鋼纖維再生混凝土的疲勞試驗和有限元分析

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題，在保護自然環(huán)境的同時，達到資源循環(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度這個重要的力學(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研究,但是有限元模擬鋼纖維再生混凝土的疲勞強度問題的研究還很有限。疲勞試驗與有限元分析相結(jié)合,對材料本身的應(yīng)用價值更有說服力，還可以彌補勞試驗周期長，成本高的缺點。

本研究以鋼纖維再生混凝土梁的疲勞試驗為基礎(chǔ)，然后用有限元的分析軟件Workbench對這些小梁式樣進行數(shù)值分析，最后和試驗數(shù)據(jù)進行比較分析，驗證該測試設(shè)計的合理性，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 試驗分析

1.1 材料

本試驗使用P.O42.5級普通硅酸鹽水泥。天然粗骨料為5～31.5 mm連續(xù)級配碎石，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。細骨料分為河砂和機制砂。普通天然河砂細度模數(shù)2.65，顆粒粒徑<5 mm，屬II區(qū)中砂，經(jīng)檢測表觀密度2640 kg/m3，堆積密度1642 kg/m3；機制砂細度模數(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，抗拉強度為538 MPa，鋼纖維密度為7850 kg/m3。

1.2 試驗設(shè)計及加載方式

試驗中用到的各種材料的配合比均參考某路用工程中實際配合比。制備150×150×550標(biāo)準(zhǔn)試件用于疲勞測試。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kg/m3

編號水泥粗骨料天然再生細骨料機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

疲勞強度測試設(shè)備是MTS計算機控制的電子壓力測試儀，最大負載為100 kN。抗折疲勞實驗在湖北工業(yè)大學(xué)土建學(xué)院結(jié)構(gòu)大廳MTS Landmark電液伺服試驗系統(tǒng)上進行，如圖1所示。最大動靜載荷為1000 kN，執(zhí)行機構(gòu)最大行程為±75 mm，應(yīng)變數(shù)據(jù)采集采用東華DH-3817F動靜應(yīng)變測試系統(tǒng)。

圖1 疲勞試驗

圖2 加載示意圖

本試驗中，RC以及SFRC在不同應(yīng)力水平下對應(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，再生混凝土的疲勞性能改善最為明顯，壽命最大。 進一步說明：添加1.0%的鋼纖維可以有效地彌補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對其建立有限元模型并施加循環(huán)荷載進行分析。首先使用Workbench中的Geometry板塊建立實體模型，考慮到該模型的對稱性，取其1/2做簡化計算，可以降低計算的復(fù)雜程度，節(jié)約求解的空間。在進行四點彎曲試驗的有限元建模時，部分學(xué)者采用直接在模型下施加線性荷載的方式來模擬循環(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，對夾具施加循環(huán)荷載，通過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)對有限元分析結(jié)果的影響，對該彎曲疲勞試驗的夾具和錨具模型進行一定程度的簡化，而對于關(guān)鍵部分的結(jié)構(gòu)特征需要全部保留。故而試驗機夾具只保留與混凝土試塊接觸的端部試驗機夾具材料采設(shè)置為普通結(jié)構(gòu)鋼，混凝土部分由試驗測得的數(shù)據(jù)對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)模型特點對該模型進行網(wǎng)格劃分，如圖4所示。該有限元模型網(wǎng)格單元劃分為21 496個，單元節(jié)點共95 525個。

圖4 有限元模型網(wǎng)格劃分圖

2.2 有限元模型的計算

試驗機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，盡管其中試驗機夾具材料剛度較大，仍考慮為柔性體而并非剛體。因為試驗機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)置較小或認為兩者間無摩擦。將兩者間的接觸類型選擇為不分開，即No Separation，試驗機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)生微量無摩擦滑動[8]。接觸體在實際上不會發(fā)生相互穿透，可通過建立接觸面的強制協(xié)調(diào)的方式來防止兩者間出現(xiàn)相互穿透現(xiàn)象。為了加快計算速度，可選擇手動調(diào)整接觸(Trim Tolerance)的數(shù)值，減少接觸單元的數(shù)量。

3 試驗與有限元計算結(jié)果分析

中心軸上的節(jié)點受邊界條件影響較小，因此選取試件截面正中心的130個節(jié)點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個點位置對應(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，研究各個節(jié)點在不同纖維摻量下對應(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節(jié)點處的疲勞壽命最大。 如圖7所示，當(dāng)鋼纖維含量為1.0時，應(yīng)力比為0.6的鋼纖維再生混凝土模板的每個節(jié)點的疲勞壽命最大。通過對疲勞試驗結(jié)果(圖3)和有限元分析結(jié)果(圖6、圖7)作對比，可以看出試驗結(jié)果和有限元分析結(jié)果吻合較好，說明本研究所建立的有限元模型合理，可以利用該模型開展進一步的研究。

3.2 節(jié)點位移分析

分析鋼纖維再生混凝土式樣中心軸線上的130個節(jié)點在疲勞荷載的作用下位移的變化，從而對該式樣的疲勞性能作進一步研究[9]。根據(jù)有限元分析計算的結(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，這與疲勞試驗結(jié)果數(shù)據(jù)表3是吻合的，同時驗證了應(yīng)力水平是疲勞荷載試驗中主要影響因素的觀點。在疲勞試驗中，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，鋼纖維增強了混凝土的抓地力，改善了混凝土的粘結(jié)性能，并增強了混凝土的側(cè)向約束力；另一方面，鋼纖維具有微增強功能[10]。 鋼纖維摻量為1.0%時，鋼纖維可以均勻分散在混凝土中，這使得混凝土試樣各個部位受力均勻，從而疲勞壽命更長；而鋼纖維摻量超過1.0%后，過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%時有所降低。

4 結(jié)論

1)通過對RC及不同鋼纖維摻量的SFRC的疲勞性能試驗研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加入鋼纖維體積率為1.0%時，對再生混凝土式樣疲勞性能的改善最明顯。說明摻入體積率為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到甚至超過素混凝土，能滿足工程實際應(yīng)用的要求。

2)通過有限元仿真結(jié)果對比試驗結(jié)果，仿真結(jié)果和試驗結(jié)論基本一致，說明本研究所建立的有限元模型合理，可以利用該模型開展進一步的研究。

3)從不同配比混凝土式樣的疲勞壽命試驗數(shù)據(jù)來看，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SF1.0RC的疲勞壽命最長，相同配比的試樣，應(yīng)力比變化時疲勞壽命也迅速變化，說明了應(yīng)力比對不同配比混凝土試樣的疲勞壽命影響程度很大；同時在應(yīng)力比相對較低時鋼纖維對SFRC的疲勞壽命提升明顯[11]。

4)摻入1.0%的鋼纖維時，再生混凝土的抗彎疲勞壽命最大[12]。而鋼纖維摻量超過1.0%后，過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%時有所降低。