废弃纤维再生混凝土损伤分析.pdf

2 0 1 4 年 第 4 期 (总 第 2 9 4 期 】 N u mb e r 4 i n 2 0 1 4 ( T o t a l No 2 9 4 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THE0R ET I CAL RES EARCH 废弃纤维再生混凝土损伤分析 周静海 伯 ，张晚来 他 ，刘丹 ( 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 鞍山热能研究院有限公司，辽宁 鞍山 1 1 4 0 0 4 ) 摘要 ： 为了研究废弃纤维再生混凝土受压破坏的损伤问题 ， 对 3 O 块 1 0 0 m mx l 0 0 m mx 3 0 0 m i n非标准试件进行 了棱柱体试块 单轴受压损伤试验 。 通过测定废弃纤维再生混凝土单轴受压试件横向振动时的基频振动频率以及数据采集系统采集到的荷载与 应变值 ， 绘制出损伤变量与应变曲线 、 损伤变量与荷载曲线 ， 通过拟合曲线 ， 建立了废弃纤维再生混凝土单轴受压损伤模型。 试验 结果表明： 废弃纤维再生混凝土在应变增加的同时， 损伤变量也随之增加 ； 废弃纤维再生混凝土随着应变的增长， 水灰比越大、 再 生骨料掺人量越多、 纤维越长 ， 废弃纤维再生混凝土的损伤增加的越快。 关键词 ： 废弃纤维再生混凝土；损伤变量与应变曲线 ；损伤变量与荷载曲线 ；损伤模型 中图分类号： T U 5 2 8 5 7 2 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 0 4 0 0 4 0 0 4 Da m a g e a na l y s i s 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 h a i l a ZHANG Wa nl a i L U Da n ( 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 Ci v i l E n g i n e e r i n g ， S h e n y ang J i a n z h uUn i v e r s i ty， S h e n y a n g 1 1 0 1 6 8 ， C h i n a ； 2 An s h an Re s e a r c hI n s t i t u t e o f T h e r mo e n e r gy ， A n s h a n 1 1 4 0 0 4 ， Ch i n a ) Abs t r ac t ： I n o r d e r t o i n v e s t i g a t e t h e d a ma g e p r o b l e m o f wa s t e fib e r r e c y c l e d c o n c r e t e c o mp r e s s i o n f a i l u r e， t h i s e x pe r i me n t us e 3 0 n o n s t a nd a r d t e s t s p e c i me n whi c h s i z e i s 1 00 mmxl O 0 mmx3 0 0 mm d o the d a ma g e t e s t u n de r u ni a xi a l c o mp r e s s i o n By me a s ur i n g the ba s i c v i b r a t i o n f r e q u e n c y， l oa d an d s tr a i n v a l ue o f wa s t e fi be r r e c y c l e d c o n c r e t e un de r un i a x i a l c o mp r e s s i o n wh e n t h e s pe c i me ns t r a n s v e r s e v i b r a t i o n c a r l dr a w the d am a g e v ari a bl e a n d s t r a i n c u r v e a nd d a ma g e va r i a b l e a n d t he l o a d c u r v e By fit t i n g s o me r e l a t e d pa r a me t e r s ， s e t u p t h e da ma g e mo d e l o f wa s t e fib e r r e c y c l e d c o n c r e t e u n d e r u ni a x i a l c omp r e s s i ve Re s ul t s s h o w tha t the d am a g e va r i a b l e d e c r e a s e s wi th t h e i n c r e a s e o fwa s t e fi be r r e c y c l e d c o n c r e t e s t r a i n； the d a ma g e of wa s t e fib e r r e c y c l e d c o nc r e t e i n c r e a s e s f a s t e r wi th t he i n c r e a s e o ft h e wa t e r c e me ri t r a t i o， the wa s t e fib e r v o l u me pa r a me t e r ， t h e wa s t e fib e r l e ng t h， an d the i n c or p or a t i o n o fr e c y c l e d a g g r e g a t e Ke y w or ds： wa s t e fib e r r e c yc l e d c o n c r e t e ； d a ma g e v a r i a bl e an d s tra i n c u r v e； d am a g e va r i a b l e an d t he l o a d c u r v e； d a ma g e mo de l 0 引言 再生混凝 土作 为绿色混凝土材料在土木工程建设 中 有着广泛 的应用前景 1 - 2 。 其强度发展 、 收缩 、 徐变等性能都 与普通混凝土有一定 的差异翻 。 为改善再生混凝土较差的 性能 ， 本试验将再生混凝土与纺织废地毯再生丙纶纤维结 合 ， 形成废弃纤维再生混凝土 ， 这样不仅可 以实现 回收利 用 ， 保护天然资源 ， 又能降低废弃物对环境 的影响。 更能显 著地改善再生混凝土的抗拉性 能 、 抗弯性能 、 抗冲击性能 及抗疲劳性能， 具有较好的延性及控制裂缝的能力 。 为了研究废弃纤维再生混凝土受力破坏 过程中裂缝 的形成、 发展， 损伤的演化及其破坏规律， 故研究废弃纤维 再生混凝土的损伤是非常有必要的。 损伤是指在制作加工 过程中 、 外荷载和环境作用下 ， 材料 的细观结构发生变化 ， 引起微裂纹 、 微孑 L 洞的扩展和汇合 ， 以至材料 的宏观力学 性能发生改变， 最终形成宏观开裂或材料破坏 的过程 5 】 。 王 春来和徐必根等研究单 轴受压状态下钢纤维混凝土 的复 杂损伤行为， 根据 We i b u l l 统计分布理论和等效应变假定 原理 ， 推导出了钢纤维混凝土的损伤本构模型 ； 薛明琛将 L o l a n d 模型和 Ma r z a r s 模型整合修正后用于纤维混凝 土的 损伤模型中， 并导出了拉伸情况下的本构关系全曲线方程 ； 齐锋和党改红等还根据 钢纤维混凝土 的劈拉试验提 出了 指数型的钢纤维混凝土劈拉损 伤演化方程 8 1 。 基于 国内外 对钢纤维? 昆 凝 土的损伤模型研究方法 ， 本文提 出了废弃纤 维再生混凝土单轴受压的损伤模型 。 1 试 验 概 况 1 1 测定轴 心受压损伤 的试验方 法 对于一定 的物体 ， 都存在一个 固有振动频率 ， 固有振 动频率决定了物体 的强度 ， 故废弃纤 维再生混凝 土轴心 受压损伤试验 中应用动弹仪来测试试件在受压过程 中的 横 向振动 的基频振动频率 。 本试验选用天津市港源试验仪 收稿日期：2 0 1 3 1 0 - 0 9 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 ) 4 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 器厂生产的D T 2 0 动弹仪。 要想获得准确的试验数据， 在 操作上必须仔细 、 认 真。 同时 ， 需要 在混凝土表面的被测试 点上涂抹黄油作为耦合介质， 以使传感器表面与混凝土之 间保持一个 良好的声学耦合， 涂抹层切记涂抹过厚， 还要 排 除其 中的气泡 。 如果 混凝土表面粗燥不平 ， 要需要经过 研磨处理 。 1 2 试件 配合 比及 分组 再生粗骨料采用原始强度为 C 4 0的混凝土 ， 经人工破 碎成为最大粒径为 2 5 r n m且具有连续级配 的再生混凝土 粗骨料 。 天然粗骨料采用 粒径为 5 2 5 r n n l 具有连续 级配 的碎石 ， 砂子为天然 中细河砂 。 水 泥采 用本溪山水工源水 泥厂生产 的 P 0 4 2 5 级水泥。 废弃纤维采用废旧地毯作为 废弃纤维来源 ， 该地毯 的成 分为丙纶纤维 ， 丙纶纤维具有 强度高， 耐磨性好 ， 耐腐蚀性好等特点。 拌和用水为自来水。 废 弃纤 维再 生混 凝 土基体 设计 强 度为 C 4 0 ， D G T J 0 8 2 0 1 8 -2 0 0 7 再生混凝土应用技术规程 中提出将再生混 凝土 的用水量分为净用水量 和附加 用水量两部分的配合 比设计方法 ， 其 中当再生骨料掺入量为 5 0 时， 吸附水用水 量为 1 0 ， 当再生骨料掺人量为 1 0 0 时 ， 吸附水用水量为 2 0 k g t 。 为减少其他 影响因素对废 弃纤维混凝土的影响 ， 本试验未采用减水剂 。 为了防止搅拌过程 中纤维成团 ， 试验 采用干拌法 ， 即先将砂 、 石 、 水 泥和纤 维一 起搅拌 均匀后 ， 再加水一起搅拌成混凝 土。 通过试配确定废弃纤维再生混 凝土的配合 比， 试块分组情况及配合 比见表 1 。 表 1 试块分组及废弃纤维再生混凝土配合 比 1 3试验 方案 为 了测定真实、 完整的废弃纤维再生混凝土损伤变量 与应变 曲线和损伤变量与荷载 曲线 。 本试验 采用 2 0 0 t 压 力机 、 U C A M 7 0 A数据采集 系统 和 D T 2 0 动弹仪对 3 0块 1 0 0 m mx l 0 0 mmx 3 0 0 I r l l T l 非标 准废 弃纤维再生混凝 土棱 柱体试块进行损伤试验。 每组 3 个试件， 取其平均值作为最 终取值。 试件龄期均为 2 8 d 。 记录每增加 1 0 0 k N荷载时 的 试件横向振动时的基频振动频率 ， 直到试件完全破坏。 试验 结束以后 ， 将每次卸载后测得的基振频率值代入 式( 1 ) 中， 各卸载点 的损伤值 D： 。=1 一 f o 2 ( 1 ) 式中 i 未加载前试件 的基频振动频率 ， H z ； 加载到第 i 次卸载后试件的基频振动频率 ， H z 。 2 废弃纤维再生混凝土损伤分析 2 1 损伤 变量与应 变和荷载 的关 系 损伤变量与应变和荷载的关系 ， 如 图 1 、 2 所示。 2 2 损 伤演化规律 由图 1 可以看出， 普通混凝土、 再生混凝土和废弃纤维 再生混凝土都是在变形增加的同时， 损伤变量也随之增加。 由图 1 ( a ) ( c ) 可 以看出 ， 废弃纤维再 生混凝土随着水 灰 比的增加 、 再生骨料掺入量 的增加 、 废弃纤 维长度的增 加 ， 斜率增大 ， 损伤变量增加的越快 。 由图 1 ( d ) 可以看 出， 废弃纤维再生混凝 土的塑形变形 能力要强于再生混凝土 ， 其塑性变形能力的增强意味着承 受损伤的能力强。 随着废弃纤维体积掺量的增加， 其损伤值 逐渐减小 ， 废弃纤维再生混凝 土的变形能力逐渐增强 ， 主 要原因可能是 由于废弃纤维 的加入使再生混凝土 内部裂 缝扩展受到 限制 ， 推迟 了裂缝 区域 的发展 ， 增强 了再生混 凝土的韧性。 由图 2 ( b ) 可 以看 出， 再生骨料 的掺人量越多 ， 损伤变 量的增加越快。 主要原 因可能是 由于大量的水泥砂浆附在 再生骨料表面 ， 使水泥石空 隙率加大 ， 而且再生骨料强度 略低 于天然砂 ， 致使其损伤变量也逐渐加大。 由图 1 、 2 并结合试验过程中的裂纹发生的情况可以看 出 ， 废弃纤维再生混凝土在受载以后 ， 其损伤度微小 ， 其损 伤值可以近似看作 为 0 。 当应变达到峰值应变的 2 0 左右 时 ， 试件开始有损伤发生 ， 不过不连续 ， 损伤值较小。 继续加 载 ， 此为损伤 的真正开始阶段 ， 试件的损伤开始发生 、 发展 ， 此时， 试件表面有微裂缝产生 ， 微裂缝的开裂方 向与主应力 方向平行 。 继续加 载 ， 随着应变和荷载的增加 ， 其损伤值是 递增的， 损伤曲线的曲率很小。 当试件强度接近峰值应力时， 试件的损伤速度开始加快， 损伤曲线的曲率增大， 此时， 试 件表面的裂缝开始贯通， 其损伤值大约在 0 3 2 0 4 5 5 之间。 2 3 废 弃纤维再生混凝土损伤模型 通过损伤分析可知 ， 现将废弃纤维再生混凝土试件的 单 向压缩损伤 曲线分别两段来考虑 。 第一段 ， 试件无损伤 41 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m O 4 O 3 0 2 O 1 0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 应 变 ， 8 ( a ) 第一 组 试件 损 伤变 量一 应变 关 系 0 4 O 3 Q 酬 O 2 O 1 0 5 0 0 1 0 0 0 l 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 应变 f b 1 第 二组 试 件损 伤 变量一 应变 关 系 O 5 0 4 岛 0 3 0 1 0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 应 变 ， E ( c ) 第三 组试 件 损伤 变 量一 应变 关 系 应 受 L 8 f d ) 第 四组试 件 损伤 变 量一 应 变 关 系 图 1 损伤变量一 应变关系 发生或者有微小损伤发生 ， 但损伤不扩展 ， 将 此时的损伤 近似于 0 ， 第二段， 损伤扩展阶段， 此阶段为试件损伤的真 正开始阶段 ， 并以较快的速度增长， 损伤曲线类似于指数 函数曲线。 现将试验数据点进行曲线拟合， 以试件 1 、 2 为例 如图 3所示 。 由试验数据点和拟合曲线可 以看出， 各组试件试验数 据点都能与指数函数 曲线较好 的吻合 ， 现将废弃纤维再生 混凝土单轴受压损伤演化方程用下述指数函数形式来表 示， 如式( 2 ) 。 拟合后各参数值见表2所示。 _y e ( 2 ) 4， O 4 0 3 Q 删 制 0 2 蛙 0 1 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 荷 载 k N f a ) 第 一 组试 件损 伤 变 量一 荷 载关 系 荷 载 k N ( b ) 第 二 组试 件 损伤 变 量一 荷 载关 系 荷载 k N ( c ) 第 三组 试 件损 伤 变量一 荷载 关 系 +纤 维 体积 掺 量0 +纤 维 体积 掺 量0 1 2 荷载 k N ( d ) 第 四组 试 件损 伤 变量一 荷载 关 系 图 2 损伤变量一 荷载关 系曲线 由表 2可以看 出， 各试件 曲线拟合相关 系数 良好 ， 可 以较好 的用此 函数形式来表示 ， 因此 ， 废弃纤维再生混凝 土单 向压缩轴受压损伤模型为 ： f D = ( 3 ) 【 D= Ae 0 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 A与再生骨料取代率 r 和纤维含量特征参数 A 的 关系 ， 如式 ( 4 ) ： A= 0 0 4 4 r 2 0 0 1 6 r + 1 0 0 x ( 1 0 h f ) 4 _ 8 5 1 1 X ( 1 0 h f ) 1 8 1 2 ( 1 0 A ) 1 2 7 6 h f + 0 0 2 3 ( 4 ) 式中 ： r 再生骨料掺入量 ； 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 应变 ， 8 ( a ) 试件 1 试验 数 据 点 与拟 合 曲线 应变 w e ( b ) 试 件2 试 验 数据 点 与 拟合 曲线 图 3 试件 1 、 试件 2数据点与拟合 曲线 表 2 参数 A和 B A 纤维体积特征参数 ， A r = V r z ； 废弃纤维体积掺量 ； Z 废弃纤维长度 。 3结 论 ( 1 ) 废弃纤维再生混凝土在应变增 加 的同时 ， 损 伤变 上接第 3 9页 卜 12 6 7 2 -8 7 4 + 6 7 4 3 -1 2 6 ( )+ 1 8 5 8 3 -7 5 】 1 0 r6 ( 5 ) 2 = _ 1 5 7 5 5 -8 9 0 + 1 0 9 8 7 -7 6 1 ( ) 10 ( 6 ) 式 中： 钢管壁厚 ， m m； 生石灰的掺加水平 ， 生石灰 占粉煤灰和生石灰 总量的百分 比， 0 0 5 0 1 5 ； 核心无水泥粉煤灰混凝土试块 8 0 d抗压强 度 ， MP a 。 3结束语 本研究进行 了无水 泥方钢管粉煤灰混凝土 的轴压短 柱试验。 根据轴压短柱试验结果以及钢管钢材的力学性 能， 得到核心无水泥粉煤灰混凝土的应力应变关系典型曲 量也随之增加 。 ( 2 ) 废 弃纤 维再生混凝土随着应变 的增长 ， 水灰 比越 大 、 再生骨料掺入量越多 、 纤维越长 ， 废弃纤维再 生混凝土 的损伤增加 的越快。 ( 3 ) 废弃纤维 再生混 凝土随着应变 的增长 ， 废弃纤 维 体积掺量越多 ， 废弃纤 维再生混凝土的受损程度增加的越 慢 。 其主要原 因可能是由于废弃纤维 的加入增强 了再生混 凝土 的韧性 ， 增强 了其 塑性变形能力 ， 也 意味着 承受损 伤 的能力增强 了。 ( 4 ) 通过测定废弃纤维再生混凝土单轴受压试件横向振 动时的基振频率以及数据采集系统采集到的荷载与应变值 ， 绘制出了损伤变量与应变曲线 、 损伤变量与荷载 曲线 ， 通过 拟合曲线 ， 建立了废弃纤维再生混凝土单轴受压损伤模型。 参考文献 ： 【 1 】曹万林 ， 边建辉 ， 董宏英， 等 不同再生骨料取代率混凝土柱耐 火性能试验研究【 J J 结构工程师， 2 0 1 2 ( 4 ) ： 1 1 5 1 2 1 2 】肖建庄 ， 高歌 ， 徐亚玲 ， 等 再生混凝土叠合梁受弯力学性能试 验研究【J J 结构工程师 ， 2 0 1 2 ( 2 ) ： 1 2 2 1 2 6 3 安新正， 王小学， 姜新佩， 等 单轴受压下再生混凝土的损伤特 性研究J 河北工程大学学报： 自然科学版， 2 0 1 2 ( 4 ) ： 1 - 4 【 4 】 周静海， 刘丹， 董健飞 废弃纤维再生混凝土的本构关系【J J _混凝 土 ， 2 0 1 3 ( 2 ) ： 5 4 5 8 5 】王春来， 徐必根， 李庶林， 等 单轴受压状态下钢纤维混凝土损 伤本构模型研究 J 1 岩土力学， 2 0 0 6 ( 1 ) ： 1 5 1 1 5 4 【 6 J6 李杰_ ； 昆凝土随机损伤本构关系研究新进展【 J 1 东南大学学报： 自然科学版 ， 2 0 0 2 ( 5 ) ： 7 5 0 7 5 5 【 7 】薛明琛 纤维混凝土在拉伸情况下的损伤模型 混凝土 ， 2 0 0 6 ( 1 ) ： 9 - 1 1 【 8 】齐锋， 党改红， 陈忠购钢纤维混凝土劈拉损伤演化方程的研究叨 工业建筑， 2 0 0 9 ( 6 ) ： 9 2 9 5 + 7 8 9 蔡秋琦 ， 高磊， 王君杰 结构损伤指标研究综述f J 1 结构工程师， 2 0 1 0 ( 4 ) ： 1 4 4 1 5 3 【 1 O 】 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【 J J 混凝土 ， 2 0 0 0 ( 9 ) ： 4 9 5 1 作者简介 ： 联 系地址 ： 联 系电话 ： 周静海( 1 9 6 5 一 ) ， 男， 教授， 研究方向： 小城镇建设与可 持续发展城市生命线抗灾性能分析 ， 再生混凝土性应 用研究。 沈阳市浑南东路 9号 沈阳建筑大学建筑节能研究 院( 1 1 0 1 6 8 ) 】 5 2 4 2 4 07 6 9 9 线和解析表达式 ， 并应用统计分析软件 S P S S 1 9 0 进行了特 征值的多元线性 回归分析 ， 得 到无水泥方钢管粉煤灰混凝 土 中核心无水泥粉煤灰混凝土的本构关系。 参考文献 ： 【 1 韩林海 冈 管混凝土结构【 M】 _ E 京： 科学出版社 ， 2 0 0 7 【 2 】 蔡绍怀 现代钢管混凝土结构【 M】 北京： 人民交通出版社， 2 0 0 7 【 3 】 张扬 ， 李四平 ， 陈兵 ， 等 粉煤灰活性激发剂的试验研究l J I 混凝 土 ， 2 0 1 2 ( 9 ) ： 6 3 6 4 4 】4 时立文 S P S S 1 9 0统计分析从入I q 2 U 精通【 M】 北京： 清华大学出 版社 ， 2 0 1 2 5 邓维斌， 唐兴艳， 胡大权， 等 S P S S 1 9统计分析实用教程 M 】 - E 京 ： 电子工业出版社， 2 0 1 2 作者简介 ： 联系地址 ： 联系电话 ： 彭杰( 1 9 9 1 一 ) ， 男， 硕士研究生 ， 研究方向： 钢管； 昆 凝土。 上海市闵行区东川路 8 0 0 号 上海交通大学木兰楼船 舶海洋与建筑工程学院( 2 O O 2 4 O ) 1 3 7 7 4 43 7 81 8 43 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m