料学报Vol.1No.21998年6月JOURNALOFBUILDINGMATERIALSJun.1998*混杂纤维增强水泥基复合材料的疲劳损伤模型华渊姜稚清王志宏(石家庄铁道学院材料科学与工程研究所)(武汉工业大学北京研究生部)摘要研究了碳纤维、聚丙烯纤维增强混杂纤维混凝土(C-PHFRC)材料在疲劳荷载作用下的损伤积累和演化规律,建立了相应的疲劳损伤模型,利用该模型对C-PHFRC材料进行了寿命预测,该模型有较高的精度.关键词混杂纤维;水泥基复合材料;弯曲疲劳;疲劳损伤中图法分类号TU5因钢纤维增强混凝土的力学性能受钢纤维形状、尺寸、掺量、搅拌工艺等的影响十分严重
2、,故近[1,2]年来人们开始对用两种或两种以上纤维增强的混杂纤维增强混凝土进行研究,以求弥补钢纤维混凝土的不足.由于对混杂纤维增强混凝土(hybridfiberreinforcedconcrete,简称HFRC)的探讨刚起步,因此,有关这种材料的力学特征,在静、动载及等幅、变幅循环荷载作用下的变形发展规律及损伤特性等方面的研究几乎是个空白.研究这些问题是将HFRC材料实际用于工程的关键.1C-PHFRC材料疲劳损伤的定义对任何材料,在疲劳过程中均会发生弹性模量的变化、疲劳寿命的缩短,以及产生弹塑性变形,而其中的疲劳变形是可直接测量的.因此,用C-PHFRC材料在疲劳荷载作用下的变形量(
3、或改变量)来定义疲劳损伤,具有工程应用方面的意义.在稳定状态下,对未受损的C-PHFRC材料而言,其应力-应变关系可表示为R=E#E(1)发生损伤后,式(1)变为R=E#(1-D)#E(2)在应力变程$R作用下产生应变变程$E时,式(2)变成为$R/(1-D)=E#$E(3)若D=0时的应变变程为$Eb,则$R=E#$Eb(4)结合式(3)和式(4),便可定义C-PHFRC材料的疲劳损伤变量D=1-($Eb/$E)(5)式中:D为疲劳损伤变量;$Eb为初始阶段应变幅值的稳定值;$E为第N周循环时的疲劳应变幅值.当D=0时,材料未受损;当D=1时,材料便发生疲劳破坏.因此,D的取值应在0
4、和1之间.2C-PHFRC材料的疲劳损伤特征笔者采用碳纤维、聚丙烯纤维配制了6个配合比的混杂纤维增强混凝土试样,每个配合比灌注45个试件,然后进行高频等幅疲劳试验.收稿日期:1997-06-20第一作者:男,1960年生,副教授.石家庄铁道学院材料科学与工程研究所,石家庄,050043.*铁道部青年科技基金项目.第2期华渊等:混杂纤维增强水泥基复合材料的疲劳损伤模型145试验在PLG-100CF型微机控制高频疲劳试验机上进行.试件为100mm@100mm@300mm棱柱体,试件两侧和底面预先贴好电阻应变片以测量各测点处的疲劳应变.其中两侧面的应变片各两片,上一片距试件顶面15mm(受压
5、区),下一片距试件底面20mm(受拉面);底面(纯拉区)两应变片相距50mm,对称于试件中心线分布.采用三点弯曲加载,加载头与两支座间的距离为120mm,两支座距试件端面的距离为30mm.利用Y8DL-2型电阻应变仪采集试验数据,SC16A型光线示波器监控记录,然后进行整理.为消除支座及加载点处的接触缝隙,在疲劳加载前先进行静载弯曲(最大荷载4kN).疲劳荷载波形为正弦波,频率为90~100Hz,循环荷载特征Pmin/Pmax为1/6.当循环达到0.2,0.5,1,2,5,10,15,20,50,100,200万次时记录各疲劳应变幅值,卸载,测量残余应变,然后继续循环直至试件破坏.纤维
6、掺量及弯曲疲劳试验结果见表1.表1C-PHFRC试件纤维掺量及弯曲疲劳试验结果碳纤维体积分数聚丙烯纤维体积分数SN/次试样编号(%)(%)(应力比)(疲劳寿命)1-10.5018437521-20.553059471-30.00.00.60489821-40.6581971-50.7014172-10.50>20000002-20.556389922-31.00.00.601850132-40.65319972-50.7073283-10.5018976553-20.553167223-30.00.50.60550613-40.6594523-50.7019734-10.5591673
7、74-20.602436204-31.00.50.65498194-40.70114994-50.7527135-10.5512515795-20.603280195-31.20.70.65755995-40.70184925-50.7545736-10.605507236-20.651429756-31.50.90.70368626-40.7593956-50.802423C-PHFRC材料在循环荷载作用下,随着材料内部微裂纹的产生和扩展,材
