使用廢棄纖維再生混凝土梁抗裂性能有限元分析★

劉 慈 李小偉 范光糠 遲翠萍 裴長春

(延邊大學(xué)工學(xué)院，吉林 延吉 133002)

使用廢棄纖維再生混凝土梁抗裂性能有限元分析★

劉 慈 李小偉 范光糠 遲翠萍 裴長春*

(延邊大學(xué)工學(xué)院，吉林 延吉 133002)

通過ANSYS有限元模擬分析，研究不同組合混雜聚丙烯腈及廢棄丙綸纖維對再生混凝土梁抗裂性能的影響。研究結(jié)果表明：不同組合聚丙烯腈及廢棄纖維的摻入，能夠提高再生混凝土梁初始開裂時的跨中彎矩及應(yīng)力，其中A75B25組試件中，混雜纖維有效地提高再生混凝土梁韌性，繼而延緩混凝土開裂，提高梁試件初始開裂荷載；在屈服狀態(tài)時隨著聚丙烯腈及廢棄纖維組合的變化，跨中撓度有降低效應(yīng)。

再生混凝土梁，廢棄纖維，抗裂性能，極限承載力，有限元分析

隨著城鎮(zhèn)化的迅速發(fā)展，大量建筑物被拆除重建，產(chǎn)生大量廢棄混凝土等建筑垃圾。為了合理處理廢棄混凝土，達到資源有效利用和可持續(xù)發(fā)展的目的，國內(nèi)外諸多學(xué)者[1-3]利用廢棄混凝土等廢棄物部分取代混凝土天然骨料配制再生混凝土，但因再生骨料在粉碎過程中產(chǎn)生大量微裂縫以及表面較多的水泥漿等內(nèi)部缺陷，使得再生骨料混凝土強度、韌性、阻裂能力等有不同程度的降低，其在實際工程的應(yīng)用受到一定的限制。還有，目前隨著紡織品在人們?nèi)粘Ｉ罴吧a(chǎn)中的廣泛地應(yīng)用，產(chǎn)生大量紡織廢料。傳統(tǒng)的紡織廢料處理方法[4]為垃圾場填埋處理或焚燒處理，但填埋處理需要占用大量場地，并且由于紡織廢料中含有大量化學(xué)纖維不能自然降解，焚燒處理會產(chǎn)生大量煙塵和有毒氣體。據(jù)國內(nèi)外研究資料表明[5,6]：由紡織廢料加工而成的廢棄纖維能在一定范圍內(nèi)改善再生混凝土力學(xué)性能。

為了減少資源浪費、提高再生資源的再利用率、降低環(huán)境污染和結(jié)構(gòu)構(gòu)件成本，本文利用有限元軟件ANSYS模擬分析廢棄纖維及有機纖維不同組合方式對再生混凝土梁在初始開裂與屈服狀態(tài)下的跨中彎矩、撓度的影響，為再生資源在結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的擴大應(yīng)用提供參考。

1 方案設(shè)計

本文以未使用纖維的再生混凝土梁為基準梁(簡稱RC0梁)，對于RC0梁改變A種聚丙烯腈纖維及B種廢棄再生丙綸纖維的不同組合5個水準，同時為了比較設(shè)計了未摻再生骨料的NC0梁，共設(shè)計7根梁。水膠比均采用0.35，混雜纖維體積摻率均為0.15%，梁截面尺寸均設(shè)計為120 mm×180 mm，長為1 500 mm，凈跨為1 200 mm。縱向受力鋼筋采用220(HRB335級)，受壓鋼筋采用214(HRB335級)箍筋采用8@100的HRB335級鋼筋，鋼筋彈性模量為200 GPa，梁試件構(gòu)造圖如圖1所示。對7根梁進行有限元模擬分析初始開裂和屈服狀態(tài)下的跨中彎矩和撓度，試驗梁參數(shù)設(shè)計如表1所示。

表1 試驗梁參數(shù)的設(shè)計

試件編號再生骨料取代率/%混雜纖維體積率/%A纖維比例/%B纖維比例/%軸心抗壓強度/MPa劈拉強度/MPa彈性模量/MPaNC0000045．523．9633．00RC03000035．643．6826．74A100B0300．15100041．063．3431．41A75B25300．15752542．103．7423．08A50B50300．15505034．763．1732．75A25B75300．15257536．964．322．02A0B100300．15010033．993．6234．47注：試件編號中，字母含義為：1)AxBy表示使用混雜纖維的再生混凝土。其中x是A種(聚丙烯腈)纖維的比例，y是B種(廢棄再生丙綸)纖維的比例

2 有限元模型的建立

在鋼筋混凝土梁中，將混凝土與鋼筋采用分離式模型，混凝土選用Solid65單元，縱向拉壓鋼筋及橫向箍筋均采用Link8單元。建模過程中，本文在梁三等分加載處施加均布荷載(50 mm×120 mm)，在梁的支座處采用了面約束(50 mm×120 mm)用以模擬試驗中的剛性墊板，減少應(yīng)力集中現(xiàn)象。本文選擇了修正混凝土本構(gòu)關(guān)系法[7]對混凝土中的聚丙烯腈纖維及廢棄再生丙綸纖維進行處理。混雜聚丙烯腈纖維與廢棄再生丙綸纖維再生混凝土的彈性模量取值如表1所示，混凝土泊松比取值0.2。混凝土初始開裂和屈服前應(yīng)力應(yīng)變視為線性關(guān)系，在初裂及壓碎后采用William-Warnke破壞準則，在模擬分析過程中，參數(shù)設(shè)置分別為：張開裂縫剪切傳遞系數(shù)取0.5，閉合裂縫剪切傳遞系數(shù)取0.95，單軸抗拉強度取表1單軸抗拉強度值，單軸抗壓強度取表1相應(yīng)的軸心抗壓強度值。

3 有限元模擬結(jié)果與分析

3.1初始開裂狀態(tài)

3.1.1初始開裂時跨中彎矩與撓度

圖2為不同組合混雜聚丙烯腈及廢棄再生丙綸纖維再生混凝土梁初始開裂時跨中彎矩圖。由圖2可知，基準組RC0相對NC0組，開裂時，跨中彎矩降低13.04%。相對于基準組RC0而言，摻入不同組合纖維后，再生混凝土梁初始開裂彎矩除A0B100組沒有變化外，均有不同程度的提高。其中A75B25組提高幅度最為明顯，提高10.01%，其次是A100B0,A25B75,A50B50梁跨中彎矩較基準組分別提高5.01%,5.01%,2.01%，提升的幅度均不大。這主要是由于纖維分散在再生混凝土梁中，能夠在一定程度上提高再生混凝土梁的韌性，提高其抗裂能力。

圖3為不同組合混雜聚丙烯腈及廢棄再生丙綸纖維再生混凝土梁初始開裂時跨中撓度圖。如圖3所示，基準組RC0相對于天然組NC0開裂時撓度增加2.30%，A100B0,A50B50,A0B100組相對于基準組RC0分別降低7.30%,12.92%,17.98%，這主要是因為加入混雜纖維后，彈性模量較基準組有顯著提高，在基本相同開裂荷載下，撓度降低。而A75B25,A25B75組相對于基準組，撓度分別增加22.47%,20.79%。由此可見，當全摻廢棄再生丙綸纖維時，將有利于再生混凝土梁試件抵抗開裂彎矩，明顯降低其開裂時撓度。

3.1.2等效開裂應(yīng)力云圖

圖4為不同比例混雜聚丙烯腈及廢棄再生丙綸纖維再生混凝土梁等效開裂應(yīng)力云圖，由圖4可知：在初始開裂時，混凝土最大應(yīng)力出現(xiàn)在跨中區(qū)域。首先，RC0組開裂時，跨中應(yīng)力為2.76 MPa，相對于NC0組降低16.87%，隨著不同組合聚丙烯腈及廢棄丙綸纖維的摻入，梁的開裂應(yīng)力均有一定范圍的提高，這主要是由于摻入混雜纖維后，使纖維能夠與混凝土基體粘結(jié)成整體，相當于錨固作用，在一定程度約束裂縫的發(fā)展。其中A100B0組提高作用最為明顯，相對于基準組RC0試件，提高8.70%，這是因為聚丙烯腈與混凝土基體的粘結(jié)能力優(yōu)于廢棄纖維。

3.2構(gòu)件屈服狀態(tài)

3.2.1屈服狀態(tài)時的跨中彎矩與撓度

圖5為不同比例混雜聚丙烯腈及廢棄再生丙綸纖維再生混凝土梁屈服時跨中彎矩圖。由圖5可見，首先NC0組屈服彎矩為31.61 kN·m，基準組RC0組屈服彎矩為30.49 kN·m，相對于NC0組降低3.54%，這主要是因為再生骨料的孔隙率高、大量微裂縫等缺陷造成的。隨著纖維組合變化A100B0組再生混凝土梁的屈服荷載比RC0組提高了0.21%，但其余試驗組A75B25，A50B50，A25B75，A0B100組屈服荷載均較基準組分別降低5.67%，4.85%，6.58%，2.06%。這主要是由于加入混雜纖維后，由于分布不均，造成混凝土抗壓強度、劈拉強度及彈性模量參數(shù)有不同程度的變化，使略降低再生混凝土梁屈服荷載。

圖6為不同比例混雜聚丙烯腈及廢棄再生丙綸纖維再生混凝土梁屈服時跨中撓度圖。由圖6可見，相對NC0組，RC0組屈服撓度降低7.49%，而加入混雜纖維后屈服狀態(tài)時，撓度均有不同程度的降低。其中A100B0，A75B25，A50B50，A25B75，A0B100分別降低5.08%，1.19%，11.38%，1.29%，10.09%。這主要是由于纖維的摻入，能夠分布在混凝土中，有效地改善再生混凝土的內(nèi)部缺陷，抑制裂縫的發(fā)展，因此能夠降低再生骨料混凝土梁屈服時跨中撓度。

3.2.2等效屈服應(yīng)力云圖

圖7為不同比例混雜聚丙烯腈及廢棄再生丙綸纖維再生混凝土梁等效開裂應(yīng)力云圖。由圖7可知：基準組RC0試件屈服狀態(tài)時，混凝土最大應(yīng)力為53.76 MPa，相對于NC0降低12.68%，隨著混雜纖維的摻入，其中A75B25，A25B75組試件屈服時混凝土應(yīng)力較基準組分別降低11.35%，14.69%，A100B0，A0B100組試件較基準組分別提高7.35%，10.90%，A50B50組沒有變化。

4 結(jié)語

本文是通過對不同組合聚丙烯腈及廢棄丙綸纖維再生混凝土梁試件的ANSYS有限元模擬分析，研究該兩種纖維的組合方式對再生混凝土梁抗裂性能的影響，其結(jié)果如下：

1)再生骨料混凝土梁在初始開裂狀態(tài)下，隨著聚丙烯腈及廢棄再生丙綸纖維組合的變化，能夠有效阻止裂縫發(fā)展，提高再生混凝土梁的韌性，對初始開裂彎矩有較好的提高作用，其中A75B25組提高效果最為明顯，然后依次為A100B0,A25B75,A50B50,A0B100組。

2)再生骨料混凝土梁在屈服狀態(tài)下，隨著聚丙烯腈及廢棄再生丙綸纖維組合變化，屈服彎矩除A100B0組有較小提升作用外，其他組小幅度的降低，降低幅度為2.06%～5.67%。

3)隨著聚丙烯腈及廢棄再生丙綸纖維組合的變化，相對于基準組初始開裂時，A100B0,A50B50,A0B100組試件梁撓度均有小幅度地降低，A75B25,A25B75組均有所提高；屈服狀態(tài)時，各不同組合纖維再生混凝土梁撓度均降低，降低幅度為1.19%～10.09%。

總結(jié)以上，使用廢棄纖維能夠有效阻止再生混凝土梁裂縫開展。

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Finiteelementanalysisofanti-crackingperformanceofwastefiberreinforcedconcretebeams★

LiuCiLiXiaoweiFanGuangkangChiCuipingPeiChangchun*

(CollegeofEngineering,YanbianUniversity,Yanji133002,China)

In this paper, the influence of different combinations of polyacrylonitrile and waste polypropylene fiber on the cracking resistance of recycled concrete beams was studied by ANSYS finite element simulation. The results show that the incorporation of different combinations of polyacrylonitrile and waste fiber can improve the mid-span moment and stress in the initial cracking of recycled concrete beams. In the A75B25specimen, the hybrid fibers can effectively improve the toughness of recycled concrete beams. Delaying the cracking of concrete and improving the initial cracking load of the beam specimen. In the yield state, with the change of the combination of polyacrylonitrile and waste fiber, there were reducing effects on the mid-span deflection.

recycled concrete beams, waste fiber, crack resistance, ultimate bearing capacity, finite element analysis

1009-6825(2017)30-0045-03

2017-08-13★:延邊大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目(項目編號：ydbksky2017049)

劉 慈(1995- )，男，在讀本科生

裴長春

TU311

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