鋼纖維再生混凝土的疲勞試驗(yàn)和有限元分析

付 佩，何 奇

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068)

鋼纖維再生混凝土已經(jīng)逐步用于路用混凝土和其他市政工程領(lǐng)域，作為一種新型的混凝土，再生混凝土能有效解決施工產(chǎn)生的建筑垃圾處理問(wèn)題，在保護(hù)自然環(huán)境的同時(shí)，達(dá)到資源循環(huán)再利用的目的[1-2]。鋼纖維再生混凝土路面面層在承受大量行車荷載下發(fā)生疲勞破壞，因此，鋪設(shè)水泥混凝土路面的混凝土最需要考慮的就是疲勞強(qiáng)度這個(gè)重要的力學(xué)指標(biāo)[3]。

為了改善路面的工作性能，必須改善鋪砌混凝土的疲勞性能[4]。有很多學(xué)者做了大量的鋼纖維再生混凝土的疲勞試驗(yàn)研究,但是有限元模擬鋼纖維再生混凝土的疲勞強(qiáng)度問(wèn)題的研究還很有限。疲勞試驗(yàn)與有限元分析相結(jié)合,對(duì)材料本身的應(yīng)用價(jià)值更有說(shuō)服力，還可以彌補(bǔ)勞試驗(yàn)周期長(zhǎng)，成本高的缺點(diǎn)。

本研究以鋼纖維再生混凝土梁的疲勞試驗(yàn)為基礎(chǔ)，然后用有限元的分析軟件Workbench對(duì)這些小梁式樣進(jìn)行數(shù)值分析，最后和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，驗(yàn)證該測(cè)試設(shè)計(jì)的合理性，模型的有效性，總結(jié)合理的仿真方式，給鋼纖維再生混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的研究提供了參考[5]。

1 試驗(yàn)分析

1.1 材料

本試驗(yàn)使用P.O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥。天然粗骨料為5～31.5 mm連續(xù)級(jí)配碎石，表觀密度2650 kg/m3；再生粗骨料為廢棄的混凝土面板破碎篩分而成，表觀密度2520 kg/m3。細(xì)骨料分為河砂和機(jī)制砂。普通天然河砂細(xì)度模數(shù)2.65，顆粒粒徑<5 mm，屬II區(qū)中砂，經(jīng)檢測(cè)表觀密度2640 kg/m3，堆積密度1642 kg/m3；機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)3.1，顆粒粒徑<5 mm，屬II區(qū)中砂。鋼纖維由剪切波浪型鋼纖維制成，抗拉強(qiáng)度為538 MPa，鋼纖維密度為7850 kg/m3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及加載方式

試驗(yàn)中用到的各種材料的配合比均參考某路用工程中實(shí)際配合比。制備150×150×550標(biāo)準(zhǔn)試件用于疲勞測(cè)試。其中SF0.5RC、SF1.0RC、SF1.5RC分別表示鋼纖維摻量為0.5%、1.0%和1.5%的鋼纖維再生混凝土(表1)。

表1 試樣分組及配合比設(shè)計(jì)kg/m3

編號(hào)水泥粗骨料天然再生細(xì)骨料機(jī)制砂江砂摻合料粉煤灰礦粉外加劑水鋼纖維RC2108242063804556010015.911700SF0.5RC2108242063804556010015.9117039.3SF1.0RC2108242063804556010015.9117078.5SF1.5RC2108242063804556010015.91170117.8

疲勞強(qiáng)度測(cè)試設(shè)備是MTS計(jì)算機(jī)控制的電子壓力測(cè)試儀，最大負(fù)載為100 kN?？拐燮趯?shí)驗(yàn)在湖北工業(yè)大學(xué)土建學(xué)院結(jié)構(gòu)大廳MTS Landmark電液伺服試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行，如圖1所示。最大動(dòng)靜載荷為1000 kN，執(zhí)行機(jī)構(gòu)最大行程為±75 mm，應(yīng)變數(shù)據(jù)采集采用東華DH-3817F動(dòng)靜應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)。

圖1 疲勞試驗(yàn)

圖2 加載示意圖

本試驗(yàn)中，RC以及SFRC在不同應(yīng)力水平下對(duì)應(yīng)的循環(huán)荷載加載(圖2)最大值與最小值如表2所示。

表2 最大荷載值與最小荷載值

疲勞壽命(N)與應(yīng)力水平(S)之間的關(guān)聯(lián)采用直角坐標(biāo)系標(biāo)注如圖3所示[6]。

圖3 不同配合比混凝土的S-N曲線

根據(jù)不同鋼纖維含量的RC和SFRC的彎曲和疲勞性能測(cè)試數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力比0.6，鋼纖維含量為1.0%時(shí)，再生混凝土的疲勞性能改善最為明顯，壽命最大。 進(jìn)一步說(shuō)明：添加1.0%的鋼纖維可以有效地彌補(bǔ)由于添加再生骨料引起的混凝土力學(xué)性能的下降。

2 有限元分析

2.1 有限元模型的建立

為了更好地分析鋼纖維再生混凝土試件的疲勞受載情況，本研究應(yīng)用Ansys Workbench有限元分析軟件中的Fatigue Model對(duì)其建立有限元模型并施加循環(huán)荷載進(jìn)行分析。首先使用Workbench中的Geometry板塊建立實(shí)體模型，考慮到該模型的對(duì)稱性，取其1/2做簡(jiǎn)化計(jì)算，可以降低計(jì)算的復(fù)雜程度，節(jié)約求解的空間。在進(jìn)行四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的有限元建模時(shí)，部分學(xué)者采用直接在模型下施加線性荷載的方式來(lái)模擬循環(huán)荷載，為了避免這樣的加載方式在加載區(qū)域的應(yīng)力集中在一起，造成最后結(jié)論不準(zhǔn)[7]。這里采用接觸面的方式，對(duì)夾具施加循環(huán)荷載，通過(guò)夾具和混凝土試件的接觸面?zhèn)鬟f到混凝土上，從而避免應(yīng)力集中現(xiàn)象的產(chǎn)生。為了避免非關(guān)鍵部分結(jié)構(gòu)對(duì)有限元分析結(jié)果的影響，對(duì)該彎曲疲勞試驗(yàn)的夾具和錨具模型進(jìn)行一定程度的簡(jiǎn)化，而對(duì)于關(guān)鍵部分的結(jié)構(gòu)特征需要全部保留。故而試驗(yàn)機(jī)夾具只保留與混凝土試塊接觸的端部試驗(yàn)機(jī)夾具材料采設(shè)置為普通結(jié)構(gòu)鋼，混凝土部分由試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)對(duì)不同的纖維摻量的混凝土試件設(shè)置不同的楊氏模量泊松比及其疲勞壽命曲線。根據(jù)模型特點(diǎn)對(duì)該模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖4所示。該有限元模型網(wǎng)格單元?jiǎng)澐譃?1 496個(gè)，單元節(jié)點(diǎn)共95 525個(gè)。

圖4 有限元模型網(wǎng)格劃分圖

2.2 有限元模型的計(jì)算

試驗(yàn)機(jī)夾具與試件間的接觸面可以考慮為柔性體與柔性體之間的接觸，盡管其中試驗(yàn)機(jī)夾具材料剛度較大，仍考慮為柔性體而并非剛體。因?yàn)樵囼?yàn)機(jī)夾具材料相較于混凝土試件較為光滑，可將其摩擦系數(shù)設(shè)置較小或認(rèn)為兩者間無(wú)摩擦。將兩者間的接觸類型選擇為不分開(kāi)，即No Separation，試驗(yàn)機(jī)夾具與試件之間接觸面豎直方向上不分離，接觸面上允許產(chǎn)生微量無(wú)摩擦滑動(dòng)[8]。接觸體在實(shí)際上不會(huì)發(fā)生相互穿透，可通過(guò)建立接觸面的強(qiáng)制協(xié)調(diào)的方式來(lái)防止兩者間出現(xiàn)相互穿透現(xiàn)象。為了加快計(jì)算速度，可選擇手動(dòng)調(diào)整接觸(Trim Tolerance)的數(shù)值，減少接觸單元的數(shù)量。

3 試驗(yàn)與有限元計(jì)算結(jié)果分析

中心軸上的節(jié)點(diǎn)受邊界條件影響較小，因此選取試件截面正中心的130個(gè)節(jié)點(diǎn)分析鋼纖維再生混凝土梁上不同位置的疲勞壽命的變化情況(圖5)。

3.1 疲勞壽命分析

由有限元模擬得到分布于中心軸上的這130個(gè)點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)的不同纖維摻量，應(yīng)力水平相同的壽命圖和相同纖維摻量，應(yīng)力水平不同的壽命圖如圖6、圖7所示，研究各個(gè)節(jié)點(diǎn)在不同纖維摻量下對(duì)應(yīng)的疲勞壽命和不同應(yīng)力水平下的疲勞壽命。

圖6 不同纖維摻量 相同應(yīng)力水平壽命圖

圖7 相同纖維摻量 不同應(yīng)力水平壽命圖

如圖6所示，應(yīng)力比為0.6，纖維含量為1.0%的鋼纖維再生混凝土在每個(gè)節(jié)點(diǎn)處的疲勞壽命最大。 如圖7所示，當(dāng)鋼纖維含量為1.0時(shí)，應(yīng)力比為0.6的鋼纖維再生混凝土模板的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命最大。通過(guò)對(duì)疲勞試驗(yàn)結(jié)果(圖3)和有限元分析結(jié)果(圖6、圖7)作對(duì)比，可以看出試驗(yàn)結(jié)果和有限元分析結(jié)果吻合較好，說(shuō)明本研究所建立的有限元模型合理，可以利用該模型開(kāi)展進(jìn)一步的研究。

3.2 節(jié)點(diǎn)位移分析

分析鋼纖維再生混凝土式樣中心軸線上的130個(gè)節(jié)點(diǎn)在疲勞荷載的作用下位移的變化，從而對(duì)該式樣的疲勞性能作進(jìn)一步研究[9]。根據(jù)有限元分析計(jì)算的結(jié)果，得到圖8。

圖8 相同纖維摻量 不同應(yīng)力水平節(jié)點(diǎn)位移圖

如圖8所示，在不同的應(yīng)力水平下，0.6應(yīng)力水平條件下鋼纖維摻量為1.0%的鋼纖維再生混凝土式樣最后破壞時(shí)候發(fā)生的位移最小，代表著1.0%摻量的式樣在反復(fù)荷載作用下最不容易破壞，這與疲勞試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)表3是吻合的，同時(shí)驗(yàn)證了應(yīng)力水平是疲勞荷載試驗(yàn)中主要影響因素的觀點(diǎn)。在疲勞試驗(yàn)中，一定體積鋼纖維摻量能提高梁抗變形能力，并且鋼纖維能夠減緩梁變形的速度。一方面，鋼纖維增強(qiáng)了混凝土的抓地力，改善了混凝土的粘結(jié)性能，并增強(qiáng)了混凝土的側(cè)向約束力；另一方面，鋼纖維具有微增強(qiáng)功能[10]。 鋼纖維摻量為1.0%時(shí)，鋼纖維可以均勻分散在混凝土中，這使得混凝土試樣各個(gè)部位受力均勻，從而疲勞壽命更長(zhǎng)；而鋼纖維摻量超過(guò)1.0%后，過(guò)多的鋼纖維在試樣中不能均勻分布，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部部分區(qū)域鋼纖維量過(guò)多，混凝土基質(zhì)較少，鋼纖維與骨料、砂漿共同承受循環(huán)荷載能力降低，反而使得鋼纖維再生混凝土的疲勞壽命相比鋼纖維摻量1.0%時(shí)有所降低。

4 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)RC及不同鋼纖維摻量的SFRC的疲勞性能試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加入鋼纖維體積率為1.0%時(shí)，對(duì)再生混凝土式樣疲勞性能的改善最明顯。說(shuō)明摻入體積率為1.0%的鋼纖維可以有效提升再生混凝土降低的力學(xué)機(jī)能，可以有效改善因再生骨料的加入而導(dǎo)致混凝土力學(xué)性能的降低，不管力學(xué)性能還是疲勞性能都能達(dá)到甚至超過(guò)素混凝土，能滿足工程實(shí)際應(yīng)用的要求。

2)通過(guò)有限元仿真結(jié)果對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)論基本一致，說(shuō)明本研究所建立的有限元模型合理，可以利用該模型開(kāi)展進(jìn)一步的研究。

3)從不同配比混凝土式樣的疲勞壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，同等應(yīng)力水平下，RC的疲勞壽命最低，SFRC較RC的壽命有所提高，其中摻入鋼纖維1.0%時(shí)SF1.0RC的疲勞壽命最長(zhǎng)，相同配比的試樣，應(yīng)力比變化時(shí)疲勞壽命也迅速變化，說(shuō)明了應(yīng)力比對(duì)不同配比混凝土試樣的疲勞壽命影響程度很大；同時(shí)在應(yīng)力比相對(duì)較低時(shí)鋼纖維對(duì)SFRC的疲勞壽命提升明顯[11]。

4)摻入1.0%的鋼纖維時(shí)，再生混凝土的抗彎疲勞壽命最大[12]。而鋼纖維摻量超過(guò)1.0%后，過(guò)多的鋼纖維在試樣中不能均勻分布，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部部分區(qū)域鋼纖維量過(guò)多，混凝土基質(zhì)較少，鋼纖維與骨料、砂漿共同承受循環(huán)荷載能力降低，反而使得鋼纖維再生混凝土的疲勞壽命相比鋼纖維摻量1.0%時(shí)有所降低。