基于细观结构的塑钢纤维混凝土破坏机理研究

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目前,塑钢纤维混凝土已广泛应用于国内外的工程实际中,在现阶段,我国对塑钢纤维混凝土的力学性能研究大多局限于试验阶段,但宏观试验很难反映出试件细观结构的发展变化过程,而利用数值模拟技术可弥补这一不足。  本文在细观层次上将塑钢纤维混凝土看作是由粗骨料、砂浆、纤维组成的非均质多相复合材料。利用瓦拉文公式计算出二维平面内塑钢纤维混凝土各级配骨料的颗粒数,再通过纤维掺量计算出二维平面内纤维的根数。通过MATLAB有限元软件自主编程,在二维平面内生成符合条件的,骨料与纤维随机分布的塑钢纤维混凝土数值模型。将该模型导入到有限元软件 ANSYS中,分别模拟了纤维掺量为0.0%、0.5%、0.8%、0.9%、1.0%、1.1%、1.2%时,塑钢纤维混凝土的立方体抗压强度试验和劈裂抗拉强度试验。  通过数值计算,得到纤维掺量为0.9%时,塑钢纤维混凝土的力学性能最优。此时混凝土的立方体抗压强度提高了16%,劈裂抗拉强度提高了26%。对比纤维掺量为0.0%与0.9%时,不同受力状况下,两组模型的位移云图,应力云图以及裂纹扩展图,分析结果可知:  在立方体抗压强度试验中,两组模型均水平向外膨胀变形,垂直向下变形。在加载初期,塑钢纤维混凝土较基准混凝土的水平向位移值降低了5.9%;从应力云图来看,塑钢纤维混凝土的水平向应力在不同荷载步时有9%~27.8%不同程度的降低,塑钢纤维可改善混凝土的传力路径和受力性能,提高混凝土的极限承载力,延缓混凝土破坏。  在劈裂抗拉强度试验中,塑钢纤维对混凝土的水平向位移变形有很好的抑制作用,而对垂直向位移几乎没有影响;从应力图来看,水平向拉应力区主要分布在试件的中部,垂直向拉应力区则分布在试件左右两侧及中部的界面处;塑钢纤维混凝土的水平向应力在不同荷载步下有47.3%~50%不同程度的降低。表明塑钢纤维可有效分担混凝土内部受拉应力,延缓混凝土破坏。  由裂纹图可知,两种受力状态下,塑钢纤维均有很好的阻裂增韧作用,且裂纹均从骨料与砂浆的粘结界面萌生。塑钢纤维混凝土较基准混凝土,裂缝发展稳定,贯通裂缝数量少、宽度窄。
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