水泥混凝土路面、桥面铺装层以及铁路轨枕等在服役期间通常承受随机或周期性反复载荷的作用，因此研究水泥混凝土材料的疲劳特性具有极其重要的实际意义。钢纤维混凝土因具有良好的抗拉^[1]、抗冲击^[2]、抗断裂^[3]、疲劳^[4]和耐久性^[5]等性能，目前已广泛应用于公路路面、桥面和铁路轨枕等土木工程结构中。与混凝土基体相比，在钢纤维与水泥石之间的界面区具有水灰比大、孔隙大、结构松散的特点，使得钢纤维与基体间的黏结强度不够，导致大量钢纤维在断裂面被拔出，而不是被拉断，从而对疲劳性能产生负面的影响^[6]。研究表明，在钢纤维混凝土中掺入硅灰^[7]、磨细矿渣^[8]、活性粉末^[9]等矿物掺合料可强化钢纤维-水泥石界面的性质，达到提高混凝土疲劳性能的目的。但也有研究认为，在钢纤维混凝土中掺入硅灰、磨细矿渣及活性粉末等矿物掺合料后，会较大幅度提高混凝土的抗压强度和静力弹性模量，混凝土的脆性增大，导致混凝土的疲劳寿命降低^[10]。也有研究认为，在钢纤维混凝土中掺入聚合物乳液，可使钢纤维混凝土的抗压强度降低20%左右，改善了混凝土的脆性^[11]。但目前有关钢纤维聚合物混凝土在重复荷载作用下疲劳性能，以及疲劳性能与混凝土结构特征之间的关系等还少有研究。

为此，本文通过室内小梁三点弯曲疲劳试验，测试循环荷载作用下普通混凝土和钢纤维聚合物混凝土的疲劳寿命，通过压汞试验测试混凝土孔结构特征参数，在此基础上分析弯曲疲劳荷载作用下钢纤维和聚合物乳液对混凝土疲劳性能的影响规律及改善机理。

粗集料：粒径5~20 mm；砂：普通河砂，细度模数2.8；聚合物乳液：丁苯乳液，其含固量为46%，pH=9.25,黏度为12 MPa·s，表面张力为36 MN/m；钢纤维：武汉新途CW07-05/30-600型多锚点钢纤维，等效直径0.5 mm，长度30 mm，长径比60，抗拉强度大于600 MPa。水泥技术参数见表 1。

对普通混凝土及钢纤维聚合物水泥混凝土的疲劳性能进行试验测试。普通混凝土配合比为水泥∶砂∶碎石∶水=441∶873∶946∶190，W/C=0.43；钢纤维聚合物水泥混凝土在普通混凝土基准配合比的基础上掺加50 kg/m³的钢纤维和40 kg/m³的聚合物乳液，用水量包括聚合物乳液中所含水质量。疲劳试验试样尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，试样成型后在标准养护室至90 d龄期。每个配合比成型试样21个，其中3个试样用于测试弯拉极限荷载，余下18个试样用于3组不同应力水平试验，每个应力水平6个试样。用于吸水率试验的试样尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，试样成型后在标准养护室至90 d龄期，吸水率试验完成后，用于李氏比重瓶试验测试真密度。

疲劳装置为UTM-100试验系统，加载采用应力控制，使用正弦波加载，荷载频率为10 Hz，应力比为1.0。为了避免在加载过程中出现非接触情况，压头在试件上保持了5 kPa的接触应力。

为进一步分析钢纤维和聚合物乳液对混凝土疲劳性能的影响规律及作用机理，采用Auto Pore IV 9500压汞仪对90 d龄期标准养护的钢纤维混凝土、聚合物乳液改性混凝土及钢纤维聚合物混凝土的孔结构特征及孔径分布进行测试。

普通混凝土、钢纤维聚合物混凝土抗压强度和弯拉强度试验结果如表 2所示。

普通混凝土和钢纤维聚合物混凝土在不同应力水平下测试得到的疲劳寿命如表 3所示。

在同一循环荷载作用下，试件疲劳寿命的分布规律可由威布尔函数表示：

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考虑到混凝土材料的离散性，取最小寿命参数N₀为零，并引入存活率p，失效概率p′：

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令Y=ln[ln(1-p′)^-1]，X=lnN，α=bN_α可得：

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图 1 普通混凝土疲劳寿命威布尔分布拟合 Fig. 1 Fatigue life of common concrete fitted with Weibull distribution

图选项

图 2 钢纤维聚合物混凝土疲劳寿命威布尔分布拟合 Fig. 2 Fatigue life of steel fiber reinforced polymer concrete fitted with Weibull distribution

图选项

由表 5可知：钢纤维聚合物混凝土和普通混凝土在各应力水平下的Y与X呈很好的线性关系，且威布尔分布下的相关系数较高。这表明，钢纤维聚合物混凝土和普通混凝土的疲劳寿命服从威布尔分布；在相同应力水平下，钢纤维聚合物混凝土的疲劳寿命远高于普通混凝土。

由式(2)变形可得疲劳寿命N的计算公式：

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采用威布尔分布函数拟合结果，应用式(5)计算不同失效概率下的疲劳寿命，计算结果见表 5。

在不同失效概率下，疲劳方程通常有两种形式表示，即单对数疲劳方程：

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双对数疲劳方程：

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在不考虑混凝土耐久极限的情况下，疲劳方程的边界条件可表示为：

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显然，双对数疲劳方程能满足上述边界条件。因此工程中一般采用双对数疲劳方程进行数据分析。在不同失效概率下，普通混凝土和钢纤维聚合物水泥混凝土疲劳方程线形回归参数如表 6所示。

取可靠度为0.5时的疲劳方程为：

普通混凝土，lg S=-0.106 7-0.054 6lg N,R²=0.912 5。

钢纤维聚合物水泥混凝土，lg S=-0.015 5-0.069 2 lg N，R²=0.923 7。

不同配合比混凝土特征孔径参数测试结果见表 7。

(1)钢纤维对混凝土疲劳寿命的影响

普通混凝土断裂韧性较低，疲劳裂缝扩展阻力较小，混凝土一旦产生疲劳裂缝后将以较快的速率扩展，最后导致疲劳破坏；当加入钢纤维后，基体中乱向分布的钢纤维在疲劳荷载作用下被拔出耗散了一定的能量，延迟了裂缝的扩展，对基体起到增强的作用，使混凝土的断裂韧性得到显著改善，疲劳裂缝的扩展阻力提高。因此，钢纤维的掺入能够提供混凝土的疲劳寿命。

(2)钢纤维对混凝土疲劳寿命影响的机理分析

如表 7所示，钢纤维的掺入使混凝土平均孔径及体积中值孔径有较大幅度的下降，也使混凝土20 nm 以下无害孔隙数量增加16.8%~48.9%；而与此同时，50 nm以上有害孔隙则减少了5.3%~23.6%。这表明，钢纤维细化了水泥混凝土的孔隙尺寸。这是由于钢纤维对混凝土具有限缩、阻裂的作用，使得混凝土在失水硬化过程中毛细孔的收缩变形受阻，从而减小了混凝土特征孔隙的尺寸。

根据Griffith断裂强度理论，材料的强度取决于高应力区中最大裂缝的尺寸，最大裂缝的尺寸越小，材料的强度越大。由于钢纤维细化了混凝土特征孔隙的尺寸，从而提高了混凝土在疲劳荷载作用下的断裂强度，进而提高了混凝土的疲劳寿命。

(1)聚合物乳液对混凝土微观结构特征的影响

聚合物乳液掺入到钢纤维混凝土中，不仅具有良好的减水效果，还有黏附及成膜效应，能有效减薄钢纤维表面水膜层的厚度，缩小界面区与基体水灰比之差，对增强钢纤维-水泥石界面黏结有明显效果。D.D.L.Chung的研究^[12]证实，掺有聚合物的纤维混凝土在纤维与水泥石的界面处接触电阻增大，表明聚合物的掺入增加了纤维与水泥石界面的黏结。

在钢纤维混凝土中复掺聚合物乳液后，混凝土的体积中值孔径大幅度减小，50 nm以下孔隙数量增多，表示聚合物乳液更进一步细化了钢纤维混凝土特征孔隙的尺寸。

(2)聚合物乳液对钢纤维-水泥石界面特征的影响

对于钢纤维混凝土，在疲劳荷载作用下钢纤维会产生拔出现象，广泛分布的桥联钢纤维对这一过程将会起到阻滞作用，而阻滞作用的大小取决于钢纤维-水泥石界面黏结强度。界面黏结强度太弱，钢纤维的增强作用将无法得以充分发挥，导致混凝土强度较低；界面黏结强度如果太强，混凝土抗损伤的性能又会比较弱，钢纤维很容易被拉断，形成载荷的突然释放，导致其断裂韧性下降。

聚合物乳液的掺入使混凝土平均孔径及体积中值孔径有较大幅度的下降，混凝土50 nm以上有害孔隙则减少了7.3%~14.0%，但20 nm以下无害孔隙数量略有增加。无害孔隙数量之所以增加，可能是由于黏附在微小孔隙表面的封闭式薄膜被高压汞压破，汞压入量增加，使得20 nm以下无害孔隙数量测试结果增加。

同时，聚合物乳液对钢纤维-水泥石界面起到柔性增强的效果，而硅灰掺入到混凝土后，对钢纤维－水泥石界面属于刚性增强^[13]。在硅灰增强钢纤维混凝土中，钢纤维附近的水泥石被压碎成了较大的孔洞，而在钢纤维聚合物混凝土中，钢纤维与水泥石黏结完好，水泥石也没有出现压碎现象。

以上分析结果表明，聚合物乳液的掺入不仅细化了水泥混凝土的孔隙尺寸，同时增强了钢纤维-水泥石界面黏结性能，但又不至于使界面黏结强度太强，从而提高了钢纤维混凝土的疲劳性能。

本文通过试验测试得到了普通混凝土和钢纤维聚合物混凝土在不同应力水平下的疲劳寿命、微观孔结构特征参数及孔径分布、表观密度和真密度，计算得到了混凝土的孔隙率，分析了钢纤维和聚合物乳液对混凝土疲劳性能的影响规律。

(1)循环荷载作用下，普通混凝土和钢纤维聚合物混凝土在不同应力水平下的疲劳寿命服从威布尔分布，在相同应力水平下，钢纤维聚合物混凝土的疲劳寿命远高于普通混凝土。

(2)计算得到了不同失效概率下普通混凝土和钢纤维聚合物混凝土的疲劳寿命，建立了失效概率为0.5时混凝土的双对数疲劳方程。

(3)钢纤维的掺入使混凝土孔隙体积及表面积增加，同时，使混凝土平均孔径及体积中值孔径有较大幅度的下降，细化了水泥混凝土的孔隙尺寸，使有害孔隙减少和无害孔隙增加，提高了混凝土在疲劳荷载作用下的断裂强度；同时，钢纤维在拔出过程中耗散了一定的能量，提高了混凝土的疲劳寿命。

(4)聚合物乳液的掺入增强了钢纤维-水泥石界面黏结性能，提高了钢纤维混凝土的疲劳性能。