纤维混凝土模型的建模方法与力学性能分析

邵海林 胡宇祥 李娜 殷飞 彭军志

摘 要：本文研究利用COMSOL（COMSOL Multiphysics）多物理场仿真软件，提出纤维混凝土灌溉渠道参数化建模与仿真方法，并开展了抗压强度、冻胀实验。该方法提高了纤维混凝土灌溉渠道设计的质量，基于参数化建模能准确、快速修改混凝土中纤维、保温颗粒掺量的相关参数，提高渠道设计的效率，为同类型灌溉渠道高质量设计和分析提供借鉴作用。

关键词：纤维混凝土；聚合物纤维；力学性能

聚合物纤维是一种现代化合成高强度束状材料，在高标准农田建设中，加入聚合物纤维的灌溉渠道混凝土，可有效地控制混凝土收缩、干缩、温度变化等因素引起的微裂缝，防止及抑制裂缝的形成及发展，降低渠道渗漏的实际损失率，在一定程度上延长工程寿命，提高灌溉渠道的实际经济效益［1］。然而，纤维混凝土的骨料投放量、试件密实度、纤维长度、分散性等参数对灌溉渠道抗裂性能影响较大，确定合理的参数就显得尤为重要［2］。传统的方法是通过正交试验设计，进行数据分析后得到的优选结果。但是若要获得满意的实验数据，则需要通过开展正交试验等，且实验费用巨大，工作强度高。因此，需要一种纤维混凝土渠道参数化建模方法，用于仿真研究［3］。

近年来，相关学者对保温纤维混凝土开展了广泛研究，任佳妮等选用六种不同钢纤维掺量对C30保温混凝土进行抗压强度试验，结果表明，当参杂单一钢纤维时，保温混凝土抗压强度也随着增加，但是效果并不明显［4］；张静等将ABS发泡作为细骨料准备塑料混凝土，并对其保温性能进行了研究，结果表明，保温混凝土热导率低，保温性能较好，能够应用于保温结构［5］；史绘洲研究了不同EPS改性方法对混凝土保温性能的影响，结果表明，聚苯乙烯泡沫添加量为5%时，能够显著提升塑料混凝土保温性能［6］；刘军等并通过ABAQUS有限元软件进行建模，分析了不同保温材料的热工性能并与试验测试值进行对比，结果表明采用数值模拟计算要比传统理论方法更为简便和准确［7］；刘鸽等在煤矸石保温混凝土中分别掺入不同比例的聚丙烯纤维，进行了抗压强度试验，并建立了煤矸石保温混凝土的抗压强度预测模型［8］；杨飞等设计了不同EPS体积掺量的混凝土，进行了抗压、保温性能测试，建立了数学模型，能够模拟在实际使用状态下不同EPS掺量混凝土对温度的调节情况。

为解决上述问题，本文利用COMSOL（COMSOL Multiphysics）多物理场仿真计算软件，提出纤维保温混凝土参数化建模与仿真方法。该方法提高了纤维混凝土设计的质量、其快速化建模方法，不但能够提高保温混凝土设计的效率，为该类型混凝土应用到灌溉渠道工程提供借鉴作用。

1 试验方案

改性EPS新型保温混凝土，为灌区灌溉渠道施工新材料。能够提高基土温度、减小渠道地基冻深和冻胀量，进一步提高混凝土渠道防冻胀效果与工程使用寿命的目的，进而提高混凝土灌溉渠道的保温性和抗冻性。研发自保温混凝土，通过添加聚乙烯醇纤维保温材料、EPS颗粒，提高混凝土保温性能，通过添加聚乙烯醇纤维，提高混凝土抗拉力学性能。该新型材料，通过在混凝土中添加不同物理性状的保温、纤维材料，在混凝土的保温性与抗冻性之间寻求一个平衡点，以适用于灌溉渠道冬季运行要求。在节约水利工程材料和保存、利用水资源具有重要意义。

本研究采用聚乙烯醇纤维和EPS颗粒作为对象对混凝土进行研究，制作改性EPS新型保温混凝土试样，开展抗压强度试验、抗折试验和冻融循环试验等，分析不同聚乙烯醇纤维长度和掺量的条件下抗压强度、劈裂抗拉强度、导热系数和抗冻性的变化规律及其破坏特征，研究结果可为寒地灌区的中、小型渠道的设计提供理论依据。

1.1 试验材料

试验采用材料主要包括聚乙烯醇纤维、EPS颗粒和普通硅酸盐水泥。聚乙烯醇纤維是一种具有高弹性模量聚合纤维材料，与水泥界面黏结强度高，密度为1.2g/cm3，直径20μm，抗拉强度高能够达到1000MPa，延伸率最大可以达到9%。EPS颗粒选用粒径为3～5mm，表观密度为20kg/m3的颗粒。普通硅酸盐水泥是胶凝材料，使用密度为2.21g/cm3，平均粒径为0.2μm，比表面积为21m2/g的硅灰和密度为2.21g/cm3，比表面积为325m2/kg的Ⅰ级粉煤灰作为掺合料。

1.2 仿真建模与配比设计

EPS混凝土配合比见下表，EPS体积掺量分别为最大不超过沙子体积的30%，聚乙烯醇纤维长度选取2～8mm，掺量为0～1.5%，建立comsol模型，进行仿真以及抗压试验。

1.3 试验方法

依据（SL/T 352—2020）《水工混凝土试验规程》进行相关力学性能试验、抗冻性试验。在力学性能试验中，混凝土立方体所用试块尺寸为150mm×150mm×150mm。

2 试验结果及分析

2.1 改性EPS新型保温混凝土立方体抗压强度的影响

对于其他条件等量的改性EPS新型保温混凝土而言，设置仿真参数，在掺入聚乙烯醇纤维长度分别为2mm、4mm、6mm和8mm的条件下，掺量为0.5%、1.0%、1.5%进行仿真抗压强度试验。在计算过程中发现，纤维长度分别为4mm、6mm时，混凝土抗压强度增量明显，新型保温混凝土各最大抗压强度与基准抗压强度（短纤维掺量为0%）相比达到32%、48%。据此可知，对改性EPS新型保温混凝土而言，掺入聚乙烯醇纤维的最优长度和掺量分别为6mm和0.4%。

2.2 改性EPS新型保温混凝土保温试验

混凝土中因掺入EPS颗粒，导热系数低，保温性能好。由图2可见，适量分布的EPS颗粒填充到混凝土内部，从而密实度提高，热量传递速率减小，温度传递困难。但是掺量过大时，EPS颗粒和易性差，团聚不能均匀分散，在混凝土内部形成孔洞等宏观缺陷，对混凝土整体导热性有影响。

2.3 改性EPS新型保温混凝土抗冻性试验

依据（GB/T 50600—2010）《渠道防渗工程技术规范》设计中、小型渠道，混凝土的抗冻等级应满足小型达到冻融循环次数50次，中型达到冻融循环次数100次。严寒和寒冷地区的冬季过水渠道，抗冻等级应较规范中所列数值提高一级。吉林属于严寒地区，因此，小型冻融循环次数应达100次。

随着冻融循环次数的增加，不同掺量的保温混凝土试件均出现了不同程度的质量损失。纤维体在冻融过程中起到了抗裂作用，当聚乙烯醇纤维掺量为1％时，试件质量损失最小。当冻融循环达到50次时，质量损失仍然较低，小于0.8％，可见适当掺量的聚乙烯醇纤维在混凝土随机分布，使混凝土各相胶结在一起不易脱落，增大了混凝土结构密实度，有效缓解保温混凝土因冻融循环造成的质量损失。

3 保温效果实验

为验证该混凝土的保温效果，制作U型混凝土衬砌渠道，开展室内冻胀实验。本实验设计的技术装备由最外部的模型箱、内部的制冷系统和数据采集系统三部分组成，其实体如设计图3所示。

由于本试验所采用的传感器较多，采用多个温度拓展数据线来增多模拟输出传感器的数量，主要负责采集温度、含水率及位移三种数据。位移测量系统由三个采集器组成，分别测量了三个法向量在模拟设定下不同方位的变化程度，有效呈现位移变化之间影响因素。模型箱是长、宽、高均为5m的正方体，根据实验要求，四周不能漏水、保持温度，箱底安放硅胶干燥剂，在箱体顶部、底部及四周铺设两层聚氨酯发泡剂密封，以防止数据采集系统受潮湿空气的影响，方便内部设置其他系统，保证其顺利完成实验，确保数据精准。内部的制冷系统包括控制箱组成有压缩机、数控面板和风扇，数控面板用来控制降温速率，冷气通过风扇进入模型箱中，从而对模型箱中空气温度进行控制，实验过程中设置温度为-35℃。

通过1个月的冻胀实验，渠道基础土体降温缓慢，最大冻深仅有30cm，且土体冻胀位移满足规范要求。

4 结论

（1）随着纤维掺量的增大，混凝土试件的抗压强度、抗冻性能均有所提升，适宜掺量在1%。

（2）EPS掺量对混凝土的保温效果影响显著，但是掺量越大，抗冻效果越差。

（3）建立了保温混凝土数学模型，能够实现抗压强度模拟，也为研究混凝土冻胀打好了基础。

参考文献：

［1］宋浩亮.聚合物纖维混凝土在水库灌区渠道防渗中的应用研究［J］.水利水电技术，2016，47（11）：6164.

［2］任志刚，徐彬，程书怀.混杂纤维混凝土二维随机建模方法［J］.武汉理工大学学报，2015，37（04）：5358.

［3］胡宇祥，彭军志，殷飞，等.基于MATLAB与COMSOL联合仿真的梯形迷宫滴头流道优化［J］.农业工程学报，2020，36（22）：158164.

［4］任佳妮，许家文.钢纤维保温混凝土抗压和抗拉性能试验研究［J］.混凝土与水泥制品，2014.

［5］张静，商哲，莫玉华.发泡剂对ABS塑料混凝土力学性能及保温性能的影响［J］.塑料科技，2021.

［6］史绘洲.不同改性方法对塑料混凝土力学性能及保温性能的影响［J］.塑料科技，2022.

［7］刘军，孙晨，赵硕，等.再生骨料混凝土复合保温砌块的热工性能模拟［J］.混凝土，2022.

［8］李宇鹏.聚丙烯纤维煤矸石保温混凝土的基本力学性能试验研究［D］.太原理工大学，2020.

基金项目：长春市2021年度重点研发计划关键技术公关专项（21ZGN25）

*通讯作者：邵海林（1988— ），男，吉林长春人，本科，工程师，研究方向：节水灌溉。