不同钢纤维掺量的再生混凝土梁抗剪承载力研究*

邓瑞芬

(山西三建集团有限公司,山西 长治 047500)

0 引言

混凝土是国计民生中使用最广泛且体量最大的人造材料。我国建筑混凝土年均消耗量达 100亿t, 约占全球的34.8%。从各种工程材料隐含的CO2和能耗可知(见图1),每生产1kg混凝土产品或结构隐含的CO2当量为0.05～0.30kg(从素混凝土砌块到高强钢筋混凝土)[1]。GB/T51366—2019《建筑碳排放计算标准》中[2],每m3C30和C50混凝土隐含的CO2碳排放因子分别为295,385kgCO2/m3(按混凝土典型容重2 350kg/m3计算,折合0.12～0.16kgCO2/kg)。从这个意义上来说,混凝土本身是低碳材料。但由于混凝土用量巨大,导致碳排放总量巨大,我国混凝土年均CO2排放总量达14.7亿t,约占全国碳排放总量的14%。因此,加强低碳混凝土产品的研发和应用,从混凝土全生命周期考虑碳减排,对实现“双碳”目标有重要意义。

图1 常用工程材料隐含的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)指将废弃的混凝土块经过破碎、清洗、分级后,按一定比例与级配混合,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]。再生混凝土可通过废弃混凝土的回收再利用,实现混凝土上一生命周期的碳捕捉,形成碳循环,减少了工程废弃物排放、矿山开采、水泥烧制等环节,降低或消除了间接能源排放。然而,由于再生混凝土的各项力学与耐久性能指标较普通混凝土均有所降低,这将制约再生混凝土在实际工程中的应用与发展[4]。因此,研究利用新材料或新技术改善再生混凝土的力学性能对进一步推广再生混凝土结构具有重要意义。

再生混凝土的性能增强措施主要有以下途径:①通过配合比优化设计获得所需的力学性能和流动性[5];②通过再生骨料强化技术填补新老界面间的微裂缝和空隙,常用的方法有化学强化和微生物强化,如聚乙烯醇浸泡[6]和CO2碳化[7];③通过掺入纤维弥补再生骨料的缺陷,对RAC起增强、增韧和阻裂作用,常见的掺入纤维有PVA纤维[8]、玻璃纤维[9]、钢纤维[10]等。其中,钢纤维再生混凝土(steel fiber reinforced recycled aggregate concrete, SFRAC)与再生混凝土相比,承载力提高、刚度增大、抗裂性能提高[11],其受力性能和可靠性可达到普通混凝土水平[12],且整体造价低于相同条件的普通混凝土[12],已成为增强再生混凝土性能的有效方法。

目前,关于SFRAC力学性能的研究主要集中在材料层次。国内外学者针对SFRAC开展了不同形式的试验研究工作。研究结果表明,钢纤维在混凝土中不会起粒,分布均匀,可改善混凝土的黏结性能,也可增大混凝土的强度和韧性[13-14]。因此,在再生混凝土中添加钢纤维可弥补其性能的不足。Carneiro等[10]分析了SFRAC的压缩应力-应变行为。Mohseni等[15]发现添加钢纤维或聚丙烯纤维可改善RCA混凝土的性能。Gao等[16]揭示了在RAC中加入钢纤维可增强其压缩和弯曲的行为。研究表明:钢纤维既能提高RAC的力学强度,又能改善RAC的断裂过程和韧性,其压缩强度与钢纤维增强天然粗骨料混凝土相近[10];钢纤维可预防和减少RAC固有微缺陷的发展[17];由于再生骨料的量化环境效益,再生骨料和钢纤维的最佳组合可显著节约成本[18]。在本构模型方面,相关学者进行了标准立方体抗压试验,并与天然骨料混凝土的轴压应力-应变曲线进行了比较[10,19]。Carneiro等[10]认为随着钢纤维的加入,再生混凝土的韧性增加,可通过改变应力-应变曲线下降分支的斜率来体现。Gao等[19]认为添加钢纤维后,SFRAC的杨氏模量和应力-应变曲线与天然粗骨料混凝土相似,但临界应变随钢纤维含量和再生骨料取代率的增加而显著增大,且通过对试验数据的整理与分析,提出了SFRAC抗压强度、杨氏模量、临界应变的回归公式和本构模型。

综上所述,SFRAC具有良好的力学性能、完善的制备工艺、较低的工程造价,已成为低碳混凝土产品的优良解决方案。但目前国内外对SFRAC力学性能的研究主要集中在材料层次,关于构件层次(梁、柱、节点)的SFRAC力学性能研究较少,制约着SFRAC向结构层面的应用。因此,本文采用三维细观数值模拟方法,将混凝土视为由再生骨料、砂浆基质和界面过渡区组成的三相复合材料,并将钢纤维随机投放到混凝土中,建立SFRAC梁剪切加载数值模型。通过分析数值结果,探究钢纤维对混凝土增强增韧机理,给出不同钢纤维掺量下SFRAC梁的抗剪承载力变化规律,提出钢纤维的合理掺量范围,以期指导SFRAC向构件层次的工程应用。

1 细观数值模型建立

受经济因素及试验条件的限制,大型结构试验难以开展,数值模拟方法被广泛使用[20-21]。混凝土数值模拟分为宏观层次[20]和细观层次[21]。宏观层次模拟将混凝土视为均质材料,细观层次模拟充分考虑了混凝土的非均质性,将混凝土视为由骨料、砂浆基质和界面过渡区组成的三相复合材料[21],能从细观层面探究混凝土的宏观力学行为,已被广大学者认可[21-22]。

1.1 SFRAC梁剪切加载数值模型

本文采用细观数值模拟法,使用ABAQUS有限元软件建立SFRAC梁剪切加载数值模型,如图2所示。首先,再生骨料与天然骨料的颗粒形状均设置成球形,参考李孔龙[23]的方法,将再生骨料视为由老硬化砂浆、新硬化砂浆、老界面、新界面、天然粗骨料组成的五相非均质材料,如图3所示。采用蒙特卡罗法进行再生骨料的随机投放[23],骨料分布采用二级配,由Fuller级配曲线确定,生成骨料体积分数为40%的再生混凝土随机骨料模型,再生骨料取代率为50%。其次,采用蒙特卡罗法进行钢纤维的随机投放。最后,进行钢筋的装配,最终建立了SFRAC梁剪切加载数值模型。采用四点弯曲加载方式,加载端为位移控制,按照简支梁边界条件,左边固定铰,限制x,y,z方向位移及x方向转角,右边竖向链杆,限制y,z方向位移及x方向转角。

图2 SFRAC梁剪切加载数值模型Fig.2 Numerical model of SFRAC beam shear loading

图3 再生粗骨料及天然骨料细观模型Fig.3 The fine view model of recycled coarse aggregate and natural aggregate

1.2 材料本构及相互作用关系

再生混凝土各组分采用八节点六面体减缩积分单元进行划分,钢筋及钢纤维采用梁单元进行离散。再生混凝土各组分采用ABAQUS软件中的混凝土塑性损伤模型(CDP)[24],钢筋采用双折线本构模型[21],钢纤维采用弹性本构。界面过渡区是骨料和砂浆基质的交界区域,其力学参数与砂浆基质存在差异,参考文献[23],界面过渡区各力学参数可依据砂浆基质进行适当的折减,折减系数为70%～85%,通过标准立方体抗压模拟确定折减系数[21,23]。通过试算,最终确定模型各细观组分材料力学参数及几何参数如表1所示。为简化计算,钢纤维与再生混凝土及钢筋与再生混凝土之间采用嵌入约束(embedded region)条件。

表1 模型各细观组分材料力学参数及几何参数Table 1 Mechanical parameters and geometric parameters of each meso-component material of the model

1.3 数值模型验证

参考文献[25]的试验,建立SFRAC梁剪切加载数值模型,共2组构件,分别为L1,L2,其中L1梁的钢纤维体积分数为0,纵筋配筋率为1.78%;L2梁的钢纤维体积分数为1%,纵筋配筋率为1.78%。再生骨料取代率为50%。构件截面尺寸及其配筋如图4所示。

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

试验与模拟破坏模式对比如图5所示(“DAMAGET”代表混凝土的拉伸损伤,“0”代表无损伤,“1”代表最大损伤。)。试验与模拟荷载-位移曲线对比如图6所示。由图5可知,L1和L2均发生剪切破坏,模拟结果与试验结果一致。由图6可知,模拟和试验结果吻合良好,在加载后期,试验因保护加载装置停止加载,未记录到下降段。L1梁极限荷载试验值为248.52kN,模拟值为247.3kN;L2梁极限荷载试验值为270.17kN,模拟值为271.4kN,模拟值和试验值误差小于1%。综上,验证了三维细观数值模拟方法的准确性和合理性。

图5 试验与模拟破坏模式对比Fig.5 Comparison of experimental and simulated damage patterns

图6 试验与模拟荷载-位移曲线对比Fig.6 Comparison of test and simulated load-displacement curves

2 结果与分析

分别建立钢纤维体积分数为0%,0.5%,1%,1.5%和2%的SFRAC梁剪切加载数值模型,探究钢纤维掺量对SFRAC梁剪切性能的影响。试件截面尺寸为100mm×200mm×1 500mm,纵筋配筋率均为1.5%,构件配筋情况及加载如图7所示。再生骨料取代率为50%。

图7 构件配筋情况及加载示意Fig.7 The reinforcement of the member and the loading diagram

2.1 破坏模式及荷载-位移曲线

不同钢纤维掺量下的SFRAC梁破坏模式如图8所示。由图8可知,低钢纤维掺量下的SFRAC梁呈剪切破坏模式,随着钢纤维掺量的提高,逐渐向弯曲破坏转变,梁跨中破坏变严重。细观模型中钢纤维的破坏如图9所示。图中“S.Mises”为mises应力,钢纤维的抗拉强度1 000MPa。由图9可知,钢纤维主要在试件剪切斜裂缝及弯曲裂缝位置发生作用。钢纤维体积分数为1.5%和2.0%的试件,钢纤维达到抗拉强度的数量越少,说明钢纤维掺量较大时,钢纤维的材料性能未能得到充分发挥。

图8 不同钢纤维掺量下的SFRAC梁破坏模式Fig.8 Damage pattern of SFRAC beam with different steel fiber admixture

图9 钢纤维破坏Fig.9 Steel fiber damage

不同钢纤维掺量下的SFRAC梁荷载-位移曲线如图10所示。由图10可知,在加载初期,不同钢纤维掺量下的SFRAC梁荷载-位移曲线基本重合,说明钢纤维的加入不影响再生混凝土的初始刚度,钢纤维在混凝土开裂后才发挥作用。钢纤维体积分数为0,0.5%,1%,1.5%,2%的试件峰值荷载分别为209.2,237.4,256.6,249.1,237.2kN。体积分数<1% 时,抗剪承载力随体积分数的增加而增加;体积分数>1%时,抗剪承载力反而下降,这是由于钢纤维掺量较大,未能充分发挥其材料性能,因此钢纤维掺量应在合理的范围内,过多将导致浪费。另外,钢纤维的掺入延缓了裂缝的发展,提高了试件的延性。体积分数为0的试件荷载-位移曲线下降段较直,说明再生混凝土破坏模式为脆性。加入纤维后,荷载-位移曲线下降段变缓,试件的延性提高。对于低体积分数的试件(体积分数为0.5%),在荷载达到峰值后,荷载-位移曲线出现短暂的水平段,这是试件内部承载力由混凝土转移到纤维的过程。

图10 不同钢纤维掺量下的SFRAC梁荷载-位移曲线Fig.10 Load-displacement curves of SFRAC beams with different steel fiber admixtures

2.2 纤维增强增韧机理

纤维增强增韧机理主要基于纤维间距理论建立[26]。纤维间距理论是在弹性和断裂力学基础上进行研究的,模型如图11所示。该理论认为纤维复合材料和纤维间距密切相关,且将复合材料的破坏视为内部初始缺陷在外力下产生应力集中所导致的[26],若想增强复合材料的韧性,则需改善其内部缺陷。在材料内掺入纤维,当其内部产生的裂缝长度小于s时,纤维会约束裂缝的发展,致使其只能在材料内部产生无影响的狭小空腔。

图11 纤维间距理论模型Fig.11 Theoretical model of fiber spacing

钢纤维再生混凝土在受力过程中,先由基体承受外力,随着外力逐渐增大至基体抗拉强度极限值时,基体出现裂缝,纤维横跨裂缝开始受力,从而抑制裂缝的持续发展。

钢纤维对再生混凝土抗裂性能的提升主要体现在两个方面:①混凝土硬化收缩时,纤维的存在抑制了其收缩变形,从而可减少因收缩产生的裂缝;②受到外载基体开裂时,纤维充当“连接筋”的作用,从而可抑制裂缝的开展,提升再生混凝土的韧性和承载力。

2.3 抗剪承载力变化规律

对于四点弯曲加载,试件抗剪强度计算公式为:

V=F/2bh0

(1)

式中:V为抗剪强度;F为抗剪承载力;b为梁横截面宽度;h0为梁横截面有效高度。

计算得钢纤维体积分数0,0.5%,1%,1.5%和2%的试件抗剪强度分别为5.23,5.94,6.42,6.23,5.93MPa,如图12所示。由图12可知,随着钢纤维体积分数的增加,SFRAC梁抗剪强度呈先增加后降低的趋势。对数据点进行多项式拟合,得到抗剪强度V与钢纤维体积分数ρ的关系近似为二次函数:

图12 试件抗剪强度模拟值Fig.12 Simulated values of shear strength of specimen

V=-0.769ρ2+1.875ρ+5.23

(2)

根据拟合得到的抗剪强度V与钢纤维体积分数ρ的关系式,计算得,当ρ=1.22%时,抗剪强度V达到最大。因此,基于模拟结果,暂确定SFRAC梁钢纤维的合理掺量范围为0.5%～1.2%。

3 结语

1) 再生混凝土抗剪破坏具有脆性,钢纤维的掺入延缓了裂缝的发展,提高了试件的承载力和延性。

2) 钢纤维对再生混凝土抗裂性能的提升主要体现在两个方面:①混凝土硬化收缩时,纤维的存在抑制了其收缩变形,从而可减少因收缩产生的裂缝;②受外载基体开裂时,纤维充当“连接筋”的作用,从而可抑制裂缝的开展,提升再生混凝土的韧性和承载力。

3) 钢纤维的掺入不会持续提升SFRAC梁的抗剪承载力,抗剪强度V与钢纤维体积分数ρ的关系近似为二次函数,根据模拟结果,暂给出钢纤维的合理掺量范围为0.5%～1.2%。