废弃纤维再生混凝土的本构关系.pdf

2 0 1 3年 第 2 期 (总 第 2 8 0 期 ) Nu mb e r 2 i n 2 0 1 3 ( T o t a l No 2 8 0 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AL AND ADM I NI CL E d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 3 0 2 0 1 5 废弃纤维再生混凝土的本构关系 周静海 l a ，刘丹 伯 ，董健飞 ( 1 沈阳建筑大学 a 建筑节能研究院；b 土木工程学院，辽宁 沈阳 1 1 0 1 6 8 ；2 辽宁冶金基础工程研究院，辽宁 鞍山 i 1 4 0 0 0 ) 摘要： 为了研究废弃纤维体积掺量和长度、 再生骨料掺人量及水灰比对废弃纤维再生混凝土力学性能的影 响， 采用棱柱体试 件与刚性元件组合的方法 ， 测定了废弃纤维再生混凝土的应力一 应变全 曲线 。 试验表明 ： 废弃纤维可以明显提高再生混凝土的轴 心抗压强度。 废弃纤维再生混凝土的峰值应变随着水灰 比、 废弃纤维长度 、 废弃纤维体积掺量和再生骨料掺量的增加而增大 ； 峰 值应力随着水灰比和再生骨料掺入量的增加而减小。 当废弃纤维长度为 1 9 1 1 1 lI 1 、 体积掺量为0 1 6 g ， 轴心抗压强度相对于普通 再生混凝土的提高幅度最大。 废弃纤维再生混凝土的应力一 应变曲线分为上升段和下降段， 通过拟合相关参数， 提出了应力一 应变 全曲线方程用分段有理分式表达 ， 拟合结果与试验数据较吻合。 关键词 ： 废弃纤维再生混凝土 ；应力一 应变全 曲线 ；轴心抗压强度 ；峰值应变 中图分类号： T U5 2 8 0 4 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 0 2 0 0 5 4 0 5 Co n s t i t u t ive r e l a t i o n o f w a s t e f i b e r r e c y c l e d c on c r e t e ZHOUJ i n g - ha i l a L UDa n ， DONGJ i a n f e i ( 1 a De p a r t me n t o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y； b S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， S h e n y a n g J i a n z h uUn i v e r s i t y， S h e n y a n g1 1 0 1 6 8 ， Ch i n a ； 2 R e s e a r c h I n s t i t u t e o f L i a o n i n g Me t a l l u r g i c a l E n g i n e e r i n g ， A n s h a n 1 1 4 0 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： I t foc u s e d o n t h e d e t e r mi n a t i o n o f the s t r e s s f o r the wa s t e fi b e r r e c y c l e d c o n c r e t e - s t r a i n f u l 1 c u r v e t h e p u r p o s e o f wh i c h wa s t o s t u d y t h e v o l u me p a r a me t e r a n d t h e l e n g t h o f wa s t e r f i b e r s ， the i n c o r p o r a t i o n o f r e c y c l e d a g g r e g a t e ， a n d the e f f e c t o n t h e me c h an i c a l pr o p e r t y o f the c o n t r a s t o f the wa t e r c e me n t f o r the wa s t e fibe r r e c yc l e d c o nc r e t e a s we l l by me an s of t h e c o mbi n a t i o n o f p r i s m s pe c i me ns a nd r i g i d e l e me n t s Th e r e s u l t o f t he s t u d y s h o we d t ha t wa s t e fib e r c o u l d o b v i o us l y i mp r o v e t h e a x i s c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f r e c y c l e d c o n c r e t e The p e a k s tra i n o f wa s t e fibe r r e c y c l e d c o n c r e t e i n c r e a s e d wi t h t h e i n c r e a s e o f the wa t e r c e me n t r a t i o， t h e wa s t e fi be r l e n g t h， the wa s t e fi be r v o l ume p a r a me t e r ， a n d the i n c o rpo r a t i o n o f r e c y c l e d a g gre g a t e M e anwh i l e， the pe ak s t r e s s d e c r e a s e d wi t h t h e i n c r e a s e o f t he wa t e r c e me n t r a t i o a nd t he r e c y c l e d a g g r e ga t e W h e n t h e wa s t e f i be r l e ng t h wa s 1 9 mm an d v o l um e p ara me t e r wa s 0 1 6 t he a xi a l c o rn p r e s s i v e s tre n g t h g o t t o t h e ma x i ma l i n c r e a s e r e l a t e d t o t h e n o r ma l r e c y c l e d c o n c r e t e T h e s t r e s s for t h e wa s t e fi b e r r e c y c l e d c o n c r e t e s t r a i n ful l c u r v e wa s di v i de d i n t o a s c e n di n g a n d d e s c e n di n g s e g me n t By fit t i ng s o me r e l a t e d p a r a me t e r s， i t pu t f o r wa r d t o the p i e c e wi s e r a t i o na l f r a c t i o n a l e x p r e s s i o n o f t h e s tr e s s s t r a i n c u r v e e q u a t i o n I n the e n d the fi t t i n g r e s u l t s r e a s o n a b l y t a l l y the e x p e r i me n t a l d a ta K e ywor d s ： wa s t e fi b e r r e c y c l e d c o n c r e t e ； s t r e s s s tr a i nf u l l c u r v e ； a x i a l c o mp r e s s i v e s tre n g t h ； p e ak s tr a i n 0 引 言 随着人们对环保意识的增强 ， 废弃混凝土作为一种可 再生的建筑材料越来越得到人们 的重视 。 由于废弃混凝土 其 自身抗拉、 抗压强度低 、 韧性低 ， 在实际工程 中的应用并 不十分广泛 ， 而纤 维混凝 土的应用非常广泛 ， 通过在混凝 土中掺人短纤维， 可显著地改善混凝土的抗拉性能、 抗弯 性能、 抗渗性能等， 具有较好的延性及控制裂缝的能力。 而 每年在世界各地作为垃圾处理的大量纺织废料以及用弃 的地毯、 服装等纺织品中， 绝大多数为不可降解的丙纶、 涤 纶等， 并且废弃的涤纶纤维制品很难自然降解， 通常采用 的填埋方法 占用了大量土地资源 ， 造成环境污染 ” 。 试验采 用纺织废地毯再生丙纶纤维作为再生混凝土的增强纤维 ， 以期在改善再生 昆 凝土力学性能的同时， 达到节约资源 、 保 护环境的 目的。 废弃纤维再生混凝土作为一种新型结构材 料， 目前国内外尚且没有系统的研究。 混凝 土的单轴受压性能是混凝 土材料 最基本 的物理 力学性能， 是研究混凝土结构承载力和变形的主要依据， 而应力一 应变关系则是基本受压性能的综合性宏观反应， 特别是在分析构件极限状态时截面应力分布、 弹塑性全过 程以及抗震和抗震结构的延性和恢复力特性时， 不可缺少 的是材料的本构关系回 。 目前， 国内外学者正积极投身于再 生? 昆 凝土和纤维混凝土的研究中， 对于废弃纤维再生混凝 土的应力一 应变全曲线 目前国内外研究的甚少。 收稿 日期 ：2 0 1 2 0 8 1 3 基金项目：国家自然科学基金资助项目( 5 1 1 7 8 2 7 5 ) ； 沈 阳市科技计划( F 1 1 - 1 6 5 9 0 0 ) 5 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 时 ， 曲线转折 ， 几乎成水平。 ( 4 ) 破坏阶段。 此 时试件 的主要破坏为剪切破坏 ， 随着 变形的增大 ， 应力基本稳定地缓慢下来 。 2 3 峰 值应 力与峰值应 变 废弃纤维再生混凝土峰值应力与峰值应变值如表 2 。 通过表 2中的试验数据 ， 可 以看出 ： ( 1 ) 无论何种纤维长度及体积掺 量的废弃纤维 ， 均对 再生混凝土的轴心抗压强度有很大程度 的提高 ， 这是 由于 废弃纤维能够较好 的与基体间黏结 ， 以至基体 的黏结强度 增加的缘故 。 ( 2 ) 在水灰比为 0 5 ， 再生骨料掺入量为 5 0 ， 纤维长度 为 1 9 mm时， 当纤维体积掺量分别为 0 0 8 、 0 1 2 、 0 1 6 时， 比没有掺入废弃纤维的再生混凝土强度分别高出3 6 8 、 3 9 5 、 4 1 7 ， 且峰值应变也随之增加 ， 由此可以看出废弃 纤维可 以明显提高再生混凝土的轴心抗压强度 ， 主要原 因 在于掺人再生混凝 土中的废弃纤 维 ， 抑制 了早期混凝土 中 原始裂缝的发生和发展， 降低了微裂缝的数量和尺度， 钝化 了原生裂隙尖端的应力集中， 使介质内的应力场更加连续均 匀 7 1 ， 峰值应变的增加， 使废弃纤维的约束作用有所增加。 ( 3 ) 在水灰比为0 5 ， 再生骨料掺入量为 5 0 ， 纤维体积 掺量为 0 0 8 时， 纤维长度为 1 9 i n n l 比 1 2 r n n和 3 0 ln n l 更 能提高废弃纤维再生混凝土的轴心抗压强度， 但提高的幅 度不 大 ， 分别为 2 7 和 8 ， 且 随着纤维长度 的增加 ， 废弃 纤维再生混凝土 的峰值应变也逐渐增加 ， 也是纤维约束作 用 的结果。 ( 4 ) 在纤维长度为 1 9 mm， 再生骨料掺入量为 5 0 ， 纤 维体积掺量为 0 0 8 时， 水灰比为 0 4 5时的轴心抗压强度 较大 ， 且 随着水灰 比的增大 ， 峰值应力逐渐减小 。 这是由于 随着水灰 比的增大， 新拌废弃纤维再生混凝土的流动 陛明显 不同， 坍落度变大， 和易性有一定的改善， 导致其抗压强度 降低的缘故 ， 且随着水灰 比的增大， 其峰值应变也随之增大。 ( 5 ) 在水灰比为 0 5 ， 纤维长度为 1 9 m m， 纤维体积掺 量为0 0 8 时， 再生骨料掺入量为 5 0 和 1 0 0 时比不掺入 再生骨料的废弃纤维混凝土强度分别降低 0 7 和 1 7 9 。 但 随着再生骨料掺入量的增加 ， 其峰值应变也逐渐增加 ， 主 要原 因是 由于再生骨料表面附有大量 的水泥砂浆 ， 使水泥 石空隙率加大且再生骨料强度低 于天然砂 ， 导致其峰值应 变也逐渐加大。 表 2 废弃纤维再生混凝土的峰值应力与峰值应变 2 4 废弃纤维再生混凝土单轴受压本构模型 一 个合理的本构模型不仅要与试验结果 良好吻合， 而 且要求模 型的形式简单 ， 含有较少的待定参数 。 基于此 ， 通 过对试验数据广泛 的分析和比较之后 ， 将废弃纤维再生混 凝土应力一 应变全曲线划分为上升段和下降段， 选取两个比 较有代表性 的公式来做 比较和分析。 C E B F I P 模 式规范 7 7和 9 0 tin 以及 欧洲标 准化委员会 ( C E N) 制定的欧洲规范都采用 如式 ( 1 ) 所示 的有理分式来 统一 描述应力一 应变关系的上升段和下降段 ： 2 ( 1 ) v ： 一 L l ， 1 + ( 、 过镇海嘲 等提出用无量纲应力 o - g为纵坐标， e 6 。 为横 坐标 ， 采用如下式所示的数学表达式来表示 曲线的应力一 应 变关系： 当 0 1 时 ： 1 r = 口 + ( 3 2 a ) x 2 + ( a 一 2 ) ( 2 ) 当 1时 ： v = f 3 ) 0 ( 一 1 ) 2 + x 、 现将试验 曲线数据点与欧洲规范 、 过镇海教授提出的 分段表达式来做 比较 ， 以 A1 组试件为例 ， 如图 6 所示 。 通过试验数据的分析比较之后， 本研究建议采用下述分 段函数表示的废弃纤维再生混凝土应力 应变全曲线方程 ： 上升段 ： K 一 f 1 ： f 0 1 1 1 + ( 一 2 ) 一 8O 。f 一 1 1z + 口 l 一 J 1 - Ro 0 ( 4 ) ( 5 ) 现将试验所得数据利用最小二乘法进行拟合， 得到各 棱柱体试件参数 。 和K值 ， 如表 3 所示。 从表格数据可以看出， 其相关系数 良好 ， 即拟合曲线 与试验点吻合较好。 经过数据统计回归， 可以进一步得到在 水灰比为0 5 时， 参数 。 和 与再生骨料取代率r 和纤维含 5 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 ， 8 ( a ) A1 组试件 上升段试 验数据 点和公 式 曲线 8 ， s ( a ) Al 组试件下降段试验数据点和公式曲线 图 6 A 1组试件试验数据点和公式 曲线 表 3 参数 a和 K 量特征参数 A f( 其中 A ， Z ， 为废弃纤维体积掺量 ， f 为废 弃纤维长度 ) 的关系 ： K = 0 2 8 8 r 2 - 0 3 广 + 0 9 6 5 ( 1 0 0 A f ) 一 7 9 1 3 ( 1 0 0 A f ) 4 + 2 3 1 9 ( 1 0 0 A f ) 一 2 8 5 3 ( I O O A f ) 1 2 2 1 A 1 8 1 5 ( 6 ) a = O 3 7 r 一 4 5 3 4 ( 1 0 0 A ) 4 + 3 0 5 2 ( 1 0 0 A ) 一 6 5 7 4 ( 1 0 0 A f ) 卜 4 6 3 2 ( 1 0 0 A f ) + 1 3 8 6 ( 7 ) 3结 论 ( 1 ) 废弃纤维可以明显提高普通再生混凝土的轴心抗 定时 ， 废弃纤维再生混凝土 的峰值应力随废弃纤维掺量 的 增加而增加， 当废弃纤维长度为 1 9 m E n 、 废弃纤维体积掺 量 为 0 1 6 时 ， 废弃纤维再生? 昆 凝土的峰值应力提高的较 为显著。 ( 2 ) 废弃纤维再生混凝土的峰值应变 随着水灰 比 、 废 弃纤维长度 、 废弃纤维体积掺量和再生骨料掺量 的增加而 增加。 ( 3 ) 废弃纤维再生混凝土的峰值应力随着水灰 比和再 生骨料掺入量 的增加而减小 。 ( 4 ) 应用普通液压试验机 ， 在棱柱体试件外套一 钢管作 为刚性元件的方法 ， 测定废弃纤维再生混凝土的应力一 应变 全 曲线较为简单易行。 ( 5 ) 废弃纤维再生混凝土的应 力一 应变 曲线与普通混 凝土应力一 应变曲线类似， 都分为上升段和下降段， 通过拟 合了相关参数， 其应力一 应变全曲线方程采用分段有理分式 表达 ， 拟合结果与试验数据吻合 的较好 。 参考文献： 【 1 】王建坤， 高晓平纺织废料再生纤维增强混凝土力学性能的研 究f J 天津工业大学学报， 2 0 0 5 ， 2 4 ( 4 ) ： 1 2 1 5 【 2 】 过镇海 混凝土的强度和变形一试验基础和本构关系 M 北京： 清华大学出版社， 1 9 9 7 3 刘香， 银俊， 何育青轻骨料混凝土应力应变关系的试验分析I J l _ 内蒙古科学大学学报， 2 0 1 0 ， 2 9 ( 3 ) ： 2 7 7 2 8 0 【 4 】WAN G P T， S HA H P P， NAA MA N A ES t r e s s s t r a i n c u r v e s o f n o r ma l a n d l i g h t we i g h t c o n c r e t e i n c o mp r e s s i o n J AC I J o u r n a 1 P r o c e e d i n g ， 1 9 7 8 ， 7 5 ( 1 1 ) 【 5 叶连生 单轴向压荷下混凝土应力一 应变全曲线及其方程 J 】 _ 南 京工学院学报， 1 9 8 4 ( 3 ) ： 5 9 7 1 6 马亚峰 活性粉末混凝土R P C 一 2 0 0级单轴受压本构关系研究 D 1 北京 ： 北京交通大学 ， 2 0 0 9 【 7 曹诚， 刘兰强 关于聚丙烯纤维对混凝土性能影响的几点认识f J 1 混凝土 ， 2 0 0 0 ( 9 ) ： 4 9 5 1 8 C E B - F I P Mo d e c o d e f o r c o n c r e t e s t r u c t u r e s d e s i g n M P a r i s ， 1 9 9 0 【 9 过镇海， 张秀琴 混凝土应力应变全曲线试验研究 J 】 建筑结构 学报， 1 9 8 2 ( 1 ) ： 1 - 8 作者简介： 周静海( 1 9 6 5 一 ) ， 男， 博士生导师， 主要从事废弃纤维 再生混凝土力学性能的研究。 联系地址 ： 沈阳市浑南新区浑南东路 9 号 沈阳建筑大学建筑节 能研究院( 1 1 0 1 6 8 ) 压强度。 在合理的废弃纤维掺量范围内， 当废弃纤维长度一 联系电话： 1 3 9 0 4 0 5 7 5 9 0 E _ 墓 盟 曩 三 一 超长 臂架 技术 摘 取“ 国 家 技术 发明 奖 ” 自 主 创新 获国 家 肯定 继 2 0 0 5 年和 2 0 1 0 年两次荣 获“ 国家技术进步奖 ” 之后 ， 三一重工再摘大奖。1 月 1 8 F t ， 在北京人民大会堂召开 国家 科学技术奖励大会上， 三一重工“ 混凝土泵车超长臂架技术及应用” 荣获2 0 1 2年度国家技术发明奖二等奖。 国家科学技术奖励大会每年一届， 被视为在中国科学技术的最高荣誉殿堂。混凝土机械技术专家表示， 该奖项说明 三一重工在超长臂架技术领域实现两方面的完美结合： 第一， 泵车臂架长度处于行业顶尖水平， 第二， 超长臂架的技术成 熟度处于行业翘楚地位 。 记者同时查询得知， 三一重工此次所获奖项 ， 是迄今为止工程机械行业获得的国家级科技发明奖项的最高级别荣誉， 而三一重工也是工程机械行业唯一一家三次获得国家至高奖项的企业。 5 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m