鄧瑞芬

(山西三建集團(tuán)有限公司,山西 長(zhǎng)治 047500)

0 引言

混凝土是國(guó)計(jì)民生中使用最廣泛且體量最大的人造材料。我國(guó)建筑混凝土年均消耗量達(dá) 100億t, 約占全球的34.8%。從各種工程材料隱含的CO2和能耗可知(見(jiàn)圖1),每生產(chǎn)1kg混凝土產(chǎn)品或結(jié)構(gòu)隱含的CO2當(dāng)量為0.05～0.30kg(從素混凝土砌塊到高強(qiáng)鋼筋混凝土)[1]。GB/T51366—2019《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》中[2],每m3C30和C50混凝土隱含的CO2碳排放因子分別為295,385kgCO2/m3(按混凝土典型容重2 350kg/m3計(jì)算,折合0.12～0.16kgCO2/kg)。從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō),混凝土本身是低碳材料。但由于混凝土用量巨大,導(dǎo)致碳排放總量巨大,我國(guó)混凝土年均CO2排放總量達(dá)14.7億t,約占全國(guó)碳排放總量的14%。因此,加強(qiáng)低碳混凝土產(chǎn)品的研發(fā)和應(yīng)用,從混凝土全生命周期考慮碳減排,對(duì)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)有重要意義。

圖1 常用工程材料隱含的CO2和能耗Fig.1 Implied CO2 and energy consumption of commonly used engineering materials

其中,再生骨料混凝土(recycled aggregate concrete, RAC)指將廢棄的混凝土塊經(jīng)過(guò)破碎、清洗、分級(jí)后,按一定比例與級(jí)配混合,部分或全部代替砂石等天然集料(主要是粗集料),再加入水泥、水等配制成新混凝土[3]。再生混凝土可通過(guò)廢棄混凝土的回收再利用,實(shí)現(xiàn)混凝土上一生命周期的碳捕捉,形成碳循環(huán),減少了工程廢棄物排放、礦山開(kāi)采、水泥燒制等環(huán)節(jié),降低或消除了間接能源排放。然而,由于再生混凝土的各項(xiàng)力學(xué)與耐久性能指標(biāo)較普通混凝土均有所降低,這將制約再生混凝土在實(shí)際工程中的應(yīng)用與發(fā)展[4]。因此,研究利用新材料或新技術(shù)改善再生混凝土的力學(xué)性能對(duì)進(jìn)一步推廣再生混凝土結(jié)構(gòu)具有重要意義。

再生混凝土的性能增強(qiáng)措施主要有以下途徑:①通過(guò)配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)獲得所需的力學(xué)性能和流動(dòng)性[5];②通過(guò)再生骨料強(qiáng)化技術(shù)填補(bǔ)新老界面間的微裂縫和空隙,常用的方法有化學(xué)強(qiáng)化和微生物強(qiáng)化,如聚乙烯醇浸泡[6]和CO2碳化[7];③通過(guò)摻入纖維彌補(bǔ)再生骨料的缺陷,對(duì)RAC起增強(qiáng)、增韌和阻裂作用,常見(jiàn)的摻入纖維有PVA纖維[8]、玻璃纖維[9]、鋼纖維[10]等。其中,鋼纖維再生混凝土(steel fiber reinforced recycled aggregate concrete, SFRAC)與再生混凝土相比,承載力提高、剛度增大、抗裂性能提高[11],其受力性能和可靠性可達(dá)到普通混凝土水平[12],且整體造價(jià)低于相同條件的普通混凝土[12],已成為增強(qiáng)再生混凝土性能的有效方法。

目前,關(guān)于SFRAC力學(xué)性能的研究主要集中在材料層次。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)SFRAC開(kāi)展了不同形式的試驗(yàn)研究工作。研究結(jié)果表明,鋼纖維在混凝土中不會(huì)起粒,分布均勻,可改善混凝土的黏結(jié)性能,也可增大混凝土的強(qiáng)度和韌性[13-14]。因此,在再生混凝土中添加鋼纖維可彌補(bǔ)其性能的不足。Carneiro等[10]分析了SFRAC的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變行為。Mohseni等[15]發(fā)現(xiàn)添加鋼纖維或聚丙烯纖維可改善RCA混凝土的性能。Gao等[16]揭示了在RAC中加入鋼纖維可增強(qiáng)其壓縮和彎曲的行為。研究表明:鋼纖維既能提高RAC的力學(xué)強(qiáng)度,又能改善RAC的斷裂過(guò)程和韌性,其壓縮強(qiáng)度與鋼纖維增強(qiáng)天然粗骨料混凝土相近[10];鋼纖維可預(yù)防和減少RAC固有微缺陷的發(fā)展[17];由于再生骨料的量化環(huán)境效益,再生骨料和鋼纖維的最佳組合可顯著節(jié)約成本[18]。在本構(gòu)模型方面,相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓試驗(yàn),并與天然骨料混凝土的軸壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行了比較[10,19]。Carneiro等[10]認(rèn)為隨著鋼纖維的加入,再生混凝土的韌性增加,可通過(guò)改變應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降分支的斜率來(lái)體現(xiàn)。Gao等[19]認(rèn)為添加鋼纖維后,SFRAC的楊氏模量和應(yīng)力-應(yīng)變曲線與天然粗骨料混凝土相似,但臨界應(yīng)變隨鋼纖維含量和再生骨料取代率的增加而顯著增大,且通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理與分析,提出了SFRAC抗壓強(qiáng)度、楊氏模量、臨界應(yīng)變的回歸公式和本構(gòu)模型。

綜上所述,SFRAC具有良好的力學(xué)性能、完善的制備工藝、較低的工程造價(jià),已成為低碳混凝土產(chǎn)品的優(yōu)良解決方案。但目前國(guó)內(nèi)外對(duì)SFRAC力學(xué)性能的研究主要集中在材料層次,關(guān)于構(gòu)件層次(梁、柱、節(jié)點(diǎn))的SFRAC力學(xué)性能研究較少,制約著SFRAC向結(jié)構(gòu)層面的應(yīng)用。因此,本文采用三維細(xì)觀數(shù)值模擬方法,將混凝土視為由再生骨料、砂漿基質(zhì)和界面過(guò)渡區(qū)組成的三相復(fù)合材料,并將鋼纖維隨機(jī)投放到混凝土中,建立SFRAC梁剪切加載數(shù)值模型。通過(guò)分析數(shù)值結(jié)果,探究鋼纖維對(duì)混凝土增強(qiáng)增韌機(jī)理,給出不同鋼纖維摻量下SFRAC梁的抗剪承載力變化規(guī)律,提出鋼纖維的合理?yè)搅糠秶?以期指導(dǎo)SFRAC向構(gòu)件層次的工程應(yīng)用。

1 細(xì)觀數(shù)值模型建立

受經(jīng)濟(jì)因素及試驗(yàn)條件的限制,大型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)難以開(kāi)展,數(shù)值模擬方法被廣泛使用[20-21]?；炷翑?shù)值模擬分為宏觀層次[20]和細(xì)觀層次[21]。宏觀層次模擬將混凝土視為均質(zhì)材料,細(xì)觀層次模擬充分考慮了混凝土的非均質(zhì)性,將混凝土視為由骨料、砂漿基質(zhì)和界面過(guò)渡區(qū)組成的三相復(fù)合材料[21],能從細(xì)觀層面探究混凝土的宏觀力學(xué)行為,已被廣大學(xué)者認(rèn)可[21-22]。

1.1 SFRAC梁剪切加載數(shù)值模型

本文采用細(xì)觀數(shù)值模擬法,使用ABAQUS有限元軟件建立SFRAC梁剪切加載數(shù)值模型,如圖2所示。首先,再生骨料與天然骨料的顆粒形狀均設(shè)置成球形,參考李孔龍[23]的方法,將再生骨料視為由老硬化砂漿、新硬化砂漿、老界面、新界面、天然粗骨料組成的五相非均質(zhì)材料,如圖3所示。采用蒙特卡羅法進(jìn)行再生骨料的隨機(jī)投放[23],骨料分布采用二級(jí)配,由Fuller級(jí)配曲線確定,生成骨料體積分?jǐn)?shù)為40%的再生混凝土隨機(jī)骨料模型,再生骨料取代率為50%。其次,采用蒙特卡羅法進(jìn)行鋼纖維的隨機(jī)投放。最后,進(jìn)行鋼筋的裝配,最終建立了SFRAC梁剪切加載數(shù)值模型。采用四點(diǎn)彎曲加載方式,加載端為位移控制,按照簡(jiǎn)支梁邊界條件,左邊固定鉸,限制x,y,z方向位移及x方向轉(zhuǎn)角,右邊豎向鏈桿,限制y,z方向位移及x方向轉(zhuǎn)角。

圖2 SFRAC梁剪切加載數(shù)值模型Fig.2 Numerical model of SFRAC beam shear loading

圖3 再生粗骨料及天然骨料細(xì)觀模型Fig.3 The fine view model of recycled coarse aggregate and natural aggregate

1.2 材料本構(gòu)及相互作用關(guān)系

再生混凝土各組分采用八節(jié)點(diǎn)六面體減縮積分單元進(jìn)行劃分,鋼筋及鋼纖維采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行離散。再生混凝土各組分采用ABAQUS軟件中的混凝土塑性損傷模型(CDP)[24],鋼筋采用雙折線本構(gòu)模型[21],鋼纖維采用彈性本構(gòu)。界面過(guò)渡區(qū)是骨料和砂漿基質(zhì)的交界區(qū)域,其力學(xué)參數(shù)與砂漿基質(zhì)存在差異,參考文獻(xiàn)[23],界面過(guò)渡區(qū)各力學(xué)參數(shù)可依據(jù)砂漿基質(zhì)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼蹨p,折減系數(shù)為70%～85%,通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓模擬確定折減系數(shù)[21,23]。通過(guò)試算,最終確定模型各細(xì)觀組分材料力學(xué)參數(shù)及幾何參數(shù)如表1所示。為簡(jiǎn)化計(jì)算,鋼纖維與再生混凝土及鋼筋與再生混凝土之間采用嵌入約束(embedded region)條件。

表1 模型各細(xì)觀組分材料力學(xué)參數(shù)及幾何參數(shù)Table 1 Mechanical parameters and geometric parameters of each meso-component material of the model

1.3 數(shù)值模型驗(yàn)證

參考文獻(xiàn)[25]的試驗(yàn),建立SFRAC梁剪切加載數(shù)值模型,共2組構(gòu)件,分別為L(zhǎng)1,L2,其中L1梁的鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為0,縱筋配筋率為1.78%;L2梁的鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為1%,縱筋配筋率為1.78%。再生骨料取代率為50%。構(gòu)件截面尺寸及其配筋如圖4所示。

圖4 構(gòu)件截面尺寸及其配筋Fig.4 Section size and reinforcement of component

試驗(yàn)與模擬破壞模式對(duì)比如圖5所示(“DAMAGET”代表混凝土的拉伸損傷,“0”代表無(wú)損傷,“1”代表最大損傷。)。試驗(yàn)與模擬荷載-位移曲線對(duì)比如圖6所示。由圖5可知,L1和L2均發(fā)生剪切破壞,模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致。由圖6可知,模擬和試驗(yàn)結(jié)果吻合良好,在加載后期,試驗(yàn)因保護(hù)加載裝置停止加載,未記錄到下降段。L1梁極限荷載試驗(yàn)值為248.52kN,模擬值為247.3kN;L2梁極限荷載試驗(yàn)值為270.17kN,模擬值為271.4kN,模擬值和試驗(yàn)值誤差小于1%。綜上,驗(yàn)證了三維細(xì)觀數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性和合理性。

圖5 試驗(yàn)與模擬破壞模式對(duì)比Fig.5 Comparison of experimental and simulated damage patterns

圖6 試驗(yàn)與模擬荷載-位移曲線對(duì)比Fig.6 Comparison of test and simulated load-displacement curves

2 結(jié)果與分析

分別建立鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為0%,0.5%,1%,1.5%和2%的SFRAC梁剪切加載數(shù)值模型,探究鋼纖維摻量對(duì)SFRAC梁剪切性能的影響。試件截面尺寸為100mm×200mm×1 500mm,縱筋配筋率均為1.5%,構(gòu)件配筋情況及加載如圖7所示。再生骨料取代率為50%。

圖7 構(gòu)件配筋情況及加載示意Fig.7 The reinforcement of the member and the loading diagram

2.1 破壞模式及荷載-位移曲線

不同鋼纖維摻量下的SFRAC梁破壞模式如圖8所示。由圖8可知,低鋼纖維摻量下的SFRAC梁呈剪切破壞模式,隨著鋼纖維摻量的提高,逐漸向彎曲破壞轉(zhuǎn)變,梁跨中破壞變嚴(yán)重。細(xì)觀模型中鋼纖維的破壞如圖9所示。圖中“S.Mises”為mises應(yīng)力,鋼纖維的抗拉強(qiáng)度1 000MPa。由圖9可知,鋼纖維主要在試件剪切斜裂縫及彎曲裂縫位置發(fā)生作用。鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為1.5%和2.0%的試件,鋼纖維達(dá)到抗拉強(qiáng)度的數(shù)量越少,說(shuō)明鋼纖維摻量較大時(shí),鋼纖維的材料性能未能得到充分發(fā)揮。

圖8 不同鋼纖維摻量下的SFRAC梁破壞模式Fig.8 Damage pattern of SFRAC beam with different steel fiber admixture

圖9 鋼纖維破壞Fig.9 Steel fiber damage

不同鋼纖維摻量下的SFRAC梁荷載-位移曲線如圖10所示。由圖10可知,在加載初期,不同鋼纖維摻量下的SFRAC梁荷載-位移曲線基本重合,說(shuō)明鋼纖維的加入不影響再生混凝土的初始剛度,鋼纖維在混凝土開(kāi)裂后才發(fā)揮作用。鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為0,0.5%,1%,1.5%,2%的試件峰值荷載分別為209.2,237.4,256.6,249.1,237.2kN。體積分?jǐn)?shù)<1% 時(shí),抗剪承載力隨體積分?jǐn)?shù)的增加而增加;體積分?jǐn)?shù)>1%時(shí),抗剪承載力反而下降,這是由于鋼纖維摻量較大,未能充分發(fā)揮其材料性能,因此鋼纖維摻量應(yīng)在合理的范圍內(nèi),過(guò)多將導(dǎo)致浪費(fèi)。另外,鋼纖維的摻入延緩了裂縫的發(fā)展,提高了試件的延性。體積分?jǐn)?shù)為0的試件荷載-位移曲線下降段較直,說(shuō)明再生混凝土破壞模式為脆性。加入纖維后,荷載-位移曲線下降段變緩,試件的延性提高。對(duì)于低體積分?jǐn)?shù)的試件(體積分?jǐn)?shù)為0.5%),在荷載達(dá)到峰值后,荷載-位移曲線出現(xiàn)短暫的水平段,這是試件內(nèi)部承載力由混凝土轉(zhuǎn)移到纖維的過(guò)程。

圖10 不同鋼纖維摻量下的SFRAC梁荷載-位移曲線Fig.10 Load-displacement curves of SFRAC beams with different steel fiber admixtures

2.2 纖維增強(qiáng)增韌機(jī)理

纖維增強(qiáng)增韌機(jī)理主要基于纖維間距理論建立[26]。纖維間距理論是在彈性和斷裂力學(xué)基礎(chǔ)上進(jìn)行研究的,模型如圖11所示。該理論認(rèn)為纖維復(fù)合材料和纖維間距密切相關(guān),且將復(fù)合材料的破壞視為內(nèi)部初始缺陷在外力下產(chǎn)生應(yīng)力集中所導(dǎo)致的[26],若想增強(qiáng)復(fù)合材料的韌性,則需改善其內(nèi)部缺陷。在材料內(nèi)摻入纖維,當(dāng)其內(nèi)部產(chǎn)生的裂縫長(zhǎng)度小于s時(shí),纖維會(huì)約束裂縫的發(fā)展,致使其只能在材料內(nèi)部產(chǎn)生無(wú)影響的狹小空腔。

圖11 纖維間距理論模型Fig.11 Theoretical model of fiber spacing

鋼纖維再生混凝土在受力過(guò)程中,先由基體承受外力,隨著外力逐漸增大至基體抗拉強(qiáng)度極限值時(shí),基體出現(xiàn)裂縫,纖維橫跨裂縫開(kāi)始受力,從而抑制裂縫的持續(xù)發(fā)展。

鋼纖維對(duì)再生混凝土抗裂性能的提升主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:①混凝土硬化收縮時(shí),纖維的存在抑制了其收縮變形,從而可減少因收縮產(chǎn)生的裂縫;②受到外載基體開(kāi)裂時(shí),纖維充當(dāng)“連接筋”的作用,從而可抑制裂縫的開(kāi)展,提升再生混凝土的韌性和承載力。

2.3 抗剪承載力變化規(guī)律

對(duì)于四點(diǎn)彎曲加載,試件抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式為:

V=F/2bh0

(1)

式中:V為抗剪強(qiáng)度;F為抗剪承載力;b為梁橫截面寬度;h0為梁橫截面有效高度。

計(jì)算得鋼纖維體積分?jǐn)?shù)0,0.5%,1%,1.5%和2%的試件抗剪強(qiáng)度分別為5.23,5.94,6.42,6.23,5.93MPa,如圖12所示。由圖12可知,隨著鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的增加,SFRAC梁抗剪強(qiáng)度呈先增加后降低的趨勢(shì)。對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合,得到抗剪強(qiáng)度V與鋼纖維體積分?jǐn)?shù)ρ的關(guān)系近似為二次函數(shù):

圖12 試件抗剪強(qiáng)度模擬值Fig.12 Simulated values of shear strength of specimen

V=-0.769ρ2+1.875ρ+5.23

(2)

根據(jù)擬合得到的抗剪強(qiáng)度V與鋼纖維體積分?jǐn)?shù)ρ的關(guān)系式,計(jì)算得,當(dāng)ρ=1.22%時(shí),抗剪強(qiáng)度V達(dá)到最大。因此,基于模擬結(jié)果,暫確定SFRAC梁鋼纖維的合理?yè)搅糠秶鸀?.5%～1.2%。

3 結(jié)語(yǔ)

1) 再生混凝土抗剪破壞具有脆性,鋼纖維的摻入延緩了裂縫的發(fā)展,提高了試件的承載力和延性。

2) 鋼纖維對(duì)再生混凝土抗裂性能的提升主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:①混凝土硬化收縮時(shí),纖維的存在抑制了其收縮變形,從而可減少因收縮產(chǎn)生的裂縫;②受外載基體開(kāi)裂時(shí),纖維充當(dāng)“連接筋”的作用,從而可抑制裂縫的開(kāi)展,提升再生混凝土的韌性和承載力。

3) 鋼纖維的摻入不會(huì)持續(xù)提升SFRAC梁的抗剪承載力,抗剪強(qiáng)度V與鋼纖維體積分?jǐn)?shù)ρ的關(guān)系近似為二次函數(shù),根據(jù)模擬結(jié)果,暫給出鋼纖維的合理?yè)搅糠秶鸀?.5%～1.2%。