不同纖維含量的混凝土材料力學(xué)特性研究

馬寶華

(甘肅省民樂縣水務(wù)局 張掖 734500)

0 引言

近年來，隨著水利工程等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對水利工程材料性能的要求越來越高，尤其在輕質(zhì)量和高強度這兩個方面最為突出，因此越來越多的纖維復(fù)合材料被研發(fā)與應(yīng)用。 楊雨山等[1]研究表明，在抗折強度方面，玄武巖纖維比聚丙烯纖維表現(xiàn)好，而碳纖維的表現(xiàn)最好。韓珀[2]研究發(fā)現(xiàn)，聚乙烯醇纖維的抗彎性能比聚丙烯纖維要好，同時纖維摻量對混凝土力學(xué)性能也有所影響。蔡娜[3]研究表明，聚丙烯纖維摻量1.2%～1.6%時，抗壓強度有所下降。方圣恩等[4]研究表明，當(dāng)玻璃纖維摻量0%～20%時，隨摻量增加混凝土抗壓強度呈上升趨勢，當(dāng)摻量超20%時強度下降。李坤[5]研究表明，混凝土抗壓、抗折強度隨玄武巖纖維摻量的增加而增加。許多研究表明，纖維種類、摻量及其分散性均會影響混凝土的力學(xué)性能。為進一步分析纖維混凝土的力學(xué)性能，采用數(shù)值模擬的方法進行研究。由于數(shù)值方法相對于試驗而言，能極大地節(jié)約成本以及模擬更加復(fù)雜的情況。因此，基于前人的相關(guān)研究，本文通過有限元方法，對不同碳纖維摻量下混凝土抗壓和抗折性能進行研究。

1 試驗內(nèi)容

通過有限元軟件中Material的材料設(shè)計功能，對無摻量的水工混凝土、1%碳纖維的水工復(fù)合混凝土、2%碳纖維的復(fù)合混凝土通過Materials中的性能分析功能，確定其基本物理性質(zhì)，通過加高強度纖維材料提升材料特性來實現(xiàn)纖維混凝土的模擬[6]。材料物性參數(shù)如表1所示。

表1 材料物性參數(shù)

通過對不同摻量的混凝土進行合成，可以發(fā)現(xiàn)：隨著碳纖維含量的增加,彈性模量會發(fā)生較大變化;由于碳纖維密度較小，整體的密度呈現(xiàn)下降趨勢;泊松比和剪切模量變化較小。

圖1 碳纖維復(fù)合混凝土

2 有限元數(shù)值模擬分析

計算機模擬技術(shù)在材料設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，在試驗相對麻煩且成本較高的情況下，采用數(shù)值模擬分析，可以提高試驗的成功率。數(shù)值模擬主要是利用一組控制方程(代數(shù)或微分方程)來描述一個過程的基本參數(shù)變化關(guān)系，采用數(shù)值計算的方法求解,以獲得該過程(或一個過程的某一方面)的定量認(rèn)識,及對過程進行動態(tài)模擬分析,在此基礎(chǔ)上判斷工藝或方案的優(yōu)劣、預(yù)測缺陷、優(yōu)化工藝等。數(shù)值模擬的基本特點是將微分方程邊值問題的求解域進行離散化,在邊界上滿足邊界條件解析解的要求變?yōu)榍笤诮o定的離散點(節(jié)點)上滿足由場方程和邊界條件所導(dǎo)出的一組代數(shù)方程的數(shù)值解。

2.1 基于有限元的抗壓數(shù)值分析

將有限元Materials合成的復(fù)合混凝土設(shè)計150mm×150mm×150mm的標(biāo)準(zhǔn)試件進行抗壓強度分析，試件底面進行固定，對試件中的點進行監(jiān)測，如圖2所示。

圖2 試件監(jiān)測點

本試驗采用瞬態(tài)動力學(xué)設(shè)計能便于觀測各監(jiān)測點在受力過程中應(yīng)變的變化情況。

試驗設(shè)計：對頂面施加0.2MPa的壓力持續(xù)100s，并滿足網(wǎng)格無關(guān)性要求。

圖3為試件在抗壓試驗過程中的應(yīng)變情況，可以發(fā)現(xiàn)，試件在固定面的四個頂點處應(yīng)變最大。

圖3 試件抗壓應(yīng)變云圖

為了研究不同纖維摻量對混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響，通過對不加纖維和纖維含量1%、2%時的碳纖維混凝土試件進行分析，同時對監(jiān)測點應(yīng)力應(yīng)變曲線進行觀測，如圖4所示。

圖4 抗壓強度試驗1%摻量下監(jiān)測點應(yīng)力應(yīng)變曲線與同一監(jiān)測點不同摻量的應(yīng)力應(yīng)變曲線

通過同一試件不同監(jiān)測點的應(yīng)力應(yīng)變曲線和不同材料同一監(jiān)測點的應(yīng)力應(yīng)變曲線，可以發(fā)現(xiàn)：同一種材料的各個監(jiān)測點盡管受力情況有所不同，但其應(yīng)力應(yīng)變曲線基本相同，摻入纖維和不加纖維的情況相比，加入纖維之后的抗壓強度明顯增強，但是1%和2%纖維摻量下并沒有明顯的變化。因此對于纖維混凝土應(yīng)合理控制纖維摻量，以防止在滿足抗壓強度的條件下造成不必要的材料浪費。

2.2 基于有限元的抗折強度試驗分析

在瞬態(tài)動力學(xué)試驗過程中采用150mm×150mm×550mm的試件，一端固定約束另一端施加0.2MPa壓力，持續(xù)施加100s。試驗滿足網(wǎng)格無關(guān)性的要求，在其中選取兩個監(jiān)測點如圖5所示，得到如圖6的抗折應(yīng)變云圖。

圖5 抗折試驗網(wǎng)格以及監(jiān)測點

圖6 抗折試驗應(yīng)變云圖

由圖6可知：中部應(yīng)變較小兩邊應(yīng)變比較大，為了進一步了解持續(xù)壓力作用下不同摻量試件的變化情況，對試件中a、b進行應(yīng)力應(yīng)變曲線監(jiān)測，如圖7所示。

由圖7可知：同一試件各監(jiān)測點受到的應(yīng)力可能不同，但其應(yīng)力應(yīng)變曲線基本相同，同時對不同摻量的混凝土選取同一監(jiān)測點進行分析，可以發(fā)現(xiàn)不同纖維摻量下的混凝土試件在抗折性能方面變化不明顯。

圖7 抗折試驗1%摻量下監(jiān)測點應(yīng)力應(yīng)變曲線與同一監(jiān)測點不同摻量的應(yīng)力應(yīng)變曲線

3 討論

研究發(fā)現(xiàn)不同纖維摻量下的混凝土呈現(xiàn)出不同的力學(xué)特性，但力學(xué)性能并未因纖維含量的不同呈現(xiàn)出相關(guān)性。同時，在抗折強度方面并沒有呈現(xiàn)出增強作用，這基本上與李京軍和王建超[7-9]研究結(jié)果相似，主要是混凝土自身結(jié)構(gòu)原因。在復(fù)合力學(xué)理論中,碳纖維混凝土被看作是一種纖維強化作用體系。碳纖維混凝土的應(yīng)力、彈性模量和強度是根據(jù)混合原理推算得出的。根據(jù)纖維在纖維基體中的分布與取向引入纖維方向系數(shù),正確選擇纖維方向系數(shù)是決定纖維增強效果的主要因素之一。在纖維間距理論中,是根據(jù)線彈性斷裂力學(xué)原理來解釋纖維對混凝土裂縫的產(chǎn)生或抑制作用的。混凝土是一種脆性材料,因此要想增強其抗折、抗壓、抗拉等力學(xué)性能應(yīng)從纖維分布方向入手,多方向加入碳纖維后使纖維與混凝土裂縫兩邊之間的黏應(yīng)力對混凝土裂縫的擴展有抑制作用，從而增加其力學(xué)性能。

因此，研究混凝土纖維摻量的變化規(guī)律，有利于認(rèn)識纖維對混凝土力學(xué)性能的增強機理，有助于對試驗過程進行預(yù)測。研究中由于采用有限元理論進行數(shù)值模擬及分析，因此不能深入了解界面處的力學(xué)性能變化，因此后續(xù)考慮通過離散元軟件建立纖維混凝土模型，借助MUC動力學(xué)插件進行三軸試驗?zāi)M，從而更好地了解纖維混凝土的力學(xué)性能變化。

4 結(jié)語

本文通過對不同纖維含量下混凝土的抗壓試驗和抗折試驗進行分析，可以得到以下結(jié)論：

(1)加入纖維之后混凝土的抗壓性能呈現(xiàn)增強效果，但隨著纖維含量的增加并沒有更好的效果出現(xiàn)，因此混凝土中加入纖維會出現(xiàn)峰值的情況。

(2)加入纖維之后的混凝土試件與無纖維混凝土試件的抗折性能要求相同，因此碳纖維并不能增強混凝土的抗折性能。

(3)為了分析纖維混凝土力學(xué)性能的增強機理，應(yīng)考慮纖維分布方向以及采用離散元方法開展進一步研究。