不同鋼纖維摻量的再生混凝土梁抗剪承載力研究*

鄧瑞芬

(山西三建集團有限公司,山西 長治 047500)

0 引言

混凝土是國計民生中使用最廣泛且體量最大的人造材料。我國建筑混凝土年均消耗量達 100億t, 約占全球的34.8%。從各種工程材料隱含的CO2和能耗可知(見圖1),每生產1kg混凝土產品或結構隱含的CO2當量為0.05～0.30kg(從素混凝土砌塊到高強鋼筋混凝土)[1]。GB/T51366—2019《建筑碳排放計算標準》中[2],每m3C30和C50混凝土隱含的CO2碳排放因子分別為295,385kgCO2/m3(按混凝土典型容重2 350kg/m3計算,折合0.12～0.16kgCO2/kg)。從這個意義上來說,混凝土本身是低碳材料。但由于混凝土用量巨大,導致碳排放總量巨大,我國混凝土年均CO2排放總量達14.7億t,約占全國碳排放總量的14%。因此,加強低碳混凝土產品的研發(fā)和應用,從混凝土全生命周期考慮碳減排,對實現(xiàn)“雙碳”目標有重要意義。

圖1 常用工程材料隱含的CO2和能耗Fig.1 Implied CO2 and energy consumption of commonly used engineering materials

其中,再生骨料混凝土(recycled aggregate concrete, RAC)指將廢棄的混凝土塊經過破碎、清洗、分級后,按一定比例與級配混合,部分或全部代替砂石等天然集料(主要是粗集料),再加入水泥、水等配制成新混凝土[3]。再生混凝土可通過廢棄混凝土的回收再利用,實現(xiàn)混凝土上一生命周期的碳捕捉,形成碳循環(huán),減少了工程廢棄物排放、礦山開采、水泥燒制等環(huán)節(jié),降低或消除了間接能源排放。然而,由于再生混凝土的各項力學與耐久性能指標較普通混凝土均有所降低,這將制約再生混凝土在實際工程中的應用與發(fā)展[4]。因此,研究利用新材料或新技術改善再生混凝土的力學性能對進一步推廣再生混凝土結構具有重要意義。

再生混凝土的性能增強措施主要有以下途徑:①通過配合比優(yōu)化設計獲得所需的力學性能和流動性[5];②通過再生骨料強化技術填補新老界面間的微裂縫和空隙,常用的方法有化學強化和微生物強化,如聚乙烯醇浸泡[6]和CO2碳化[7];③通過摻入纖維彌補再生骨料的缺陷,對RAC起增強、增韌和阻裂作用,常見的摻入纖維有PVA纖維[8]、玻璃纖維[9]、鋼纖維[10]等。其中,鋼纖維再生混凝土(steel fiber reinforced recycled aggregate concrete, SFRAC)與再生混凝土相比,承載力提高、剛度增大、抗裂性能提高[11],其受力性能和可靠性可達到普通混凝土水平[12],且整體造價低于相同條件的普通混凝土[12],已成為增強再生混凝土性能的有效方法。

目前,關于SFRAC力學性能的研究主要集中在材料層次。國內外學者針對SFRAC開展了不同形式的試驗研究工作。研究結果表明,鋼纖維在混凝土中不會起粒,分布均勻,可改善混凝土的黏結性能,也可增大混凝土的強度和韌性[13-14]。因此,在再生混凝土中添加鋼纖維可彌補其性能的不足。Carneiro等[10]分析了SFRAC的壓縮應力-應變行為。Mohseni等[15]發(fā)現(xiàn)添加鋼纖維或聚丙烯纖維可改善RCA混凝土的性能。Gao等[16]揭示了在RAC中加入鋼纖維可增強其壓縮和彎曲的行為。研究表明:鋼纖維既能提高RAC的力學強度,又能改善RAC的斷裂過程和韌性,其壓縮強度與鋼纖維增強天然粗骨料混凝土相近[10];鋼纖維可預防和減少RAC固有微缺陷的發(fā)展[17];由于再生骨料的量化環(huán)境效益,再生骨料和鋼纖維的最佳組合可顯著節(jié)約成本[18]。在本構模型方面,相關學者進行了標準立方體抗壓試驗,并與天然骨料混凝土的軸壓應力-應變曲線進行了比較[10,19]。Carneiro等[10]認為隨著鋼纖維的加入,再生混凝土的韌性增加,可通過改變應力-應變曲線下降分支的斜率來體現(xiàn)。Gao等[19]認為添加鋼纖維后,SFRAC的楊氏模量和應力-應變曲線與天然粗骨料混凝土相似,但臨界應變隨鋼纖維含量和再生骨料取代率的增加而顯著增大,且通過對試驗數(shù)據的整理與分析,提出了SFRAC抗壓強度、楊氏模量、臨界應變的回歸公式和本構模型。

綜上所述,SFRAC具有良好的力學性能、完善的制備工藝、較低的工程造價,已成為低碳混凝土產品的優(yōu)良解決方案。但目前國內外對SFRAC力學性能的研究主要集中在材料層次,關于構件層次(梁、柱、節(jié)點)的SFRAC力學性能研究較少,制約著SFRAC向結構層面的應用。因此,本文采用三維細觀數(shù)值模擬方法,將混凝土視為由再生骨料、砂漿基質和界面過渡區(qū)組成的三相復合材料,并將鋼纖維隨機投放到混凝土中,建立SFRAC梁剪切加載數(shù)值模型。通過分析數(shù)值結果,探究鋼纖維對混凝土增強增韌機理,給出不同鋼纖維摻量下SFRAC梁的抗剪承載力變化規(guī)律,提出鋼纖維的合理摻量范圍,以期指導SFRAC向構件層次的工程應用。

1 細觀數(shù)值模型建立

受經濟因素及試驗條件的限制,大型結構試驗難以開展,數(shù)值模擬方法被廣泛使用[20-21]。混凝土數(shù)值模擬分為宏觀層次[20]和細觀層次[21]。宏觀層次模擬將混凝土視為均質材料,細觀層次模擬充分考慮了混凝土的非均質性,將混凝土視為由骨料、砂漿基質和界面過渡區(qū)組成的三相復合材料[21],能從細觀層面探究混凝土的宏觀力學行為,已被廣大學者認可[21-22]。

1.1 SFRAC梁剪切加載數(shù)值模型

本文采用細觀數(shù)值模擬法,使用ABAQUS有限元軟件建立SFRAC梁剪切加載數(shù)值模型,如圖2所示。首先,再生骨料與天然骨料的顆粒形狀均設置成球形,參考李孔龍[23]的方法,將再生骨料視為由老硬化砂漿、新硬化砂漿、老界面、新界面、天然粗骨料組成的五相非均質材料,如圖3所示。采用蒙特卡羅法進行再生骨料的隨機投放[23],骨料分布采用二級配,由Fuller級配曲線確定,生成骨料體積分數(shù)為40%的再生混凝土隨機骨料模型,再生骨料取代率為50%。其次,采用蒙特卡羅法進行鋼纖維的隨機投放。最后,進行鋼筋的裝配,最終建立了SFRAC梁剪切加載數(shù)值模型。采用四點彎曲加載方式,加載端為位移控制,按照簡支梁邊界條件,左邊固定鉸,限制x,y,z方向位移及x方向轉角,右邊豎向鏈桿,限制y,z方向位移及x方向轉角。

圖2 SFRAC梁剪切加載數(shù)值模型Fig.2 Numerical model of SFRAC beam shear loading

圖3 再生粗骨料及天然骨料細觀模型Fig.3 The fine view model of recycled coarse aggregate and natural aggregate

1.2 材料本構及相互作用關系

再生混凝土各組分采用八節(jié)點六面體減縮積分單元進行劃分,鋼筋及鋼纖維采用梁單元進行離散。再生混凝土各組分采用ABAQUS軟件中的混凝土塑性損傷模型(CDP)[24],鋼筋采用雙折線本構模型[21],鋼纖維采用彈性本構。界面過渡區(qū)是骨料和砂漿基質的交界區(qū)域,其力學參數(shù)與砂漿基質存在差異,參考文獻[23],界面過渡區(qū)各力學參數(shù)可依據砂漿基質進行適當?shù)恼蹨p,折減系數(shù)為70%～85%,通過標準立方體抗壓模擬確定折減系數(shù)[21,23]。通過試算,最終確定模型各細觀組分材料力學參數(shù)及幾何參數(shù)如表1所示。為簡化計算,鋼纖維與再生混凝土及鋼筋與再生混凝土之間采用嵌入約束(embedded region)條件。

表1 模型各細觀組分材料力學參數(shù)及幾何參數(shù)Table 1 Mechanical parameters and geometric parameters of each meso-component material of the model

1.3 數(shù)值模型驗證

參考文獻[25]的試驗,建立SFRAC梁剪切加載數(shù)值模型,共2組構件,分別為L1,L2,其中L1梁的鋼纖維體積分數(shù)為0,縱筋配筋率為1.78%;L2梁的鋼纖維體積分數(shù)為1%,縱筋配筋率為1.78%。再生骨料取代率為50%。構件截面尺寸及其配筋如圖4所示。

圖4 構件截面尺寸及其配筋Fig.4 Section size and reinforcement of component

試驗與模擬破壞模式對比如圖5所示(“DAMAGET”代表混凝土的拉伸損傷,“0”代表無損傷,“1”代表最大損傷。)。試驗與模擬荷載-位移曲線對比如圖6所示。由圖5可知,L1和L2均發(fā)生剪切破壞,模擬結果與試驗結果一致。由圖6可知,模擬和試驗結果吻合良好,在加載后期,試驗因保護加載裝置停止加載,未記錄到下降段。L1梁極限荷載試驗值為248.52kN,模擬值為247.3kN;L2梁極限荷載試驗值為270.17kN,模擬值為271.4kN,模擬值和試驗值誤差小于1%。綜上,驗證了三維細觀數(shù)值模擬方法的準確性和合理性。

圖5 試驗與模擬破壞模式對比Fig.5 Comparison of experimental and simulated damage patterns

圖6 試驗與模擬荷載-位移曲線對比Fig.6 Comparison of test and simulated load-displacement curves

2 結果與分析

分別建立鋼纖維體積分數(shù)為0%,0.5%,1%,1.5%和2%的SFRAC梁剪切加載數(shù)值模型,探究鋼纖維摻量對SFRAC梁剪切性能的影響。試件截面尺寸為100mm×200mm×1 500mm,縱筋配筋率均為1.5%,構件配筋情況及加載如圖7所示。再生骨料取代率為50%。

圖7 構件配筋情況及加載示意Fig.7 The reinforcement of the member and the loading diagram

2.1 破壞模式及荷載-位移曲線

不同鋼纖維摻量下的SFRAC梁破壞模式如圖8所示。由圖8可知,低鋼纖維摻量下的SFRAC梁呈剪切破壞模式,隨著鋼纖維摻量的提高,逐漸向彎曲破壞轉變,梁跨中破壞變嚴重。細觀模型中鋼纖維的破壞如圖9所示。圖中“S.Mises”為mises應力,鋼纖維的抗拉強度1 000MPa。由圖9可知,鋼纖維主要在試件剪切斜裂縫及彎曲裂縫位置發(fā)生作用。鋼纖維體積分數(shù)為1.5%和2.0%的試件,鋼纖維達到抗拉強度的數(shù)量越少,說明鋼纖維摻量較大時,鋼纖維的材料性能未能得到充分發(fā)揮。

圖8 不同鋼纖維摻量下的SFRAC梁破壞模式Fig.8 Damage pattern of SFRAC beam with different steel fiber admixture

圖9 鋼纖維破壞Fig.9 Steel fiber damage

不同鋼纖維摻量下的SFRAC梁荷載-位移曲線如圖10所示。由圖10可知,在加載初期,不同鋼纖維摻量下的SFRAC梁荷載-位移曲線基本重合,說明鋼纖維的加入不影響再生混凝土的初始剛度,鋼纖維在混凝土開裂后才發(fā)揮作用。鋼纖維體積分數(shù)為0,0.5%,1%,1.5%,2%的試件峰值荷載分別為209.2,237.4,256.6,249.1,237.2kN。體積分數(shù)<1% 時,抗剪承載力隨體積分數(shù)的增加而增加;體積分數(shù)>1%時,抗剪承載力反而下降,這是由于鋼纖維摻量較大,未能充分發(fā)揮其材料性能,因此鋼纖維摻量應在合理的范圍內,過多將導致浪費。另外,鋼纖維的摻入延緩了裂縫的發(fā)展,提高了試件的延性。體積分數(shù)為0的試件荷載-位移曲線下降段較直,說明再生混凝土破壞模式為脆性。加入纖維后,荷載-位移曲線下降段變緩,試件的延性提高。對于低體積分數(shù)的試件(體積分數(shù)為0.5%),在荷載達到峰值后,荷載-位移曲線出現(xiàn)短暫的水平段,這是試件內部承載力由混凝土轉移到纖維的過程。

圖10 不同鋼纖維摻量下的SFRAC梁荷載-位移曲線Fig.10 Load-displacement curves of SFRAC beams with different steel fiber admixtures

2.2 纖維增強增韌機理

纖維增強增韌機理主要基于纖維間距理論建立[26]。纖維間距理論是在彈性和斷裂力學基礎上進行研究的,模型如圖11所示。該理論認為纖維復合材料和纖維間距密切相關,且將復合材料的破壞視為內部初始缺陷在外力下產生應力集中所導致的[26],若想增強復合材料的韌性,則需改善其內部缺陷。在材料內摻入纖維,當其內部產生的裂縫長度小于s時,纖維會約束裂縫的發(fā)展,致使其只能在材料內部產生無影響的狹小空腔。

圖11 纖維間距理論模型Fig.11 Theoretical model of fiber spacing

鋼纖維再生混凝土在受力過程中,先由基體承受外力,隨著外力逐漸增大至基體抗拉強度極限值時,基體出現(xiàn)裂縫,纖維橫跨裂縫開始受力,從而抑制裂縫的持續(xù)發(fā)展。

鋼纖維對再生混凝土抗裂性能的提升主要體現(xiàn)在兩個方面:①混凝土硬化收縮時,纖維的存在抑制了其收縮變形,從而可減少因收縮產生的裂縫;②受到外載基體開裂時,纖維充當“連接筋”的作用,從而可抑制裂縫的開展,提升再生混凝土的韌性和承載力。

2.3 抗剪承載力變化規(guī)律

對于四點彎曲加載,試件抗剪強度計算公式為:

V=F/2bh0

(1)

式中:V為抗剪強度;F為抗剪承載力;b為梁橫截面寬度;h0為梁橫截面有效高度。

計算得鋼纖維體積分數(shù)0,0.5%,1%,1.5%和2%的試件抗剪強度分別為5.23,5.94,6.42,6.23,5.93MPa,如圖12所示。由圖12可知,隨著鋼纖維體積分數(shù)的增加,SFRAC梁抗剪強度呈先增加后降低的趨勢。對數(shù)據點進行多項式擬合,得到抗剪強度V與鋼纖維體積分數(shù)ρ的關系近似為二次函數(shù):

圖12 試件抗剪強度模擬值Fig.12 Simulated values of shear strength of specimen

V=-0.769ρ2+1.875ρ+5.23

(2)

根據擬合得到的抗剪強度V與鋼纖維體積分數(shù)ρ的關系式,計算得,當ρ=1.22%時,抗剪強度V達到最大。因此,基于模擬結果,暫確定SFRAC梁鋼纖維的合理摻量范圍為0.5%～1.2%。

3 結語

1) 再生混凝土抗剪破壞具有脆性,鋼纖維的摻入延緩了裂縫的發(fā)展,提高了試件的承載力和延性。

2) 鋼纖維對再生混凝土抗裂性能的提升主要體現(xiàn)在兩個方面:①混凝土硬化收縮時,纖維的存在抑制了其收縮變形,從而可減少因收縮產生的裂縫;②受外載基體開裂時,纖維充當“連接筋”的作用,從而可抑制裂縫的開展,提升再生混凝土的韌性和承載力。

3) 鋼纖維的摻入不會持續(xù)提升SFRAC梁的抗剪承載力,抗剪強度V與鋼纖維體積分數(shù)ρ的關系近似為二次函數(shù),根據模擬結果,暫給出鋼纖維的合理摻量范圍為0.5%～1.2%。