使用废弃纤维再生混凝土梁抗裂性能有限元分析★

刘 慈 李小伟 范光糠 迟翠萍 裴长春

(延边大学工学院，吉林 延吉 133002)

使用废弃纤维再生混凝土梁抗裂性能有限元分析★

刘 慈 李小伟 范光糠 迟翠萍 裴长春*

(延边大学工学院，吉林 延吉 133002)

通过ANSYS有限元模拟分析，研究不同组合混杂聚丙烯腈及废弃丙纶纤维对再生混凝土梁抗裂性能的影响。研究结果表明：不同组合聚丙烯腈及废弃纤维的掺入，能够提高再生混凝土梁初始开裂时的跨中弯矩及应力，其中A75B25组试件中，混杂纤维有效地提高再生混凝土梁韧性，继而延缓混凝土开裂，提高梁试件初始开裂荷载；在屈服状态时随着聚丙烯腈及废弃纤维组合的变化，跨中挠度有降低效应。

再生混凝土梁，废弃纤维，抗裂性能，极限承载力，有限元分析

随着城镇化的迅速发展，大量建筑物被拆除重建，产生大量废弃混凝土等建筑垃圾。为了合理处理废弃混凝土，达到资源有效利用和可持续发展的目的，国内外诸多学者[1-3]利用废弃混凝土等废弃物部分取代混凝土天然骨料配制再生混凝土，但因再生骨料在粉碎过程中产生大量微裂缝以及表面较多的水泥浆等内部缺陷，使得再生骨料混凝土强度、韧性、阻裂能力等有不同程度的降低，其在实际工程的应用受到一定的限制。还有，目前随着纺织品在人们日常生活及生产中的广泛地应用，产生大量纺织废料。传统的纺织废料处理方法[4]为垃圾场填埋处理或焚烧处理，但填埋处理需要占用大量场地，并且由于纺织废料中含有大量化学纤维不能自然降解，焚烧处理会产生大量烟尘和有毒气体。据国内外研究资料表明[5,6]：由纺织废料加工而成的废弃纤维能在一定范围内改善再生混凝土力学性能。

为了减少资源浪费、提高再生资源的再利用率、降低环境污染和结构构件成本，本文利用有限元软件ANSYS模拟分析废弃纤维及有机纤维不同组合方式对再生混凝土梁在初始开裂与屈服状态下的跨中弯矩、挠度的影响，为再生资源在结构构件中的扩大应用提供参考。

1 方案设计

本文以未使用纤维的再生混凝土梁为基准梁(简称RC0梁)，对于RC0梁改变A种聚丙烯腈纤维及B种废弃再生丙纶纤维的不同组合5个水准，同时为了比较设计了未掺再生骨料的NC0梁，共设计7根梁。水胶比均采用0.35，混杂纤维体积掺率均为0.15%，梁截面尺寸均设计为120 mm×180 mm，长为1 500 mm，净跨为1 200 mm。纵向受力钢筋采用220(HRB335级)，受压钢筋采用214(HRB335级)箍筋采用8@100的HRB335级钢筋，钢筋弹性模量为200 GPa，梁试件构造图如图1所示。对7根梁进行有限元模拟分析初始开裂和屈服状态下的跨中弯矩和挠度，试验梁参数设计如表1所示。

表1 试验梁参数的设计

试件编号再生骨料取代率/%混杂纤维体积率/%A纤维比例/%B纤维比例/%轴心抗压强度/MPa劈拉强度/MPa弹性模量/MPaNC0000045．523．9633．00RC03000035．643．6826．74A100B0300．15100041．063．3431．41A75B25300．15752542．103．7423．08A50B50300．15505034．763．1732．75A25B75300．15257536．964．322．02A0B100300．15010033．993．6234．47注：试件编号中，字母含义为：1)AxBy表示使用混杂纤维的再生混凝土。其中x是A种(聚丙烯腈)纤维的比例，y是B种(废弃再生丙纶)纤维的比例

2 有限元模型的建立

在钢筋混凝土梁中，将混凝土与钢筋采用分离式模型，混凝土选用Solid65单元，纵向拉压钢筋及横向箍筋均采用Link8单元。建模过程中，本文在梁三等分加载处施加均布荷载(50 mm×120 mm)，在梁的支座处采用了面约束(50 mm×120 mm)用以模拟试验中的刚性垫板，减少应力集中现象。本文选择了修正混凝土本构关系法[7]对混凝土中的聚丙烯腈纤维及废弃再生丙纶纤维进行处理。混杂聚丙烯腈纤维与废弃再生丙纶纤维再生混凝土的弹性模量取值如表1所示，混凝土泊松比取值0.2。混凝土初始开裂和屈服前应力应变视为线性关系，在初裂及压碎后采用William-Warnke破坏准则，在模拟分析过程中，参数设置分别为：张开裂缝剪切传递系数取0.5，闭合裂缝剪切传递系数取0.95，单轴抗拉强度取表1单轴抗拉强度值，单轴抗压强度取表1相应的轴心抗压强度值。

3 有限元模拟结果与分析

3.1初始开裂状态

3.1.1初始开裂时跨中弯矩与挠度

图2为不同组合混杂聚丙烯腈及废弃再生丙纶纤维再生混凝土梁初始开裂时跨中弯矩图。由图2可知，基准组RC0相对NC0组，开裂时，跨中弯矩降低13.04%。相对于基准组RC0而言，掺入不同组合纤维后，再生混凝土梁初始开裂弯矩除A0B100组没有变化外，均有不同程度的提高。其中A75B25组提高幅度最为明显，提高10.01%，其次是A100B0,A25B75,A50B50梁跨中弯矩较基准组分别提高5.01%,5.01%,2.01%，提升的幅度均不大。这主要是由于纤维分散在再生混凝土梁中，能够在一定程度上提高再生混凝土梁的韧性，提高其抗裂能力。

图3为不同组合混杂聚丙烯腈及废弃再生丙纶纤维再生混凝土梁初始开裂时跨中挠度图。如图3所示，基准组RC0相对于天然组NC0开裂时挠度增加2.30%，A100B0,A50B50,A0B100组相对于基准组RC0分别降低7.30%,12.92%,17.98%，这主要是因为加入混杂纤维后，弹性模量较基准组有显著提高，在基本相同开裂荷载下，挠度降低。而A75B25,A25B75组相对于基准组，挠度分别增加22.47%,20.79%。由此可见，当全掺废弃再生丙纶纤维时，将有利于再生混凝土梁试件抵抗开裂弯矩，明显降低其开裂时挠度。

3.1.2等效开裂应力云图

图4为不同比例混杂聚丙烯腈及废弃再生丙纶纤维再生混凝土梁等效开裂应力云图，由图4可知：在初始开裂时，混凝土最大应力出现在跨中区域。首先，RC0组开裂时，跨中应力为2.76 MPa，相对于NC0组降低16.87%，随着不同组合聚丙烯腈及废弃丙纶纤维的掺入，梁的开裂应力均有一定范围的提高，这主要是由于掺入混杂纤维后，使纤维能够与混凝土基体粘结成整体，相当于锚固作用，在一定程度约束裂缝的发展。其中A100B0组提高作用最为明显，相对于基准组RC0试件，提高8.70%，这是因为聚丙烯腈与混凝土基体的粘结能力优于废弃纤维。

3.2构件屈服状态

3.2.1屈服状态时的跨中弯矩与挠度

图5为不同比例混杂聚丙烯腈及废弃再生丙纶纤维再生混凝土梁屈服时跨中弯矩图。由图5可见，首先NC0组屈服弯矩为31.61 kN·m，基准组RC0组屈服弯矩为30.49 kN·m，相对于NC0组降低3.54%，这主要是因为再生骨料的孔隙率高、大量微裂缝等缺陷造成的。随着纤维组合变化A100B0组再生混凝土梁的屈服荷载比RC0组提高了0.21%，但其余试验组A75B25，A50B50，A25B75，A0B100组屈服荷载均较基准组分别降低5.67%，4.85%，6.58%，2.06%。这主要是由于加入混杂纤维后，由于分布不均，造成混凝土抗压强度、劈拉强度及弹性模量参数有不同程度的变化，使略降低再生混凝土梁屈服荷载。

图6为不同比例混杂聚丙烯腈及废弃再生丙纶纤维再生混凝土梁屈服时跨中挠度图。由图6可见，相对NC0组，RC0组屈服挠度降低7.49%，而加入混杂纤维后屈服状态时，挠度均有不同程度的降低。其中A100B0，A75B25，A50B50，A25B75，A0B100分别降低5.08%，1.19%，11.38%，1.29%，10.09%。这主要是由于纤维的掺入，能够分布在混凝土中，有效地改善再生混凝土的内部缺陷，抑制裂缝的发展，因此能够降低再生骨料混凝土梁屈服时跨中挠度。

3.2.2等效屈服应力云图

图7为不同比例混杂聚丙烯腈及废弃再生丙纶纤维再生混凝土梁等效开裂应力云图。由图7可知：基准组RC0试件屈服状态时，混凝土最大应力为53.76 MPa，相对于NC0降低12.68%，随着混杂纤维的掺入，其中A75B25，A25B75组试件屈服时混凝土应力较基准组分别降低11.35%，14.69%，A100B0，A0B100组试件较基准组分别提高7.35%，10.90%，A50B50组没有变化。

4 结语

本文是通过对不同组合聚丙烯腈及废弃丙纶纤维再生混凝土梁试件的ANSYS有限元模拟分析，研究该两种纤维的组合方式对再生混凝土梁抗裂性能的影响，其结果如下：

1)再生骨料混凝土梁在初始开裂状态下，随着聚丙烯腈及废弃再生丙纶纤维组合的变化，能够有效阻止裂缝发展，提高再生混凝土梁的韧性，对初始开裂弯矩有较好的提高作用，其中A75B25组提高效果最为明显，然后依次为A100B0,A25B75,A50B50,A0B100组。

2)再生骨料混凝土梁在屈服状态下，随着聚丙烯腈及废弃再生丙纶纤维组合变化，屈服弯矩除A100B0组有较小提升作用外，其他组小幅度的降低，降低幅度为2.06%～5.67%。

3)随着聚丙烯腈及废弃再生丙纶纤维组合的变化，相对于基准组初始开裂时，A100B0,A50B50,A0B100组试件梁挠度均有小幅度地降低，A75B25,A25B75组均有所提高；屈服状态时，各不同组合纤维再生混凝土梁挠度均降低，降低幅度为1.19%～10.09%。

总结以上，使用废弃纤维能够有效阻止再生混凝土梁裂缝开展。

[1] 肖建庄，兰 阳.再生粗骨料混凝土梁抗弯性能实验研究[J].特种结构,2006，23(1)：9-12.

[2] 刘永胜，王肖钧，金 挺，等.钢纤维混凝土力学性能和本构关系[J].中国科学技术大学学报,2007，37(7)：717-723.

[3] 许成凯，裴长春.不同种类有机纤维再生混凝土梁抗裂性能试验研究[J].山西建筑,2016，42(2)：109-111.

[4] 张 丽，刘梁森，邱冠雄.废弃纺织材料回收利用的研究进展[J].纺织学报,2013，34(4)：153-160.

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[7] 张海龙.钢纤维高强再生混凝土梁抗弯性能试验研究[D].延吉：延边大学,2016.

Finiteelementanalysisofanti-crackingperformanceofwastefiberreinforcedconcretebeams★

LiuCiLiXiaoweiFanGuangkangChiCuipingPeiChangchun*

(CollegeofEngineering,YanbianUniversity,Yanji133002,China)

In this paper, the influence of different combinations of polyacrylonitrile and waste polypropylene fiber on the cracking resistance of recycled concrete beams was studied by ANSYS finite element simulation. The results show that the incorporation of different combinations of polyacrylonitrile and waste fiber can improve the mid-span moment and stress in the initial cracking of recycled concrete beams. In the A75B25specimen, the hybrid fibers can effectively improve the toughness of recycled concrete beams. Delaying the cracking of concrete and improving the initial cracking load of the beam specimen. In the yield state, with the change of the combination of polyacrylonitrile and waste fiber, there were reducing effects on the mid-span deflection.

recycled concrete beams, waste fiber, crack resistance, ultimate bearing capacity, finite element analysis

1009-6825(2017)30-0045-03

2017-08-13★:延边大学大学生创新创业项目(项目编号：ydbksky2017049)

刘 慈(1995- )，男，在读本科生

裴长春

TU311

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