纖維混凝土模型的建模方法與力學(xué)性能分析

邵海林 胡宇祥 李娜 殷飛 彭軍志

摘?要：本文研究利用COMSOL（COMSOL?Multiphysics）多物理場(chǎng)仿真軟件，提出纖維混凝土灌溉渠道參數(shù)化建模與仿真方法，并開展了抗壓強(qiáng)度、凍脹實(shí)驗(yàn)。該方法提高了纖維混凝土灌溉渠道設(shè)計(jì)的質(zhì)量，基于參數(shù)化建模能準(zhǔn)確、快速修改混凝土中纖維、保溫顆粒摻量的相關(guān)參數(shù)，提高渠道設(shè)計(jì)的效率，為同類型灌溉渠道高質(zhì)量設(shè)計(jì)和分析提供借鑒作用。

關(guān)鍵詞：纖維混凝土；聚合物纖維；力學(xué)性能

聚合物纖維是一種現(xiàn)代化合成高強(qiáng)度束狀材料，在高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)中，加入聚合物纖維的灌溉渠道混凝土，可有效地控制混凝土收縮、干縮、溫度變化等因素引起的微裂縫，防止及抑制裂縫的形成及發(fā)展，降低渠道滲漏的實(shí)際損失率，在一定程度上延長(zhǎng)工程壽命，提高灌溉渠道的實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益［1］。然而，纖維混凝土的骨料投放量、試件密實(shí)度、纖維長(zhǎng)度、分散性等參數(shù)對(duì)灌溉渠道抗裂性能影響較大，確定合理的參數(shù)就顯得尤為重要［2］。傳統(tǒng)的方法是通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后得到的優(yōu)選結(jié)果。但是若要獲得滿意的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，則需要通過(guò)開展正交試驗(yàn)等，且實(shí)驗(yàn)費(fèi)用巨大，工作強(qiáng)度高。因此，需要一種纖維混凝土渠道參數(shù)化建模方法，用于仿真研究［3］。

近年來(lái)，相關(guān)學(xué)者對(duì)保溫纖維混凝土開展了廣泛研究，任佳妮等選用六種不同鋼纖維摻量對(duì)C30保溫混凝土進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果表明，當(dāng)參雜單一鋼纖維時(shí)，保溫混凝土抗壓強(qiáng)度也隨著增加，但是效果并不明顯［4］；張靜等將ABS發(fā)泡作為細(xì)骨料準(zhǔn)備塑料混凝土，并對(duì)其保溫性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，保溫混凝土熱導(dǎo)率低，保溫性能較好，能夠應(yīng)用于保溫結(jié)構(gòu)［5］；史繪洲研究了不同EPS改性方法對(duì)混凝土保溫性能的影響，結(jié)果表明，聚苯乙烯泡沫添加量為5%時(shí)，能夠顯著提升塑料混凝土保溫性能［6］；劉軍等并通過(guò)ABAQUS有限元軟件進(jìn)行建模，分析了不同保溫材料的熱工性能并與試驗(yàn)測(cè)試值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明采用數(shù)值模擬計(jì)算要比傳統(tǒng)理論方法更為簡(jiǎn)便和準(zhǔn)確［7］；劉鴿等在煤矸石保溫混凝土中分別摻入不同比例的聚丙烯纖維，進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，并建立了煤矸石保溫混凝土的抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型［8］；楊飛等設(shè)計(jì)了不同EPS體積摻量的混凝土，進(jìn)行了抗壓、保溫性能測(cè)試，建立了數(shù)學(xué)模型，能夠模擬在實(shí)際使用狀態(tài)下不同EPS摻量混凝土對(duì)溫度的調(diào)節(jié)情況。

為解決上述問(wèn)題，本文利用COMSOL（COMSOL?Multiphysics）多物理場(chǎng)仿真計(jì)算軟件，提出纖維保溫混凝土參數(shù)化建模與仿真方法。該方法提高了纖維混凝土設(shè)計(jì)的質(zhì)量、其快速化建模方法，不但能夠提高保溫混凝土設(shè)計(jì)的效率，為該類型混凝土應(yīng)用到灌溉渠道工程提供借鑒作用。

1?試驗(yàn)方案

改性EPS新型保溫混凝土，為灌區(qū)灌溉渠道施工新材料。能夠提高基土溫度、減小渠道地基凍深和凍脹量，進(jìn)一步提高混凝土渠道防凍脹效果與工程使用壽命的目的，進(jìn)而提高混凝土灌溉渠道的保溫性和抗凍性。研發(fā)自保溫混凝土，通過(guò)添加聚乙烯醇纖維保溫材料、EPS顆粒，提高混凝土保溫性能，通過(guò)添加聚乙烯醇纖維，提高混凝土抗拉力學(xué)性能。該新型材料，通過(guò)在混凝土中添加不同物理性狀的保溫、纖維材料，在混凝土的保溫性與抗凍性之間尋求一個(gè)平衡點(diǎn)，以適用于灌溉渠道冬季運(yùn)行要求。在節(jié)約水利工程材料和保存、利用水資源具有重要意義。

本研究采用聚乙烯醇纖維和EPS顆粒作為對(duì)象對(duì)混凝土進(jìn)行研究，制作改性EPS新型保溫混凝土試樣，開展抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、抗折試驗(yàn)和凍融循環(huán)試驗(yàn)等，分析不同聚乙烯醇纖維長(zhǎng)度和摻量的條件下抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)和抗凍性的變化規(guī)律及其破壞特征，研究結(jié)果可為寒地灌區(qū)的中、小型渠道的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1.1?試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用材料主要包括聚乙烯醇纖維、EPS顆粒和普通硅酸鹽水泥。聚乙烯醇纖維是一種具有高彈性模量聚合纖維材料，與水泥界面黏結(jié)強(qiáng)度高，密度為1.2g/cm3，直徑20μm，抗拉強(qiáng)度高能夠達(dá)到1000MPa，延伸率最大可以達(dá)到9%。EPS顆粒選用粒徑為3～5mm，表觀密度為20kg/m3的顆粒。普通硅酸鹽水泥是膠凝材料，使用密度為2.21g/cm3，平均粒徑為0.2μm，比表面積為21m2/g的硅灰和密度為2.21g/cm3，比表面積為325m2/kg的Ⅰ級(jí)粉煤灰作為摻合料。

1.2?仿真建模與配比設(shè)計(jì)

EPS混凝土配合比見下表，EPS體積摻量分別為最大不超過(guò)沙子體積的30%，聚乙烯醇纖維長(zhǎng)度選取2～8mm，摻量為0～1.5%，建立comsol模型，進(jìn)行仿真以及抗壓試驗(yàn)。

1.3?試驗(yàn)方法

依據(jù)（SL/T?352—2020）《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行相關(guān)力學(xué)性能試驗(yàn)、抗凍性試驗(yàn)。在力學(xué)性能試驗(yàn)中，混凝土立方體所用試塊尺寸為150mm×150mm×150mm。

2?試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1?改性EPS新型保溫混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的影響

對(duì)于其他條件等量的改性EPS新型保溫混凝土而言，設(shè)置仿真參數(shù)，在摻入聚乙烯醇纖維長(zhǎng)度分別為2mm、4mm、6mm和8mm的條件下，摻量為0.5%、1.0%、1.5%進(jìn)行仿真抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。在計(jì)算過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，纖維長(zhǎng)度分別為4mm、6mm時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度增量明顯，新型保溫混凝土各最大抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度（短纖維摻量為0%）相比達(dá)到32%、48%。據(jù)此可知，對(duì)改性EPS新型保溫混凝土而言，摻入聚乙烯醇纖維的最優(yōu)長(zhǎng)度和摻量分別為6mm和0.4%。

2.2?改性EPS新型保溫混凝土保溫試驗(yàn)

混凝土中因摻入EPS顆粒，導(dǎo)熱系數(shù)低，保溫性能好。由圖2可見，適量分布的EPS顆粒填充到混凝土內(nèi)部，從而密實(shí)度提高，熱量傳遞速率減小，溫度傳遞困難。但是摻量過(guò)大時(shí)，EPS顆粒和易性差，團(tuán)聚不能均勻分散，在混凝土內(nèi)部形成孔洞等宏觀缺陷，對(duì)混凝土整體導(dǎo)熱性有影響。

2.3?改性EPS新型保溫混凝土抗凍性試驗(yàn)

依據(jù)（GB/T?50600—2010）《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》設(shè)計(jì)中、小型渠道，混凝土的抗凍等級(jí)應(yīng)滿足小型達(dá)到凍融循環(huán)次數(shù)50次，中型達(dá)到凍融循環(huán)次數(shù)100次。嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)的冬季過(guò)水渠道，抗凍等級(jí)應(yīng)較規(guī)范中所列數(shù)值提高一級(jí)。吉林屬于嚴(yán)寒地區(qū)，因此，小型凍融循環(huán)次數(shù)應(yīng)達(dá)100次。

隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，不同摻量的保溫混凝土試件均出現(xiàn)了不同程度的質(zhì)量損失。纖維體在凍融過(guò)程中起到了抗裂作用，當(dāng)聚乙烯醇纖維摻量為1％時(shí)，試件質(zhì)量損失最小。當(dāng)凍融循環(huán)達(dá)到50次時(shí)，質(zhì)量損失仍然較低，小于0.8％，可見適當(dāng)摻量的聚乙烯醇纖維在混凝土隨機(jī)分布，使混凝土各相膠結(jié)在一起不易脫落，增大了混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)度，有效緩解保溫混凝土因凍融循環(huán)造成的質(zhì)量損失。

3?保溫效果實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證該混凝土的保溫效果，制作U型混凝土襯砌渠道，開展室內(nèi)凍脹實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的技術(shù)裝備由最外部的模型箱、內(nèi)部的制冷系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)三部分組成，其實(shí)體如設(shè)計(jì)圖3所示。

由于本試驗(yàn)所采用的傳感器較多，采用多個(gè)溫度拓展數(shù)據(jù)線來(lái)增多模擬輸出傳感器的數(shù)量，主要負(fù)責(zé)采集溫度、含水率及位移三種數(shù)據(jù)。位移測(cè)量系統(tǒng)由三個(gè)采集器組成，分別測(cè)量了三個(gè)法向量在模擬設(shè)定下不同方位的變化程度，有效呈現(xiàn)位移變化之間影響因素。模型箱是長(zhǎng)、寬、高均為5m的正方體，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，四周不能漏水、保持溫度，箱底安放硅膠干燥劑，在箱體頂部、底部及四周鋪設(shè)兩層聚氨酯發(fā)泡劑密封，以防止數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)受潮濕空氣的影響，方便內(nèi)部設(shè)置其他系統(tǒng)，保證其順利完成實(shí)驗(yàn)，確保數(shù)據(jù)精準(zhǔn)。內(nèi)部的制冷系統(tǒng)包括控制箱組成有壓縮機(jī)、數(shù)控面板和風(fēng)扇，數(shù)控面板用來(lái)控制降溫速率，冷氣通過(guò)風(fēng)扇進(jìn)入模型箱中，從而對(duì)模型箱中空氣溫度進(jìn)行控制，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中設(shè)置溫度為-35℃。

通過(guò)1個(gè)月的凍脹實(shí)驗(yàn)，渠道基礎(chǔ)土體降溫緩慢，最大凍深僅有30cm，且土體凍脹位移滿足規(guī)范要求。

4?結(jié)論

（1）隨著纖維摻量的增大，混凝土試件的抗壓強(qiáng)度、抗凍性能均有所提升，適宜摻量在1%。

（2）EPS摻量對(duì)混凝土的保溫效果影響顯著，但是摻量越大，抗凍效果越差。

（3）建立了保溫混凝土數(shù)學(xué)模型，能夠?qū)崿F(xiàn)抗壓強(qiáng)度模擬，也為研究混凝土凍脹打好了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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［8］李宇鵬.聚丙烯纖維煤矸石保溫混凝土的基本力學(xué)性能試驗(yàn)研究［D］.太原理工大學(xué)，2020.

基金項(xiàng)目：長(zhǎng)春市2021年度重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃關(guān)鍵技術(shù)公關(guān)專項(xiàng)（21ZGN25）

*通訊作者：邵海林（1988—?），男，吉林長(zhǎng)春人，本科，工程師，研究方向：節(jié)水灌溉。