聚丙烯纖維再生混凝土柱受壓性能的模擬分析

連少軍

(大同煤礦集團(tuán)朔煤宏程房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，山西懷仁 038300)

廢棄混凝土塊經(jīng)破碎、分級并按一定的比例混合后形成的骨料稱為再生骨料或再生混凝土骨料，利用再生骨料代替部分或全部天然骨料配制的混凝土，稱為再生骨料混凝土，簡稱再生混凝土［1，2］。目前，再生混凝土在我國的應(yīng)用主要集中在剛性路面上［1-3］，并且大部分國外學(xué)者把對再生骨料和再生混凝土的研究重點(diǎn)放在基本力學(xué)性能上，并且已有成功應(yīng)用于剛性路面以及建筑結(jié)構(gòu)物的例子［4-10］，再生混凝土技術(shù)的應(yīng)用會帶來明顯的社會、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益，但是往往被認(rèn)為是發(fā)展綠色生態(tài)混凝土的主要措施之一［11，12］。國內(nèi)外對于再生混凝土柱力學(xué)性能的研究已相當(dāng)多［13］。然而，再生混凝土的內(nèi)部存在著一定的缺陷，使其強(qiáng)度和韌性都有所降低，為了彌補(bǔ)這些缺陷，在再生混凝土中加入一些短纖維，可有效改善這些缺陷［14］。聚丙烯纖維具有耐酸堿性好、不吸水、質(zhì)量輕的特性，在混凝土配合比不變的條件下，在混凝土中加入聚丙烯纖維能有效提高其韌性和強(qiáng)度［15］，抗壓強(qiáng)度是混凝土最基本的力學(xué)性能之一，本文通過改變再生骨料摻入量、纖維長度，進(jìn)行柱軸心抗壓強(qiáng)度的對比試驗(yàn)研究，試驗(yàn)證明了摻入纖維的再生混凝土柱的抗壓強(qiáng)度相對于普通混凝土要有所提高。

1 試驗(yàn)簡介

1.1 試件尺寸和有限元模型

此次試驗(yàn)采用的是ABAQUS有限元模擬軟件，ABAQUS是一套目前用于實(shí)際工程模擬有限元分析，具有強(qiáng)大功能的有限元軟件，是國際上公認(rèn)的用于研究分析有限元的最先進(jìn)的軟件之一。模擬試驗(yàn)的短柱尺寸選擇為200 mm×200 mm×800 mm，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度采用 C40，鋼筋采用 HRB400，再生混凝土摻入量為100%;纖維長度為19 mm，纖維體積摻量分別為0，0.08%，0.12%，0.16%，配合比見表1，共做4個(gè)試件，對其進(jìn)行軸心壓力，分組情況見表2。

表1 聚丙烯纖維再生混凝土配合比設(shè)計(jì)

表2 聚丙烯纖維再生混凝土試件分組

有限元模型見圖1，網(wǎng)格劃分采用的是ABAQUS中的一種C3D20R單元來進(jìn)行模擬混凝土材料，它可以很好的模擬出混凝土在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的破壞形態(tài)。

圖1 聚丙烯再生混凝土柱有限元模型

1.2 本構(gòu)關(guān)系

聚丙烯纖維再生混凝土的本構(gòu)關(guān)系由試驗(yàn)做出，進(jìn)行修正后繪制成曲線，如圖2所示。

圖2 聚丙烯纖維再生混凝土應(yīng)力—應(yīng)變曲線

2 模擬試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 承載力變化

表3 聚丙烯纖維再生混凝土試驗(yàn)承載力

從表3中的數(shù)據(jù)對比分析可知，再生混凝土柱的承載力在摻入了聚丙烯纖維后有了明顯的提升，體積摻入量為0.08%時(shí)，軸心受壓承載力增加了26.7%，體積摻入量為0.12%時(shí)，軸心受壓承載力增加了37.88%，體積摻入量為0.16%時(shí)，承載力增加了30.59%，相比較而言，體積纖維摻量在0.12%時(shí)軸心受壓承載力提升最高，超過0.12%后承載力略有下降。0.08%和0.16%時(shí)的極限承載力相差不多，說明0.12%是體積摻入量的一個(gè)峰值。

2.2 軸心受壓撓度分析

從圖3中可以看出，聚丙烯纖維再生混凝土柱在受到軸心壓力時(shí)，構(gòu)件的極限撓度均小于1 mm，當(dāng)摻入的纖維體積量改變時(shí)，極限撓度的變化不是很大，不摻纖維時(shí)，極限撓度最大，摻入0.12%時(shí)的極限撓度值最小。不摻纖維時(shí)，再生混凝土的撓度變化最快，當(dāng)纖維摻量為0.12%時(shí)，再生混凝土的撓度變化最慢，即在再生混凝土中添加聚丙烯纖維時(shí)，隨著纖維體積摻量的增加，混凝土的極限撓度減小，達(dá)到0.12%時(shí)，撓度最小，隨著纖維摻量的增加混凝土撓度變化減慢，當(dāng)達(dá)到0.12%時(shí)，混凝土的撓度變化最緩慢，之后，繼續(xù)增加纖維，撓度變化速度增加。

圖3 荷載—跨中撓度曲線

3 結(jié)語

1)摻入聚丙烯纖維可以有效提高再生混凝土極限承載力。摻入聚丙烯纖維后，隨著纖維摻入量的增加，聚丙烯纖維再生混凝土的極限承載力增大，當(dāng)纖維體積摻量繼續(xù)增加后，聚丙烯纖維再生混凝土極限承載力下降或者增長趨勢有所減弱。當(dāng)摻入量達(dá)到0.12%時(shí)，極限承載力有所下降或者增加趨勢有所減弱。

2)聚丙烯纖維再生混凝土的荷載—撓度曲線隨聚丙烯纖維的摻入量增多而減小，與普通混凝土的荷載—撓度關(guān)系是一致的。隨著聚丙烯纖維摻入量的增加，撓度曲線變化越來越慢，當(dāng)纖維體積的摻量繼續(xù)增加到0.12%時(shí)，荷載—撓度曲線變化達(dá)到最小。

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