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钢纤维再生混凝土轴压强度与损伤分析

2022-01-01吉云鹏陈宇良覃贝录

广西科技大学学报 2022年1期
关键词:强度

吉云鹏 陈宇良 覃贝录

摘 要:为研究钢纤维再生混凝土单轴受压状态下的强度、耗能及损伤演化机理,以再生骨料取代率(γ)及钢纤维体积掺量(V)为试验参数,对24个钢纤维再生混凝土试件进行单轴受压试验。通过分析钢纤维掺量及再生骨料取代率对再生混凝土强度的影响,揭示了钢纤维再生混凝土的损伤演化机理。结果表明:随着钢纤维掺量增大,破坏形态由竖向劈裂破坏转化为斜向劈裂破坏,应力-应变曲线下降段逐渐平缓,残余强度与耗能逐渐提高;随着取代率增大,混凝土强度先增大后减小;当取代率为50%时,SFRAC的强度与耗能均达到峰值,损伤发展速率最慢;钢纤维可有效延缓再生混凝土的损伤发展。

关键词:钢纤维再生混凝土;强度;能量耗散;损伤变量

中图分类号:TU528.58         DOI:10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2022.01.004

0    引言

再生混凝土(recycled aggregate concrete,RAC)作为一种绿色环保的建筑材料,具有良好的应用前景,长期以来国内外学者对其展开了广泛的研究[1-4]。由于再生骨料在破碎时,不可避免地携带有微裂缝与老砂浆,与普通混凝土相比,再生混凝土力学性能略有降低[5-7]。而在混凝土中掺入钢纤维,可以在一定程度上改善混凝土的力学性能[8-10],因此,研究钢纤维对再生混凝土力学性能的改善作用有利于再生混凝土的应用和推广。

目前,已有许多学者就钢纤维再生混凝土的力学性能展开了相关研究。高丹盈等[11]研究了水胶比、再生骨料取代率和钢纤维掺量对再生混凝土轴压性能的影响,建立了钢纤维再生混凝土的轴压本构模型。周聪等[12]对钢纤维再生混凝土的抗冲击性能进行了研究,并在试验基础上建立了该类混凝土落锤冲击作用下的三维有限元分析模型。苏捷等[13]研究了取代率和钢纤维掺量对再生混凝土抗折强度及尺寸效应的影响,提出了钢纤维再生混凝土抗折强度尺寸效应计算公式。罗素蓉等[14]通过研究钢纤维、钢-聚乙烯醇混杂纤维对高强再生骨料混凝土断裂性能的影响,给出了钢-聚乙烯醇纤维的最佳混杂掺量。张丽娟等[15]通过双面剪切试验,对钢纤维再生混凝土的抗剪性能展开了研究。

综上所述,现有研究多集中于钢纤维再生混凝土的各项力学性能,而关于钢纤维再生混凝土能量耗散的相关研究尚少,且未能揭示钢纤维再生混凝土的损伤演化规律及损伤机理。 能量耗散与损伤机理作为衡量混凝土结构可靠性及分析结构失稳机制的材性基础,对其开展研究对钢纤维再生混凝土的推广和应用具有重要意义。因此,本文拟开展钢纤维再生混凝土的单轴受压试验,分析钢纤维掺量及取代率对钢纤维再生混凝土强度和能量耗散的影响,揭示钢纤维再生混凝土的损伤演化机理,以期为该类混凝土的工程应用提供借鉴。

1    试验概况

1.1   试验材料

外掺纤维为波纹型钢纤维(SF),其基本物理指标如表1所示;再生粗骨料由廢弃混凝土梁破碎后制得,天然骨料为普通碎石,2种骨料级配连续,物理性质详见表2;细骨料为普通河砂;水泥为P∙O42.5普通硅酸盐水泥;拌合水为自来水。

1.2   试件设计与制作

1.2.1   配合比设计

普通混凝土目标强度为C35,其配合比如表3所示。设计再生混凝土配合比时,其胶凝材料、细骨料与普通混凝土的用量一致,再生骨料根据取代率大小等质量替代天然骨料,考虑到再生骨料吸水率高的特性,根据再生骨料与普通碎石之间吸水率及含水率的差异适量添加附加用水。

1.2.2   试件设计与制作

试验选取0、30%、50%、70%、100%等5种再生骨料取代率[in(n=1, 2, …, 5)]和0、0.5%、1.0%、1.5%等4种钢纤维体积掺量[jm(m=1, 2, 3, 4)],制作了8组圆柱体试件,其直径[d] =100 mm,高度   [h]=200 mm。试件每组3个,合计24个。试件编号采用SF-in-jm表示,例如:SF-i5-j3表示取代率为100%、钢纤维掺量为1.0%的试件。

使用强制式混凝土搅拌机,为检测钢纤维的分散效果,在混凝土浇筑后,分散抽取3个钢纤维体积掺量理论值为1.0%的试件,在混凝土初凝之前于试模中取出混凝土并盛于筛网中,用流动清水冲洗掉水泥,挑出钢纤维,再次清洗并风干称重,所得钢纤维的体积掺量如表4所示。

1.3   单轴受压试验

试件加载前先用水泥净浆对试件进行抹平,抹平厚度约为2 mm,待水泥净浆结硬后,用水平尺检测试件是否平整。试件在中科院武汉岩土力学研究所自主研发的RMT-301试验机(图1)上完成加载。正式加载前为减小抹平层与加载面之间的孔隙对试验结果产生的影响,先对试件进行预压,即力控加载至峰值荷载的20%左右后卸载,重复3次。试件正式加载时,为避免钢纤维再生混凝土(steel fiber recycled aggregate concrete,SFRAC)试件在受压破坏时急剧变形,导致应力-应变曲线下降段不完整,所以加载速率采用0.02 mm/s的位控加载,待试件破坏后停止试验。

2   试验结果

2.1   破坏形态

图2(a)—图2(e)依次列出了5种再生骨料取代率试件的破坏形态。如图所示,再生骨料取代率对试件的破坏形态影响较小,在钢纤维的影响下,5种取代率对应试件的破坏形态均为斜向劈裂破坏。图2(e)—图2(h)列出了4种钢纤维掺量对应试件的破坏形态,由图可知,随着钢纤维掺量增大,破坏形态由竖向劈裂破坏转变为斜向劈裂破坏。钢纤维掺量对破坏形态的影响主要体现在裂缝发展方向、主裂缝宽度和试件加载结束后的完整性等方面。具体表现为:当钢纤维掺量为0时,试件处于单轴受压状态,由于试件在水平方向上仅上下接触面受到摩擦约束力,所以破坏裂缝竖向发展并贯通试件,导致试件发生竖向劈裂破坏。在加载过程中,混凝土表层剥落严重,加载结束后,试件通常分裂为多个碎块。当钢纤维掺量为0.5%时,钢纤维在试件内部相互搭接形成纤维骨架,当试件承压时,纤维骨架可以对试件内部的混凝土产生横向约束力,导致试件内部的水平应力发生倾斜,所以试件的破坏主裂缝开始略微倾斜。此时,试件在加载过程中表观混凝土的剥落面积减小,在加载结束后保持裂而不碎的状态。当钢纤维掺量为1.0%~1.5%时,由于纤维骨架的约束力得到加强,所以破坏主裂缝的倾斜角度进一步增大,并最终保持在20°~30°,导致试件发生斜向劈裂破坏。此外,随着钢纤维掺量增大,破坏主裂缝的宽度略微减小,且主裂缝周围的微裂缝开始增多,表明增大钢纤维掺量后,其对试件破坏主裂缝的限制效果得到增强。

2.2   应力-应变曲线

图3(a)为相同钢纤维掺量、不同取代率下的应力([σ])-应变([ε])曲线对比。各取代率下应力-应变曲线的上升段基本重合,下降段因取代率不同存在较大差异,表现为0取代率对应曲线的下降段与其他取代率相比更为缓和。这是因为在峰值荷载前,试件的轴向变形及其内部的损伤积累较少,所以取代率对应力-应变曲线的影响较小;在峰值荷载之后,试件内部裂缝在加速发展时更容易穿过强度偏低的再生骨料,所以掺有再生骨料的试件,其应力-应变曲线的下降段更为陡峭。

图3(b)为相同取代率、不同钢纤维掺量试件的应力-应变曲线对比。纤维掺量对应力-应变曲线的上升段影响较小,钢纤维掺量增大后,应力-应变曲线的下降段逐渐平缓,残余强度逐渐提高。这是因为在应力-应变曲线的峰值点之前,试件内部的裂缝数量较少且裂缝宽度较小,导致钢纤维未能充分发挥阻裂作用,所以该阶段应力-应变曲线受钢纤维掺量的影响较小。而在峰值点之后,随着试件的轴向变形加大,试件内部裂缝逐渐增多,且裂缝宽度加大,当裂缝经过钢纤维时,钢纤维会拉结裂缝两侧的混凝土,延缓混凝土强度的衰减速度,所以纤维掺量增大后,应力-应变曲线的下降段逐渐平缓。

3    影响因素与分析

3.1   强度分析

3.1.1   取代率对强度的影响

图4为强度(峰值应力[σv])与再生骨料取代率([γ])的关系。SFRAC的强度随取代率增大先增大后减小,并在取代率为50%时达到峰值,此时较取代率为0时提高了约11.0%。这是由于再生骨料在破碎后不可避免地携带有微裂缝与老砂浆,导致再生骨料内部及其周围容易形成薄弱区,对试件的强度产生负面影响。但再生骨料自身的一些特性也会对混凝土强度产生积极影响,主要原因有两个方面:①由于再生骨料具有高吸水率的特性,其在混凝土浇筑后含有更多的水分,在水泥凝结硬化的过程中,再生骨料内部的水分可以反哺于骨料周围的水泥基,增强骨料周围水泥砂浆的强度;②再生骨料在破碎的过程中会产生较多棱角,导致其与水泥砂浆之间更容易咬合。当取代率为0~50%时,再生骨料的正面影响大于负面影响,再生混凝土的强度逐渐升高;当取代率大于50%后,再生骨料的    负面影响开始占据主导,再生混凝土的强度逐渐  降低。

3.1.2   钢纤维掺量对强度的影响

图5为不同钢纤维掺量下SFRAC的强度(峰值应力[σv])对比。当钢纤维掺量为0、0.5%和1.5%时,SFRAC的强度略有波动,但整体变化较小。这是因为钢纤维在试件内部主要发挥阻裂增韧的作用。如2.2所述,增大钢纤维掺量可以使应力-应变曲线的下降段更为平缓,但对应力-应变曲线的上升段影响较小,而峰值点作为应力-应变曲线上升段与下降段的分界点,钢纤维掺量对其影响较小。当钢纤维掺量为1.0%时,SFRAC的强度出现了较大幅度的降低,是因为该批试件在浇筑时钢纤维分散不均匀,导致钢纤维在试件内部结团并形成薄弱区,造成试件的强度降低。

3.2   能量耗散

选取应力-应变曲线的积分面积作为试件破坏时(试件应力降至峰值应力的85%)的耗能([Q]),其计算公式如下:

[Q=0εuσdε],                           (1)

式中:[εu]表示承载力降至0.85倍峰值应力时试件的纵向应变,[σ]表示试件的应力,[ε]表示试件的应变。

3.2.1   取代率对耗能的影响

图6为取代率与耗能之间的关系。当取代率([γ])由0增至70%时,耗能([Q])随取代率的变化趋势与峰值应力随取代率的变化趋势较为相似;在取代率为50%时,耗能达到峰值,并较0取代率时提高了约17.9%。其主要原因为峰值应力是决定耗能大小的关键因素之一。峰值应力越大,试件在破坏时需要消耗的能量越多;此外,当取代率由70%增至100%时,试件的耗能出现回升现象,则是因为100%取代率对应试件的变形较大,导致其应力-应变曲线的积分面积增大。

3.2.2   钢纤维掺量对耗能的影响

图7为钢纤维掺量与破坏耗能的关系。随钢纤维掺量增大,SFRAC的破坏耗能近乎呈线性增长。混凝土消耗能量的主要途径为混凝土各组分的变形及混凝土内部裂缝的发展,所以钢纤维掺量增大后耗能增长,一方面是由于钢纤维在试件内部形成的纤维骨架约束了混凝土的横向变形,导致混凝土因弹性和塑性变形而消耗的能量增加;另一方面,当钢纤维在限制混凝土内部裂缝发展时,钢纤维的拉伸和拔出会消耗能量,导致试件的耗能增加。

3.3   损伤曲线

为描述SFRAC试件的损伤演化过程,用损伤变量[D]表示试件的受损程度,[D]值介于0~1,[D] =0时表示试件处于无损伤状态;[D] =1时表示试件完全损坏。

[D=1-E∗E],                           (2)

式中:[E?]表示试件的割线模量,[E]表示应力-应变曲线上升段0.4倍峰值应力处的割线模量。

3.3.1   损伤全过程分析

图8为部分SFRAC试件的损伤全过程曲线。试件的损伤演化过程如下:加载初期,当应变区间为0~3.5×10-3时,试件尚处于弹性阶段,损伤变量D基本为0;当应变达到3.5×10-3~5.0×10-3附近时,试件内部的微裂缝逐渐发展,损伤变量开始缓慢增大,此时,试件表面出现少量微裂缝,试件开始进入弹塑性阶段;当纵向应变大于5.0×10-3后,损伤变量开始加速发展,损伤变量随纵向应变的增大近乎线性增长,此时试件内部的微裂缝逐渐发展并相互连通,试件表面的微裂缝演化为宏观裂缝;当纵向应变达到7.0×10-3左右时,多数试件的损伤度处于0.5~0.7,此时,试件基本被裂缝贯穿,承载力大幅降低。此后,由于试件内部积累的大量裂缝可为试件的轴向变形提供更多的变形空间,所以损伤变量随着纵向应变的增大,增速逐渐变缓。

3.3.2   损伤因素分析

SFRAC试件损伤发展如图8所示,图8(a)为相同钢纤维掺量、不同取代率下SFRAC试件的损伤发展曲线对比图。当再生骨料取代率由0增至50%时,SFRAC的损伤发展速率逐渐变缓(损伤发展曲线向后偏移);当再生骨料取代率由50%增至100%时,SFRAC的损伤发展速率又开始逐渐加快(损伤发展曲线向前偏移)。表明当再生骨料取代率为50%时,SFRAC的损伤发展速率最缓慢。结合3.1.1及3.2.1可知,当再生骨料取代率为50%时,SFRAC的强度与耗能均达到峰值,说明该取代率下再生骨料高吸水率及表面粗糙等特性对混凝土产生的积极影响最为显著,所以此时SFRAC的损伤发展速率也最为缓慢。

图8(b)为相同取代率、不同钢纤维掺量下SFRAC试件的损伤曲线对比图。随钢纤维掺量迅速增大,损伤开始发展,应变迅速增大,损伤曲线向后偏移。这是由于试件内部裂缝迅速发展(损伤变量迅速增大)时,钢纤维对裂缝两侧的混凝土产生了桥接作用,导致钢纤维在拉伸及拔出的过程中,裂缝处混凝土的强度提高,进而延缓了SFRAC的损伤发展。

4     结论

1)随着钢纤维掺量的增大,钢纤维再生混凝土的破坏形态由竖向劈裂破坏转变为斜向劈裂破坏。

2)钢纤维掺量对SFRAC的强度影响较小;钢纤维掺量增大后,应力-应变曲线的下降段逐渐平缓,残余强度与能量耗散逐渐增大。

3)取代率增大后,SFRAC的强度先增后降;峰值应力及耗能均在取代率为50%时达到峰值,并较0取代率时分别提高了11.0%和17.9%。

4)钢纤维可有效延缓SFRAC的损伤发展,且钢纤维掺量越大,SFRAC的損伤发展越缓慢;当取代率为50%时,SFRAC的损伤发展最缓慢。

参考文献

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Axial compressive strength and damage analysis of steel

fiber recycled concrete

JI Yunpeng, CHEN Yuliang*, QIN Beilu

(School of Civil Engineering and Architecture, Guangxi University of Science and Technology,

Liuzhou 545006, China)

Abstract: 24 cylinder specimens are tested by considering the replacement rate of recycled coarse       aggregate and the steel fiber content to test the mechanical properties and damage development of steel fiber recycled aggregate concrete under uniaxial compression. The damage evolution mechanism was revealed by analyzing the effects of recycled aggregate replacement rate and the steel fiber content on the recycled concrete strength. The results show that with the increase of steel fiber content, the failure pattern changes from vertical split failure to oblique split failure; the descending section of the       stress-strain curve gradually flattens; and the residual strength and energy consumption   increase   gradually. With the increase of replacement rate, the strength of concrete firstly increases and then      decreases. When the replacement rate of recycled coarse aggregate is 50%, both the strength and energy consumption of SFRAC reach the peak value, and the damage development rate is the slowest. Steel     fiber can restrain the damage development of recycled aggregate concrete.

Key words: steel fiber recycled aggregate concrete; strength; energy consumption; damage variable

(責任编辑:罗小芬)

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