轻骨料混凝土具有诸多优点，如轻质高强、良好的保温隔热效果、较高的极限拉应变和优异的耐久性能，在大跨桥梁、高层建筑等领域具有广泛应用前景^[1-4]。然而，相较于强度等级相同的普通混凝土，轻骨料混凝土脆性更大，弹性模量、拉压强度比及抗弯强度等力学指标均更低。为弥补这一短板，有研究^[5-7]发现纤维掺入可显著改善静载下轻骨料混凝土韧性和变形能力，峰值应变、弹性模量、抗拉及抗拉弯强度等力学参数也可同步得到提高^[8-9]。另外一方面，长期服役的混凝土结构，在承受自重等静力作用的同时，还不可避免地承受循环动荷载(疲劳荷载)，例如车辆等交通荷载引起桥梁结构的动态响应，地震或风荷载对高层建筑结构的往复作用等^[10-11]。疲劳荷载具有较强的周期性循环特性，使得混凝土内部应力场不断发生变化及重分布，在此过程中不断萌生初始微裂纹，并逐渐扩展、衍生及串联，进而形成宏观裂缝，造成其力学性能发生渐进性劣化，当外荷载远低于混凝土容许应力时即出现疲劳损伤及破坏^[12-14]。由于轻骨料颗粒与混凝土基体之间的黏结性能较差，因此其抗疲劳性能一般低于普通混凝土^[15-16]。然而，目前在对轻骨料混凝土疲劳性能以及掺入纤维对疲劳特性影响方面的研究成果尚十分有限。基于此，本研究以轻骨料混凝土为研究对象，开展恒应力循环轴压试验，最小循环应力水平S_min为0.1f_c，最大循环应力水平S_max设定3级，为0.75f_c，0.8f_c和0.9f_c，研究不同纤维类型(钢纤维、PVA纤维或混杂纤维)及掺量条件下轻骨料混凝土的疲劳特性和疲劳寿命，重点分析混杂纤维的掺入对疲劳荷载下轻骨料混凝土裂缝发展、破坏行为、疲劳应力-应变曲线及疲劳力学指标的影响，旨在为纤维增韧轻骨料混凝土结构在低周往复荷载下抗疲劳设计及疲劳损伤模型的建立提供理论和试验支撑。

水泥采用P.O 42.5普通硅酸盐水泥，相对密度3.15，表面积3 466 cm²/g；采用I级粉煤灰，相对密度2.23，比表面积3 720 cm²/g，烧失量0.29%，28 d活性指数89%；采用高炉矿渣相对密度2.91，比表面积4 497 cm²/g，碱度1.1。上述3种胶凝材料化学组成见表 1。

试验采用轻质骨料，表面具有粗糙纹理，外观呈封闭状球形，内部为均匀细孔结构。对于细骨料：最大粒径4 mm，表观密度1.65 g/cm³，吸水率13.68%；对于粗骨料：最大粒径19 mm，表观密度1.21 g/cm³，吸水率18.96%。主要物理指标参数见表 2。从表中可见，轻质骨料吸水能力高, 密度低，细度模数略高于天然砂(一般为2.0~3.0)。

不同于其他合成聚合物，PVA纤维具有的羟基基团，亲水性极强，可增强PVA纤维在混凝土拌和物中的分散性，因此“团聚”效应被显著削弱，有效改善基体-纤维界面性质，提高二者黏结强度，从而增强试件力学性能^[17]。PVA纤维直径为0.015 mm，长径比400，抗拉强度和弹性模量分别为1.30 GPa和27.6 GPa。钢纤维长度为30 mm，长径比18.75，抗拉强度和弹性模量分别为1.70 GPa和140.0 GPa。

为了控制试验影响因素，除纤维外统一所有试件的配合比设计参数，其中减水剂选用聚羧酸高效减水剂，掺量为胶凝材料0.5%。将纤维类型、掺入方式及掺量作为试验变量，不同试件配合比和抗压强度指标如表 3所示。另外，还制备了不掺纤维的素混凝土试件作为参照，代码为C，初始坍落度(200±25)mm，养护龄期后的抗压强度均达到30 MPa。

试件浇注流程：将胶凝材料与骨料进行干拌约1 min；加入自来水拌和1 min；将PVA纤维掺入其中搅拌3 min；掺入钢纤维搅拌1 min。纤维掺入前在水中充分浸泡，以免影响水灰比。采用圆柱体混凝土试件，尺寸Φ100 mm×200 mm。浇注完成立即进行养护，将混凝土试件放置在温度(23±2)℃、湿度(70±5)%的养护环境中。养护时间应足够长，以尽量消除干缩对混凝土疲劳行为的不利影响。本次试验养护龄期设计为91 d^[18]，基本可以认为干缩效应很微小，对疲劳试验结果无影响。养护结束即进行单调和循环轴压试验。

为获得静态抗压强度f_c，先进行单调单轴压缩试验；根据f_c确定循环轴压的最大应力值S_max、最小应力值S_min，再进行循环压缩试验。压缩试验在MTS闭环试验机进行，如图 1所示。荷载试验机参数：最大施荷3 000 kN，加载速率0.3 MPa/s，最大行程250 mm。循环加载制度采用频率为1 Hz的正弦信号(图 2)。恒应力循环加载参数中S_max设置3个等级0.75f_c，0.80f_c和0.90f_c，而S_min取0.1f_c。通过预加载可知，当S_max≥0.70f_c，疲劳行为才出现收敛现象，因此本次试验设定0.75f_c为S_max的最小应力水平。

图 1 试验装置和圆柱体试样 Fig. 1 Test apparatus and cylindrical specimens

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图 2 加载制度曲线 Fig. 2 Sine loading curve

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为测量试件应变，采用2支LVDT和2个电阻应变计，量程分别为5 mm和75 mm，分别布置于圆柱体试件四周，应变片粘贴位置在试件中部，即高度100 mm处，如图 1所示。为消除压载下的偏心效应，试验前对试件进行预压(0.3f_c)。预压阶段，反复微调加载点位置，直至试件四周测得的应变值一致。动态采集仪可实时读取和存储数据，最终试验结果取2支LVDT测值的平均值。

表 4给出不同工况的圆柱形试样的工作性能及力学特性，如抗压强度f′_c、劈裂抗拉强度f_sp、峰值应力应变ε₀和弹性模量E_c，其中，E_c为0点和40%峰值应力点连线的斜率。从表 4可知，混凝土静态抗压强度基本不受掺入纤维种类及掺量的影响，处于31.5~35.4 MPa区间。钢纤维混凝土的抗拉强度和弹性模量均高于PVA纤维混凝土和素混凝土。另外，随着纤维体积掺量的增加，混凝土拌和物的坍落度逐渐减小。

图 3表示不同应力水平下纤维混凝土试件疲劳应变增量(ε_{f, i})的演化曲线。为了方便比较，将ε_{f, i}与ε₀归一化，循环次数N与N_f归一化，其中ε₀为单调压缩应变，N_f为极限疲劳寿命。从图中可知，不论应力水平S_max如何，ε_{f, i}/ε₀曲线变化可分为3个典型阶段：(1)初始蠕变阶段。循环荷载初期，微裂纹萌生，变形增长速度较快，部分微裂纹进一步扩展、串联，此时PVA纤维(小纤维)桥接效应被激发，而钢纤维(大纤维)则尚未被调动，此阶段持时较短，N/N_f=0.05~0.1，即占疲劳寿命的5%~10%。(2)蠕变-疲劳耦合阶段。在初始裂缝不断萌生、渐进发育，变形发展速率显著缓慢，宏观裂缝开始形成，由于宏、微观裂缝均存在，钢纤维和PVA纤维协同发挥桥连作用，此阶段持时最长，N/N_f=0.85~0.95，即占疲劳寿命80%~90%。(3)疲劳破坏阶段。裂缝不断累积，数量足够多的裂缝逐渐演化为不稳定裂纹，量变引起质变，疲劳变形出现陡增，宏观裂缝迅速扩展、汇集，裂缝群串联贯通，变形骤然增加，PVA纤维被拉断，钢纤维开始被拔出，此时钢纤维起主要桥连作用，随着N的增加，裂缝扩张，钢纤维不断被拔出，承担拉力的钢纤维数量迅速减少，试件随即宣告破坏，此阶段持时较短，N/N_f=0.95~1.0，即占整个疲劳寿命的5%~10%。

图 3 不同应力水平下纤维混凝土疲劳应变演化曲线图 Fig. 3 Fatigue strain evolution curves of fiber reinforced concrete at different stress levels

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基于上述疲劳阶段划分，进一步分析钢纤维和PVA纤维对疲劳荷载下轻骨料混凝土的阻裂机制。钢纤维属大尺寸纤维，弹性模量高，对宏观裂缝的扩展起抑制作用。PVA纤维属小尺寸纤维，具有黏弹性，对抑制微观裂缝的效果则更为显著，在循环荷载(初期)下，微裂缝不断萌生，PVA纤维在发挥黏弹性桥接作用时可消耗大量机械能。而混杂纤维综合PVA纤维和钢纤维的优点，在阻裂方面取长补短，发挥协同作用，显著改善混凝土疲劳特性，延长疲劳寿命。图 4表示纤维增韧轻骨料混凝土试件在不同疲劳阶段的裂缝发展演化示意图。对于循环荷载早期(第I阶段和第II阶段初期)，混凝土试件萌生大量微裂缝，此时PVA纤维起主要桥接作用，钢纤维尚未被调动。随着循环加载的进行，随着微裂缝不断扩展、串联，并逐渐发展为宏观裂缝，因PVA纤维的强度、刚度低，桥接作用逐渐弱化，而刚度高的钢纤维桥接作用(针对宏观裂缝)逐渐强化，和PVA(针对微观裂缝)共同发挥桥接作用；到第III阶段，宏观裂缝宽度迅速增大，试件状态受宏观裂缝控制，PVA纤维被拉断丧失桥接作用，此时钢纤维在阻裂方面起主导作用。由此可见，对疲劳荷载下轻骨料混凝土，随着裂缝的萌生和张裂演化，混杂纤维的阻裂作用具有多阶段、多层次、多尺度、逐级发挥的特点。

图 4 纤维增韧轻骨料混凝土裂缝发展 Fig. 4 Crack propagation in fiber reinforced lightweight aggregate concrete

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图 5表示不同循环加载次数N下轻骨料混凝土试样的疲劳应力-应变曲线，其中纵坐标采用归一化的应力比，即应力与峰值应力之比，而S_max=0.75和0.90则分别表示不同应力水平下的循环加载模式，同时为了比较分析，将单调应力应变曲线一并示出。从图 5可知，掺入钢纤维显著增大了试件弹性模量E_c(应力-应变曲线的斜率)，E_c由大到小为：钢纤维混凝土、混杂纤维混凝土、PVA纤维混凝土、素混凝土。随着N的增加，疲劳应力-应变曲线均有向右移动的趋势，即疲劳应变(S_max处对应的应变值)和残余应变(S_min处对应的应变值)均逐渐增大。随着N的增加，疲劳曲线逐渐右移；PVA纤维混凝土疲劳应变和残余应变及耗能能力均低于钢纤维混凝土；且随着S_max值增大，二者差异趋于显著。这表明钢纤维混凝土的耗能能力优于PVA纤维混凝土。此外，由图 5(d)可知，SP1试件应变曲线下降分支最为平缓，这说明与其他试件相比，混杂纤维混凝土韧性及延性最大。

图 5 往复轴压下不同混杂纤维混凝土疲劳应力-应变曲线 Fig. 5 Fatigue stress-strain curves of different hybrid fiber reinforced concrete under reciprocating axial compression

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为了分析疲劳失效时不同纤维混凝土试件的疲劳破坏特性参数，重点将疲劳寿命N_f、疲劳应变ε_f、残余应变ε_r及损伤变量D_f的试验数据进行分析，并将随循环加载历程的变化曲线绘制于图 6，其中损伤变量D_f表征疲劳荷载下混凝土疲劳模量的衰减程度，即损伤变量越大，疲劳模量退化越显著，计算式参见文献[7]。可知，对于各试件疲劳寿命由大到小为：混杂纤维混凝土、PVA纤维混凝土、钢纤维混凝土，且纤维掺量越高，疲劳寿命的延长效果越好；在同一S_max下，各试件疲劳应变由大到小为：钢纤维混凝土、混杂纤维混凝土、PVA纤维混凝土、素混凝土；同一S_max下各试件残余应变由大到小为：混杂纤维混凝土、钢纤维混凝土、PVA纤维混凝土、素混凝土；同一S_max下各试件损伤变量由大到小为钢纤维混凝土、混杂纤维混凝土、PVA纤维混凝土、素混凝土。另外，S_max越高，上述差异越显著。

图 6 不同纤维混凝土试件疲劳破坏参数 Fig. 6 Fatigue parameters of different fiber reinforced concrete specimens

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根据疲劳应力-应变曲线，可得到不同纤维混凝土试件疲劳力学指标循环加载的演化规律。图 7表示不同纤维增强轻骨料混凝土试件在S_max=0.75下能量耗散、泊松比、疲劳变形模量及残余应变等力学性能随循环加载进程的变化情况，下面分别进行分析。

图 7 混凝土疲劳力学指标随加载循环次数变化的散点分布图 Fig. 7 Scatter plots of concrete fatigue mechanical indicators varying with loading cycles

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(1) 能量耗散由一个轴压循环周期下疲劳应力-应变曲线所围成的面积计算得到。图 6(a)表示耗散能量随疲劳寿命N/N_f的变化关系散点图。从图中可见，耗散能量在N/N_f=0时最大，且随着N/N_f的增加迅速降低至一个相对稳定的水平(0.75×10^―3~1.5×10^―3 N·mm^―2)。在N/N_f=0下，能量耗散最大和最小试验组分别为SP2和C，且纤维掺量越高，能量耗散也越大。在同一N/N_f下，混杂纤维混凝土能量耗散均大于单一钢纤维或PVA纤维混凝土。

(2) 泊松比由0.4f_c对应的横向应变与纵向应变之比计算得到。图 6(b)表示泊松比随N/N_f的变化关系散点图。总的来看，泊松比随N/N_f的增加而增加，且在早期增加迅速，而后增加速度逐渐减缓。当N/N_f≥0.1时，在同一循环次数下，SP2泊松比最大，PF居中，SF最小。这说明混杂纤维混凝土的侧向变形能力大于单一纤维混凝土。

(3) 疲劳变形模量E_f由最大应力S_max下的纵向应力与相对应的纵向应变之比计算得到。E_f随轴压循环次数N的演化规律如图 6(c)所示。为了方便分析，E_f除以初始疲劳模量E_f0(N=0时的疲劳模量)进行归一化处理。从图中可知，E_f随N的增加呈对数式降低，加载前期E_f下降得很快，当N≥1×10⁵后下降速度显著放缓。同一N下，E_f/E_f0的值素混凝土最大, 其次为PVA纤维混凝土，最小为钢纤维混凝土。

(4) 图 6(d)表示纵向残余应变比(残余应变与最大残余应变的比值)与轴压循环次数N的关系。从图中易见，残余应变随N的增加呈对数式增大，即加载前期，残余应变增长迅速，之后增长速度逐渐减缓。对于同一N下，C残余应变最小，而SP2最大，其次为SF。

总之，混杂纤维对轻骨料混凝土的疲劳力学指标改善效果最佳，且掺量越大(一定范围内)，轻骨料混凝土的抗疲劳变形能力及耗能能力越佳。

为研究纤维增韧轻骨料混凝土抗压疲劳行为，开展恒应力循环压缩试验，探讨纤维增韧轻骨料混凝土裂缝发展、疲劳应力-应变曲线、疲劳寿命以及疲劳力学性能演化等，主要结论如下。

(1) 疲劳受压变形曲线可分为3个阶段：初始蠕变阶段，占整个疲劳寿命的5%~10%；蠕变-疲劳耦合阶段，占整个疲劳寿命的80%~90%；疲劳破坏阶段，占整个疲劳寿命的5%~10%。随着循环加载应力水平的增大，三阶段特征越显著。

(2) 在延长混凝土疲劳寿命方面，PVA纤维比钢纤维更有效，且2种纤维的混杂优于单一纤维，这一优势在较高S_max水平下更为显著。钢纤维混凝土的疲劳和残余应变较PVA纤维混凝土增长更快。

(3) 从试件破裂面上看出试件破坏形态特征，轻骨料发生破裂，PVA纤维被拉断，而钢纤维则被拔出。疲劳荷载下混杂纤维轻骨料混凝土，随着裂缝扩展演化，混杂纤维的阻裂作用具有多阶段、多层次、多尺度、逐级发挥的特点。

(4) 随着循环荷载次数的增加，疲劳曲线逐渐右移；PVA纤维混凝土疲劳应变和残余应变及耗能能力均低于钢纤维混凝土，且随着S_max值增大，二者差异趋于显著。

(5) 从疲劳力学指标角度看，混杂纤维混凝土在能量耗散、侧向变形能力、疲劳变形模量等方面均优于单一纤维混凝土，说明混杂纤维可有效增强轻骨料混凝土的延性、韧性以及抗疲劳特性，从而显著延长循环荷载下混凝土的疲劳寿命。

本研究成果可为纤维增韧轻骨料混凝土结构往复荷载下的抗疲劳设计以及构件疲劳损伤模型提供试验和理论铺垫。值得一提的是，由于本研究试验变量为纤维类型和掺量，而未对轻骨料混凝土配合比或工艺等措施开展变量分析，这是今后继续开展研究的重要方向。