疲劳荷载下聚丙烯纤维混凝土的疲劳损伤性能研究

Study on fatigue damage performance of polypropylene fiber-reinforced concrete under fatigue loading

摘要

通过系统试验，研究了聚丙烯纤维混凝土（PPFRC）在单轴压缩疲劳荷载下的变形演化规律、能量耗散特性及损伤累积机制. 试验设计了5种聚丙烯纤维掺量（0、0.3%、0.6%、0.9%、1.2%）和4个应力水平（0.65、0.70、0.75、0.80）的立方体试件，采用10 Hz正弦波加载制度. 结果表明，PPFRC的循环受压应力-应变曲线呈现典型三阶段特征，当掺量为0.9%时峰值应变提升最显著（31.16%），而1.2%掺量时因纤维团聚效应性能回落；能量分析显示，0.9%掺量试件在各应力水平下的总输入能及弹性应变能均达到最大值. 损伤演化可分为初始损伤（n/N<0.3）、稳定发展（0.3≤n/N<0.8）和失稳破坏（n/N≥0.8）三阶段，0.9%掺量使疲劳损伤因子增速降低至基准组的55%. 研究建立了考虑纤维掺量与应力水平耦合作用的PPFRC能量-损伤演化模型，为工程应用提供了优化依据.

Abstract

The deformation evolution law， energy dissipation characteristics， and damage accumulation mechanism of polypropylene fiber-reinforced concrete （PPFRC） under uniaxial compressive fatigue load were studied through systematic experiments. The experimental program included five polypropylene fiber contents （0， 0.3%， 0.6%， 0.9%， 1.2%） and four stress levels （0.65， 0.70， 0.75， 0.80） for the cube specimens， using a 10 Hz sine wave loading system. The results show that the cyclic compressive stress-strain curve of PPFRC presents typical three-stage characteristics. When the content is 0.9%， the peak strain increases most significantly （by 31.16%）， while the performance deteriorates at a fiber content of 1.2% due to the fiber agglomeration effect. Energy analysis shows that the total input energy and elastic strain energy reach their maximum values at a 0.9% content specimen across all stress levels. The damage evolution process comprises three distinct stages： initial damage （n/N<0.3）， stable development （0.3≤n/N<0.8）， and unstable failure （n/N≥0.8）. The 0.9% content reduces the growth rate of the fatigue damage factor to 55% of that observed in the reference group. An energy-damage evolution model for PPFRC considering the coupling effect of fiber content and stress level is established， which provides an optimization basis for engineering applications.

Graphical abstract

关键词

聚丙烯纤维混凝土 / 压缩疲劳 / 能量耗散 / 疲劳损伤

Key words

polypropylene fiber-reinforced concrete / compressive fatigue / energy dissipation / fatigue damage

在现代土木工程中，混凝土结构常承受长期循环压缩荷载作用，如桥梁墩柱、道路基层、海洋平台及工业地坪等^［1］. 这些结构在服役过程中因车辆通行、机械振动或波浪冲击等反复荷载作用，可能产生疲劳损伤累积，最终出现材料性能退化甚至结构失效^［2］. 因此，研究混凝土材料在压缩疲劳荷载下的力学行为至关重要.

近年来，纤维增强混凝土的疲劳性能研究取得了显著进展. 在纤维混凝土疲劳机理方面，Medeiros等^［3］通过实验证实了纤维-基体界面特性是影响疲劳寿命的关键因素，而张聪等^［4］的多尺度研究进一步揭示了纤维对裂纹扩展路径的调控作用. 对于钢纤维混凝土，Singh等^［5］建立了纤维掺量与弯曲疲劳寿命的定量关系，崔凯等^［6］则发现钢-聚丙烯混杂纤维能显著改善混凝土的疲劳变形能力. 然而，相较于钢纤维混凝土，聚丙烯纤维混凝土（polypropylene fiber-reinforced concrete，PPFRC）的压缩疲劳性能研究仍存在明显不足.

现有研究表明，掺入聚丙烯纤维（polypropylene fiber，PPF）可显著提升混凝土的静态力学性能. Hussein等^［7］通过微观结构分析证实，PPF能有效桥接微裂纹，提高混凝土的断裂韧性；周继凯等^［8］的试验则显示，较高PPF掺量的试件在峰值荷载后变形性能、弯折韧性以及承载力方面相比其他试件更为优越. 在疲劳性能方面，徐礼华等^［9-10］的系列研究初步揭示了聚丙烯纤维混凝土在循环荷载下的应力-应变特性和损伤演化规律，但未能系统阐明不同应力水平下纤维掺量的优化区间.Cui等^［11］发现聚丙烯纤维混凝土在高周疲劳条件下的损伤累积速率明显高于钢纤维混凝土，这与其较低的弹性模量密切相关.

在疲劳损伤评估方法上，能量分析法展现出独特优势. 邓宗才^［12］最早提出用能量耗散率来表征纤维混凝土的疲劳损伤程度，顾章义等^［13］进一步发展了基于能量法的疲劳寿命预测模型.

然而，这些方法在PPFRC中的应用仍面临挑战. 一方面，PPF的黏弹性会导致能量耗散机制复杂化^［14］；另一方面，现有研究多局限于单一应力水平^［15］，缺乏对全应力谱系下能量演化规律的系统认识.

本文通过设计多应力水平和多纤维掺量的压缩疲劳试验，结合能量分析和损伤因子分析，系统研究PPFRC的疲劳性能. 本研究探讨PPF掺量与应力水平对疲劳性能的耦合影响机制，揭示全应力谱系下的能量演化规律，并建立考虑纤维掺量与应力水平共同作用的能量-损伤演化模型. 研究成果将为跨海大桥、海洋平台等重大工程的耐久性设计提供理论依据，并推动绿色高性能纤维混凝土的发展.

1 试验概况

1.1 试验配合比

胶凝材料有普通硅酸盐水泥（P‧O 42.5）、矿渣粉（S95级）、粉煤灰（F类Ⅱ级），水为实验室自来水，减水剂为聚羧酸盐高效减水剂，聚丙烯纤维长度为 12 mm，抗拉强度为469 MPa，粗骨料为5~25 mm碎石、细骨料为中砂（细度模数为2.5）. 其中PPF采用外掺的方式加入. 以PPF掺量为研究变量，试验中PPF掺量分别为0、0.3%、0.6%、0.9%、1.2%，设定4个应力水平（0.65、0.70、0.75、0.80），每组3个立方体试件（100 mm×100 mm×100 mm），共计20组. 经搅拌、浇筑振捣，24 h后脱模，在（20±2）℃下养护28 d，试件养护完成后，对每种配合比的立方体试件进行静态单轴抗压强度测试，取3个试件测试值的算术平均值作为该组混凝土28 d立方体抗压强度f_{\mathrm{c}}. 当最大值或最小值与中间值的差值超过中间值的15%时，取中间值；若两者与中间值的差值均超过15%，则试验结果无效. 为后续疲劳试验中确定应力水平S={\sigma }_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}/f_{\mathrm{c}}提供依据，{\sigma }_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}为最大疲劳应力.

1.2 试验方案设计

本试验采用的电液伺服疲劳试验机如图1所示，实现了试验自动化，支持多通道独立试验，并能编写复杂的荷载谱以满足不同应力水平的加载需求. 试验过程中，系统自动采集并存储关键数据，包括波峰-波谷值、最大值、最小值、时间历程、循环次数等，确保试验数据的完整性和可追溯性. 此外，设备还具备破坏侦测功能，能够实时监测试件的破坏状态，一旦试件达到失效标准（如变形超限或强度骤降），系统将立即停止试验并记录破坏时的循环次数. 利用特制的试件加载装置，将100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件稳固地固定在疲劳试验机上，以防止加载过程中试件发生滑移或偏载现象. 加载制度采用正弦波模式（图2），首先对试件施加静载，使其达到目标应力水平，确保初始应力状态稳定. 随后，以设定的应力比和频率进行循环加载，本次疲劳试验的应力比为0.1，即试验中最小疲劳应力{\sigma }_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}与{\sigma }_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}比值为0.1，加载频率f=10 Hz.

应变测量采用电阻应变片，在每个试件的相对两侧面中部各粘贴一枚应变片，并避开应力集中区，以确保测量结果能够反映试件的整体变形. 应变片通过半桥连接方式接入DN8302动态信号测试分析系统，该系统具备高采样频率（≥1 000 Hz），能够实时捕捉疲劳过程中的微应变变化，试验仪自动记录数据（图3），试验过程中，全程连续采集荷载、应变及位移数据，系统自动记录每个完整循环的波峰、波谷值及滞回环信息.为便于数据管理和后续分析，每循环2 000次保存数据文件一次.

2 试验结果与分析

本研究每组设计3个平行试件（n=3）. 文中提供的应力、应变、能量及损伤因子等结果均为3个试件的算术平均值. 数据的离散性通过标准差\sigma和变异系数V（V=\sigma/\overline{x}×100%）进行表征，\overline{x}为算术平均值.

2.1 静态抗压强度

表1为不同PPF掺量的混凝土试件抗压强度值及其统计分析，由表1可知，与基准组相比，当PPF掺量增至0.9%时，抗压强度达到峰值43.9 MPa，提升幅度为8.9%. 1.2%掺量组的强度回落至37.9 MPa，低于基准组的40.3 MPa. 变异系数V反映了材料的均匀性与工艺稳定性. 0.9%掺量组的V值极低，说明该掺量下纤维分散性最佳，材料性能优异且稳定. 1.2%掺量组的V值增大，表明高掺量下纤维团聚效应会导致均匀性和工艺稳定性下降.

2.2 PPFRC的疲劳性能

2.2.1 疲劳变形及破坏

PPFRC在压缩疲劳荷载作用下的破坏机理及变形特性受纤维掺量与应力水平的共同影响. 图4为不同应力水平下PPFRC试件在低掺量PPF（0.3%）和高掺量PPF（1.2%）下的疲劳破坏形态对比，如图4（a）（b）所示，在较低应力水平下（0.65、0.70），试件表现为渐进式损伤累积，初始微裂纹从骨料-浆体界面处萌生，在纤维网格的约束作用下呈现多裂纹稳定扩展模式，最终破坏时仍保持较好的结构完整性，随着PPF掺量的增加，试件由脆性断裂逐渐转变为韧性破坏，当PPF掺量低于0.6%时，仍会出现局部贯通裂缝；而当掺量达到1.2%时，试件仅产生分布均匀的微裂纹网格，且疲劳变形发展速率降低40%~60%. 如图4（c）（d）所示，在较高应力水平下（0.75、0.80），试件则倾向于发生突发性劈裂破坏，主裂纹沿加载方向快速贯通，但纤维的桥接作用可保留部分承载力，并避免试件崩碎飞溅，PPF掺量的提升显著改善了破坏形态，使突发性劈裂破坏转变为渐进式损伤累积破坏，试件的极限疲劳变形能力提高25%~35%.

破坏形态由脆性向韧性的转变与已有研究成果在宏观层面上基本一致. 但现有研究^［9-10］多为低掺量（0~0.2%），并未观察到性能回落现象. 本文通过将PPF掺量增至1.2%后发现，高掺量虽在宏观上仍能维持试件整体性且变形速率降低40%左右，但其抗压强度从掺量为0.9%时的43.9 MPa降至37.9 MPa（低于基准组），性能改善幅度逐渐趋缓. 这表明当PPF掺量超过0.9%这一最优值后，纤维团聚效应形成应力集中，逐渐取代纤维的增强效应，成为材料性能退化的主控因素.

细观分析表明，破坏过程可分为三个特征区域，约束应力较小的边缘部位形成疲劳源区，呈现放射状扩展的裂纹与纤维拔出痕迹构成疲劳扩展区，最终形成主破坏面所在的疲劳破坏区. 不同PPF掺量下的破坏过程呈现明显差异. 当PPF掺量低于0.3%时，试件的疲劳源区集中于单个薄弱部位，裂纹扩展迅速；而当PPF掺量高于0.9%时，试件则表现出多源区萌生特征，裂纹扩展受到三维纤维网格的有效约束. 断面观察显示，随着PPF掺量增加，纤维拔出长度由不足100 μm增至300~500 μm，表明界面黏结性能得到显著改善. 断面分析表明，沿加载方向取向的纤维主要承担轴向应力，而随机分布的纤维则提供三维约束作用，二者协同实现了裂纹扩展抑制和能量耗散.

定量研究结果表明，PPF掺量与疲劳性能指标呈非线性关系. 当掺量从0增至0.9%时，疲劳寿命提升最为显著，提升率超过60%；继续增加至1.2%时，性能改善幅度趋缓，提升率为20%左右. 这种性能改善主要源于纤维网格的多尺度增强机制，包括裂纹桥接约束、界面黏结强化以及能量耗散协同作用.

2.2.2 应力-应变曲线

为反映PPF掺量和循环次数对混凝土强度和变形的影响，绘制应力水平为0.65时不同PPF掺量下的应力-应变曲线. 表2为不同PPF掺量下的混凝土试件峰值应变及统计分析，表2统计分析数据显示，各组峰值应变的变异系数均低于9%，应变测量结果稳定可靠.

通过PPF掺量范围为0~1.2%的试验，系统表征了PPFRC循环应力-应变的变化规律. 试验结果表明，峰值应变随纤维掺量呈非线性变化，如图5及 表2所示，基准混凝土的峰值应变为1.412×10^-3 με. 随着PPF掺量的增加，应力-应变曲线呈现显著的非线性响应特征，PPF掺量为0.3%、0.6%、0.9%时，峰值应变较基准组提升率分别为15.01%、24.65%、31.16%，在PPF掺量为0.9%时达到最优，其峰值应变为1.852×10^-3 με，峰值应力为43.9 MPa；PPF掺量为1.2%时，由于纤维团聚效应，孔隙率增加，界面黏结强度下降，峰值应变提升率回落至2.20%. 完整的“抛物线”型关系曲线明确了纤维掺入过量的负面效应.

结构的耗能能力可用滞回环面积进行判断. 分析应力-应变曲线可知，在初始加载阶段，应力-应变曲线呈近似线性的加载路径，卸载路径与加载路径基本重合，形成的滞回环面积较小. 随着循环次数的增加，滞回环宽度逐渐增大，弹性模量E（即应力-应变曲线斜率）随加载进程逐渐减小，刚度退化明显.

通过追踪每一次循环的滞回环演化，实现对疲劳过程中材料能量耗散行为的动态、定量表征. 试验结果表明，在第5次循环时，滞回环宽度相较于初次循环增加约65%，直观揭示了材料内部损伤累积所导致的能量耗散加速机制.

整体分析表明，在不同PPF掺量下，PPFRC的应力-应变循环加载曲线、包络线及单点加载曲线变化趋势基本相似，结合试件的破坏模式及破坏形态，大致可分为以下三阶段：①线弹性阶段：应力-应变曲线近 似为直线，此阶段滞回耗能能力较弱，耗能占比<5%，以界面滑移为主；②塑性屈服阶段：随着应变的增加，应力呈现线性增大趋势，达到弹性极限后，微裂缝发展，发生塑性变形，混凝土强度达到峰值，循环加载过程中的应力峰值逐渐减小，滞回环的面积逐渐增大，滞回耗能能力增强，耗能占比为40%~55%，主要来自纤维拔出摩擦；③峰后破坏阶段：应力-应变曲线斜率为负，随着应变的增大，应力减小，试件破坏，此阶段耗能占比40%~45%，源于纤维断裂和基体破碎.

2.3 PPFRC的能量演化特征

将混凝土试件视为绝热系统，根据热力学第一定律，外力对试件所做的轴向压缩功W全部转化为试件的内能增量，即总输入能U，该总输入能U可分解为：

U=U_{\mathrm{e}}+U_{\mathrm{d}}（1）

式中：U_{\mathrm{e}}为弹性应变能；U_{\mathrm{d}}为耗散能.

总输入能：

U={\int }_{\mathrm{0}}^{{\epsilon }_{\mathrm{1}}} {\sigma }_{\mathrm{1}}\mathrm{d}{\epsilon }_{\mathrm{1}}（2）

弹性应变能：

U_{\mathrm{e}}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}{\sigma }_{\mathrm{1}}{\epsilon }_{\mathrm{1}}^{\mathrm{e}}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{E}_{\mathrm{u}}}{\sigma }_{\mathrm{1}}^{\mathrm{2}}（3）

耗散能：

U_{\mathrm{d}}=U-U_{\mathrm{e}}（4）

式中：{\sigma }_{\mathrm{1}}为轴向应力；{\epsilon }_{\mathrm{1}}为轴向应变；{\epsilon }_{\mathrm{1}}^{\mathrm{e}}为弹性应变分量；E_{\mathrm{u}}取初始弹性模量E_{\mathrm{0}}.

通过控制应力水平和PPF掺量的循环加载试验，系统研究了PPFRC的能量演化规律，得出循环次数与能量之间的关系曲线.图6~图8分别为不同应力水平下不同PPF掺量试件的总输入能、弹性应变能、耗散能的变化过程，如图6~图8所示，PPF掺量0.9%试件总输入能、弹性应变能及耗散能均高于其他组别，能量特性最佳.其中，当应力水平S=0.65时，该组试件弹性应变能较基准组提升37.9%，总输入能提升11.0%；S=0.70时，总输入能提升率增至13.6%；S=0.75、0.80条件下，弹性应变能分别提升7.4%和9.5%. 在全部应力水平范围内，PPF掺量0.9%试件均表现出显著的能量增益效应，弹应变能较基准组最高可提升37.9%.说明在较低应力水平下，材料损伤发展缓慢，纤维主要通过维持结构刚度、增强弹性恢复来提升基体性能，而在中等应力水平下，尽管材料刚度开始退化，但纤维的桥接、拔出及界面滑移等耗能机制被充分激发，导致耗散能急剧增加，进而引起总输入能的提升. 表明在此应力水平下纤维增强与损伤累积的交互作用达到最佳平衡，使材料在破坏前能够吸收和耗散最多的能量. 当PPF掺量为1.2%时，由于纤维团聚效应引起的初始缺陷，试件的总输入能、弹性应变能、耗散能较最优掺量组均降低15%以上，且能量积累速率过早进入快速增长阶段，提前9个循环周期达到破坏状态.

分析应力水平对各能量的影响发现，耗散能对应力水平最为敏感.高应力水平下，纤维-基体界面滑移速率提高、裂纹分支现象加剧以及局部破碎区域扩大，所以高应力水平下耗散能的增长率较高. 弹性应变能的演化呈现双阶段特征，初期快速积累阶段受应力水平显著影响，应力水平为0.80时的积累速率近似为应力水平0.65时的1.5倍，而在后期稳定阶段，各应力水平下的弹性应变能增长率趋于一致.

上述在0.65~0.80应力水平下获得的能量演化路径，不仅揭示了PPF掺量与应力水平对能量分配机制的耦合影响规律，而且量化了材料在疲劳过程中的能量响应，试验结果表明，0.9%最优掺量试件在全应力水平范围内均表现出显著的能量增益，其弹性应变能较基准组最高提升37.9%.

以应力水平为0.65、PPF掺量0.9%的试件为例，其能量演化曲线如图9所示，总输入能、弹性应变能、耗散能均表现出典型的三阶段特征. 表3为应力水平为0.65、PPF掺量为0.9%时的能量参数值统计分析结果，由表3可知，总输入能、弹性应变能和耗散能的变异系数分别为10.0%、8.8%和11.0%，均维持在较低水平，表明能量测试数据重现性良好.

在线弹性阶段，能量积累以弹性应变能为主导，总输入能曲线呈近似线性的快速增长趋势，其中弹性应变能占比高达85%，表明此阶段材料以可逆变形为主.因为此阶段纤维-基体界面黏结完好，PPF与水泥基体协同变形，形成了有效的应力传递网络；其次，材料内部微缺陷尚未充分发展，能量耗散途径有限. 此时的耗散能曲线几乎与横坐标重合，其值仅占总能量的5%左右，主要来源于基体内部少量微裂纹的摩擦滑移和纤维-基体界面的微量滑移. 随着循环次数增加至塑性屈服阶段，能量分配发生显著转变. 总输入能仍保持增长，但增长率逐渐降低，反映了材料刚度的逐渐退化. 弹性应变能的积累速率明显减缓，此时，纤维-基体界面开始出现局部脱粘，部分原本用于弹性变形的能量转化为界面滑移摩擦能；另一方面，基体中微裂纹逐渐连接形成宏观裂纹，裂纹面的摩擦消耗了大量能量. 耗散能在此阶段进入快速增长期，在总能量中的占比从不足10%提升至35%以上. 进入峰后破坏阶段后，能量演化呈现明显的损伤失稳特征. 弹性应变能开始持续释放，此阶段纤维桥接作用逐渐失效，混凝土骨架结构持续崩塌. 总输入能与耗散能保持同步增长，增长率较为稳定，两者曲线近似平行，表明外部输入的能量几乎全部用于克服材料内部的损伤发展. 此时的耗散能主要集中于主裂纹贯通扩展、纤维逐步拔出以及局部混凝土破碎. 在破坏前夕，耗散能曲线出现明显拐点，增长率突然提高.

2.4 PPFRC的疲劳损伤

对于无损材料，应力和弹性应变满足以下关系：

\sigma =E{\epsilon }_{\mathrm{1}}^{\mathrm{e}}（5）

当材料受损时，在同一应力下其弹性应变将改变为{\epsilon }_{\mathrm{2}}^{\mathrm{e}}（{\epsilon }_{\mathrm{1}}^{\mathrm{e}}\to {\epsilon }_{\mathrm{2}}^{\mathrm{e}}），即：

\frac{\sigma }{\mathrm{1}-D}=E{\epsilon }_{\mathrm{2}}^{\mathrm{e}}（6）

或

\sigma =E\left(\mathrm{1}-D\right){\epsilon }_{\mathrm{2}}^{\mathrm{e}}=\tilde{E}{\epsilon }_{\mathrm{2}}^{\mathrm{e}}（7）

可得到疲劳损伤因子如下：

D=\mathrm{1}-\frac{\tilde{E}}{E}=\mathrm{1}-\frac{{\epsilon }_{\mathrm{1}}^{\mathrm{e}}}{{\epsilon }_{\mathrm{2}}^{\mathrm{e}}}（8）

式中：{\epsilon }_{\mathrm{1}}^{\mathrm{e}}、{\epsilon }_{\mathrm{2}}^{\mathrm{e}}为弹性应变；E为弹性模量. 在受力初期，混凝土主要发生弹性变形，此时测得的总应变近似等于弹性应变. 故用线弹性阶段的总应变\epsilon来代替弹性应变{\epsilon }^{\mathrm{e}}.

图10为各组试件在不同应力水平下疲劳损伤因子随循环比n/N的变化过程（n为循环次数，N为该试件的疲劳寿命）.

初始加载阶段（循环比n/N<0.3），材料内部微裂纹密度较低，弹性应变维持在较低水平，此时疲劳损伤因子D较小，在0.0~0.5之间，表明材料处于相对稳定的状态.不同PPF掺量的试件在此阶段表现出显著差异，基准组疲劳损伤因子增长速率较快，而PPF掺量为0.9%试件的增长速率降至基准组的55%，主要归因于纤维网络对微裂纹萌生的抑制作用.随着循环荷载的持续作用（0.3≤n/N<0.8），材料进入稳定发展阶段.此阶段疲劳损伤因子与循环比呈现良好的线性关系，PPF掺量为0.9%的组斜率显著低于基准组，体现了纤维的桥接作用.当循环比n/N≥0.8时，材料进入失稳破坏阶段，基准组疲劳损伤因子跃升，表现为脆性破坏特征.PPF掺量为0.9%试件则保持相对平缓的增长趋势，展现出良好的延性破坏特性；而PPF掺量为1.2%后期损伤曲线斜率高于PPF掺量0.9%的试件，这与纤维团聚区域的连锁破坏相关.过高的PPF掺量虽然延缓了前期损伤发展，但最终导致试件在较低疲劳损伤因子时发生突然破坏，验证了PPF掺量过高的负面影响.

以上能量-损伤演化模型将循环过程中的能量耗散与材料的宏观损伤程度定量关联，弥补了仅靠刚度退化或疲劳寿命进行损伤评估的局限性.

3 结 论

通过循环受压试验，研究PPFRC的应力-应变行为、能量演化规律及损伤发展特性. 研究揭示了不同PPF掺量对PPFRC循环受压应力-应变曲线特征的影响规律，分析了PPF掺量与峰值应变的对应关系；其次，阐明了循环加载过程中PPFRC的能量转化机制，揭示了材料从微观裂纹萌生到宏观破坏的全过程损伤发展规律，得出主要结论如下：

1）PPFRC的循环受压力学行为具有显著的PPF掺量依赖性. 当PPF掺量为0.9%时，试件表现出最优的综合性能：峰值应变提升31.16%，峰值应力提高8.9%，且破坏模式由脆性劈裂转变为韧性破坏. 过量掺量会导致纤维团聚效应，削弱增强效果.

2）能量演化特征表明，PPF掺量为0.9%的试件能量调控能力最佳. 在应力水平为0.65~0.80范围内，弹性应变能提升7.4%~37.9%. 能量分配比例随损伤呈现规律性变化：弹性阶段（耗能占比<5%）→稳定损伤阶段（40%~55%）→破坏阶段（40%~45%）.

3）基于损伤因子分析，提出了PPFRC的三阶段损伤演化模型：①初始损伤阶段（n/N<0.3），疲劳损伤因子D<0.5；②稳定发展阶段（0.3≤n/N<0.8），D与n/N呈线性关系；③失稳破坏阶段（n/N≥0.8），D加速趋近于1.PPF的掺入使损伤发展速率降低40%~60%，但PPF掺量为1.2%的试件在后期损伤增长速率显著加快，脆性断裂.

4）通过不同PPF掺量、多应力水平的系统试验，明确了0.9%为各应力水平下的最优掺量，揭示了高掺量（1.2%）下的性能回落细观机制.建立能量-损伤演化模型，为发展基于能量法的疲劳设计理论提供了依据.

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基金资助

国家自然科学基金资助项目(51408484)

National Natural ScienceFoundation of China(51408484)

陕西省重点研发计划资助项目(2024GX-YBXM-375)

Shaanxi Provincial Key Research and Development Program(2024GX-YBXM-375)

陕西省重点研发计划重点产业创新链（群）-社会发展领域(2024SF-ZDCYL-05-12)

Shaanxi Provincial Key Research and Development Program-Key Industrial Innovation Chain （Cluster）-Social Development Field(2024SF-ZDCYL-05-12)