前言
相较于静荷载，实际工程中的建筑物和构筑物在服役中受到的更多的，更具破坏性的荷载类型往往是动荷载，因此研究混凝土结构在动态疲劳荷载下的性能是十分必要的工作，而在历代学者的接续努力下，相关研究工作也正趋于完善。
研究背景
近些年，在混凝土中掺加纤维材料和纳米材料正成为领域热点，在众多材料中，PVA纤维这种具有更高的抗拉强度和弹性模量、更优良的耐酸碱腐蚀性的纤维材料，和与混凝土材料性能更为贴合的纳米SiO2顺理成章地进入了土木领域学者的视野，因此本文选取PVA纤维和纳米SiO2作为掺合料研究它们对混凝土抗疲劳性能有多大程度的改良。
当前对混凝土中掺加PVA纤维和纳米SiO2会对材料抗疲劳性能有多大程度影响这一问题的研究尚少，而如果以某一含量单掺或混掺这两种掺合料能够明显提高混凝土材料抗疲劳特性，那么这在实际工程中将有很大的应用价值，因此非常有研究的必要。
本文对P组、S组、SP组混凝土试件做不同次数的疲劳循环试验，再进行疲劳后的单轴压缩实验，分析其数据结论作为PVA-纳米SiO2混凝土抗疲劳性能的评价指标，最后对试验后试件取样进行SEM电镜扫描，观测其微观形貌，分析其作用机理，微观机理与宏观现象有较好的吻合性。
实验概况
浇筑试验用混凝土所用的材料为冀东牌PO42.5R普通硅酸盐水泥、细度模数2.8的天然河砂、粒径5~30mm连续级配碎石、烟台市自来水，使用外加剂包括灰霸牌混凝土早强减水剂和引气剂，均为某建筑外加剂厂生产，掺合料的PVA纤维生产自某锴源化工科技有限公司，材料参数列于下表1，掺合料的纳米SiO2生产自某科泽金属材料有限公司，材料参数列于下表2。
确定混凝土配合比如表3所示，本试验设计的混凝土水胶比为0.410，掺入的PVA纤维体积分数为0.1%，纳米SiO2采用1.0%的质量分数并替代水泥，值得注意的是本试验掺合料的用量是经之前已有试验得出的最佳掺量。
考虑到试件种类、疲劳次数、应变率以及试验周期，认为设计36组试件，每组3个，共计108个100mm×100mm×300mm的棱柱体试件是合理的。
PVA纤维因其在混凝土中良好的散布性，在浇筑掺PVA纤维的混凝土时只需要将纤维加入搅拌机干拌30s左右后加入水及外加剂拌合即可；而纳米SiO2采用与水混合搅拌后加入的方式。为了方便表述试验结果，下面对试验编号方式进行说明，列于表5。
以PVA纤维混凝土经历1万次疲劳、应变率为10-4s-1为例，编号记为PF2D2。
混凝土试件经过标准养护后先进行多周疲劳试验，试验仪器采用SDS500电液伺服动静万能试验机。
在疲劳前和疲劳0.5万次、1万次、2万次、4万次后都用非金属超声检测仪检测记录混凝土试件的相对动弹性模量。
疲劳试验完成后，用YAW-2000D型微机控制电液伺服压力试验机进行单轴压缩试验，考虑混凝土在动态加载下的应变率和机器本身的性能，设计10-5s-1、10-4s-1和10-3s-1三组应变率，匀速加载直至试件破坏，同时测出试件的强度和峰值应变。
试验结果及分析
不同组混凝土试件经历不同次数的疲劳后在单轴压缩试验中的破坏形态如下图1所示，由于每组试件三个应变率下的破坏现象和形态基本一致，故只取D2组为例进行说明。
从照片中可以看出，就破坏化形态而言，同一组试件经过不同疲劳次数后的各破坏形态也没有明显区别，而不同组的混凝土试件破坏的形态还是有较大区别的：
仅掺加纳米SiO2的S组混凝土试件在破坏时会有大块的混凝土剥落崩坏（多发生在棱柱体试件的中部），并伴随有较响亮的爆裂响声，且应变率越大，响声也越大，这种破坏现象呈现出明显的脆性；
而P组和SP组混凝土试件在破坏时则只有碎屑的剥落和较多的纵向裂缝的出现，不同于S组响亮的爆裂声，这两组试件破坏时的声音较沉闷，且相较而言SP组破坏时的声音普遍更沉闷一点，同时也存在应变率越大，声音越响的规律，并且在破坏发生前能够听到纤维被拉断的声音，这一点能够很好的说明PVA纤维在提高混凝土抗裂（抗拉）性能这一方面确实能够起到有效的作用。
相对动弹性模量能够反映混凝土内部损伤和劣化的程度，图2为素混凝土和P组、S组、SP组混凝土经历不同疲劳次数后的相对动弹性模量测试数据。
从图中可知三组掺合料混凝土的相对动弹性模量随疲劳次数增加而降低，三组变化趋势基本一致，从下降速度这方面来看，P组、S组、SP组试件经1.5万次疲劳后相对动弹性模量分别降低了10.7%、9.7%、8.6%。
而以1.5万次后的相对动弹性模量为基准，再经历2.5万次疲劳（即4万次疲劳之后），三组试件相对动弹性模量分别降低了6.8%、7.2%、6.9%，因此各组曲线总体呈现一种前期下降快，后期下降慢的规律。
另外图中可以明显看出，三组掺合料混凝土相对动弹性模量的下降速度远远低于素混凝土，说明三种掺合料对混凝土抗疲劳损伤性能的提高均有明显作用，且混掺PVA纤维和纳米SiO2的提高作用要大于单掺纳米SiO2，大于单掺PVA纤维。
更进一步还能发现三组掺合料混凝土相对动弹性模量的下降速度在疲劳次数较少时与素混凝土相差较明显，而当经历更多疲劳次数后，各组折线图几乎呈平行关系，这表明无论哪种掺合料，都主要在受疲劳的前期产生作用，而随着材料内部裂缝的发展和破坏的发生，这种作用就会随之减弱。
不同组试件在相同应变率下的抗压强度变化图与相同应变率下不同组试件的抗压强度变化图分别如下图3、图4所示。
不难看出随疲劳次数增加，混凝土试件的抗压强度都是呈减小的趋势，且接近于线性，就同一应变率而言，（仍以D2应变率为例）S组抗压强度由未经疲劳的54.717MPa逐渐减小至45.813MPa，且在各阶段都是最大的。
而P组抗压强度则由未经疲劳的48.520MPa逐渐减小至40.464MPa，且在各阶段都是最小的，这是因为单掺纳米SiO2的混凝土的密实性要更高，且在分子层面也有所改善，这点在下文作用机理中会详细阐述。
除此之外，从图3中不难看出，SP组抗压强度下降是三组中最缓慢的，这呼应了上节中SP组抗疲劳损伤性能最佳的结论。
另外学界普遍认为掺加PVA纤维后的混凝土在抗裂和抗冻性方面提高更明显，经过本次试验也证明了PVA纤维对混凝土抗压强度的提高确实弱于纳米SiO2，因此在非寒区受重复荷载作用的建筑中，若要提高强度和承载力，单掺纳米SiO2能得到更好的效果；
就同一组混凝土而言，无论是哪一组，都存在应变率越大，抗压强度也越大的规律，这点从图4中可以直观地看出，这种规律称为“应变率强化效应”。
从能量学的角度比较好解释：外界（压力机）对混凝土施加荷载的过程是一种能量输入的过程，正常情况下这些能量一部分会转化为内能，一部分会在破坏时变成声能释放，而更大一部分能量用来增加使内部各单元的熵值。
最终随着宏观上混凝土裂缝的产生和发展耗散掉，而当外界输入能量的速度过快时（大应变率），混凝土来不及扩展足够的裂缝，通过增加应力、增加内能和声能等能量形式转化的方式来耗能，故宏观上才会表现出较高的抗压强度，以及更响亮的破坏声音。
掺合料作用机理分析
PVA纤维在混凝土中有较好的分散性，在混凝土搅拌过程中能很好的散布在浆体各个部分，并且以其与混凝土之间良好的粘结性和自身较好的抗拉强度与伸长率，在混凝土中能够起到很好的防止裂缝出现和发展的作用。
为更直观呈现PVA纤维及纳米SiO2在混凝土中的作用机理，对混凝土试件破坏面取样利用扫描电子显微镜（SEM）进行了微观形态观测，下图5为能够展示PVA纤维作用的一组图片。
图5中可以看出PVA纤维的两种破坏形式，即拔出与拔断破坏。
图5（b）（c）两图可以清楚看到纤维拔断的破坏断面，另外在纤维表面能够看到有附着着些许凝胶颗粒，这能够侧面反映出纤维在退出工作之前与混凝土之间有着良好的粘结性。
总的来说，混凝土本身的抗拉能力很弱，而掺入了PVA纤维之后，一方面以其较好的粘结性和抗拉性能，混凝土内裂缝的出现和发展都更缓慢；另一方面纤维的存在还能一定程度上改变混凝土内部应力的方向，将正拉应力转化为摩擦剪应力，这样一来，宏观上混凝土的损伤耐久性就得到了提高。
一般认为掺加进混凝土的纳米SiO2主要从两个方面发挥作用，其一是其尺寸上的作用。纳米材料一般是指尺寸在1~100nm之间的材料，而密实性混凝土的主要孔隙半径在100~1000nm左右，即使是高密实混凝土，其主要孔隙半径也在10~100nm左右。
这样一来，在混凝土中掺入适量的纳米SiO2就能够填补这些微孔，提高混凝土密实性，这样一来，在宏观上混凝土就表现出更高的抗压强度。
另一方面就是纳米SiO2化学性质上的作用，混凝土成型的过程中水泥会发生水化反应，生成的产物除了硅酸三钙（C3S）、硅酸二钙（C2S）、铝酸三钙（C3A）之外，还有取向性更强的Ca(OH)2，而Ca(OH)2的存在对混凝土强度具有不利影响，SiO2的引入能够与Ca(OH)2反应生成水化硅酸钙（C-SH）凝胶，反应方程式如下。
水化硅酸钙（C-S-H）能够填充混凝土内部缝隙，改变界面过渡区结构，提高密实度，从而使混凝土强度提高。
而纳米SiO2以其更细的颗粒尺寸和更大的比表面积，使得这种反应进行得更加彻底，填充效果更加良好。
下图6是能够展示纳米SiO2作用的一组SEM电镜扫描图片。
图6（a）（b）对比即可发现，掺入纳米SiO2后反应生成的水化硅酸钙（C-S-H）能够进入并附着在混凝土内部微气孔的内部，改变混凝土的微观孔结构，让孔隙变得更小，结构更加紧密；
图6（c）能够看到水化硅酸钙的平面排布是非常均匀紧致的，这能够这种结构的抗压稳定性非常高；
图6（d）在针状的钙矾石之间也布满了水化硅酸钙，可以想象如果没有水化硅酸钙的填充，这部分结构不可避免地会脆弱许多。
实验结论
本文为研究单掺和混掺PVA纤维与纳米SiO2对混凝土抗疲劳荷载性能有何影响，将实验对象分成三组，设计完成了对照试验，得出以下结论：
两种掺合料都能够改善混凝土抗疲劳性能，但改善方式不同：纳米SiO2的掺入能够显著提高混凝土的密实性和强度；PVA纤维的掺入能够提高混凝土的抗拉抗裂性能。
单掺纳米SiO2的混凝土破坏时会表现出明显的脆性特征，掺入PVA纤维的混凝土延性提高，表现出较好的弹塑性性能，混掺PVA纤维和纳米SiO2的混凝土则具有更优良的抗疲劳性能。
三种掺料方式在疲劳次数较少时对混凝土性能的改善比疲劳次数较多时更加明显，因为前期混凝土内部裂缝数量较少、宽度较小，混凝土内部各组分之间连接更紧密，相互作用更明显，而后期由于内部损伤较严重，各组分间相互作用逐渐失效，对混凝土性能的改善相较之下就不明显了。
掺入纳米SiO2后更像是提高了混凝土的破坏起点，在微观上通过与Ca(OH)2反应生成C-SH凝胶填充混凝土内部薄弱区，改善受力形式和结构密实性的方式实现，增强了混凝土“刚”性抵抗力；而掺入PVA纤维后更像是延长了混凝土的破坏过程，微观上通过提高各材料单元间的抗拉能力、优化应力方向和类型的方式实现，增强了混凝土的“柔”性抵抗力。
二者同时工作时往往能实现一种“刚柔并济”的作用，进一步提高混凝土的综合性能。
结语
在工程实践中，如果若要单纯追求混凝土结构经受疲劳荷载作用下的高强度，可在掺入纳米SiO2的基础上减少PVA纤维的掺入；我国北方地区由于冬季结冰，在混凝土结构抗疲劳设计时还应考虑冻害，此时PVA纤维的掺入就很有必要了。
值得注意的是，本试验选取的两种掺合料的掺量分别为各自单掺时的最优掺量，而二者以何种比例混掺才能使混凝土达到最好的抗疲劳性能仍有待研究。