地下室侧墙纤维混凝土抗裂性能研究

纤维混凝土上的抗裂性能研究

第25卷第1期2008年3月　华　中　科　技　大　学　学　报(城市科学版)

J.ofHUST.(UrbanScienceEdition)Vol.25No.1Mar.2008

地下室侧墙纤维混凝土抗裂性能研究

周　露

1a,1b

,　王伟健,　

2

雨林

1a,1b

,　彭　畅

1a,1b

,　李作华

1a,1b

,　吴晓帆

1a,1b

(1.华中科技大学　a.土木工程与力学学院;b.控制结构湖北省重点实验室,湖北　武汉　430074;

2.江西省建筑设计研究总院,江西　南昌　330046)

摘　要:目前,控制地下室侧墙裂缝主要借鉴大体积混凝土经验,不能有效地预防墙体裂缝。本文应用有限元ANSYS软件,分析掺有聚丙烯纤维的混凝土地下室侧墙浇筑后14d内的温度、混凝土收缩应力,得出温度和应力分布、变化的一般规律,侧墙应力最大部位为侧墙中部、侧墙与底板相交处。采用经验公式计算素混凝土与相同配合比的聚丙烯纤维混凝土各龄期的抗拉强度,并与同龄期侧墙最大拉应力比较,证明混凝土中掺入合成纤维,提高了混凝土的抗裂性能,确保地下室侧墙混凝土在施工期不出现裂缝。关键词:纤维混凝土;　地下室侧墙;　温度收缩应力;　ANSYS;　抗裂性能

中图分类号:TU528.572;　　文献标识码:A　　文章编号:1672-7037(2008)01-0092-05

混凝土结构失效概率的较高阶段集中在混凝土施工期和老化期,混凝土施工期产生的裂缝或缺陷,将导致混凝土提前出现劣化,造成结构的可靠性降低。将合成纤维掺入混凝土,可以提高混凝土的抗裂性能,纤维在混凝土中的作用相当于杂乱分布的微细钢筋,纤维与混凝土之间的粘结机理与钢筋和混凝土之间的粘结类似。

纤维混凝土中,合成纤维的主要作用有:减少混凝土的原始缺陷,降低各种缺陷的尺度;使混凝土中粗集料分布更加均匀,提高混凝土内在品质,改善混凝土抗渗透性;降低混凝土表面水分的蒸发速率;降低混凝土内外部温、湿度差;提高混凝土的早期抗裂性能;提高混凝土的变形能力,增加混凝土的韧性和抗冲击、抗疲劳性能。

1.1　纤维间距理论

当纤维混凝土块体中的裂缝长度等于纤维的平均中心间距时,纤维混凝土的抗拉强度可按下

式计算:

Rfc=

cr

Kc

-

,(1)

BS

式中,Kc为纤维混凝土的断裂韧性;B为常数。当-S小于7.6mm时,纤维混凝土的抗拉强度可显著提高。

1.2　复合材料理论

该理论将纤维混凝土视为复合材料,纤维混凝土为多相系统,其性能是各相性能的加和值,纤维混凝土抗拉强度按下式计算:

Rfc=Rm[1+(G0n-1)Vf],

cr

u

(2)

1　纤维阻裂机理

纤维阻裂机理有两种理论,一是美国

纤维间距理论”,根据断裂力学Romualdi提出的“

解释纤维对混凝土裂缝的阻裂作用,认为要提高混凝土强度,必须减少混凝土中的原始缺陷、裂缝

数量和尺度;当纤维间距小于某一值后,混凝土抗拉强度提高。二是英国Swamy提出的“复合材料理论”,从复合材料构成原理出发,把纤维看做混凝土的强化体系,应用混合原理推定纤维混凝土的抗拉强度,提出了纤维混凝土抗拉强度与纤维掺入量、方向、长径比及粘结力之间的关系。

收稿日期:2007-06-12

[1]

u

式中,Rcrfc为纤维混凝土抗拉强度;Rm为水泥基材

的抗拉极限强度;Vf为纤维的体积率;n=Ef/Em,

0Em和Ef分别为水泥基材与纤维的弹性模量;G

为纤维在混凝土中的取向系数,一维、二维及三维的取向系数分别为1.00,0.803和0.637。

纤维混凝土中存在一临界纤维体积率,当纤维体积率大于临界值时,纤维混凝土的抗拉强度较未掺纤维的普通混凝土明显提高。临界纤维体积率按下式计算:

Rum

Vc=。

Rf+Rm-EfEm

(3)

:,

纤维混凝土上的抗裂性能研究

第1期周　露等:地下室侧墙纤维混凝土抗裂性能研究

93　　

2　工程实例分析

某工程地下室[2]长36m,墙高4.2m(其中有

0.4m与基础底板一起浇注),墙厚400mm,地下室底板厚1m,混凝土的强度等级为C40,混凝土中掺入体积含量为0.9%(大于临界纤维体积率)的聚丙烯纤维。

聚丙烯纤维为束状单丝纤维,单丝的直径为48Lm,与水密度的比值为0.91,纤维含湿量小于0.1%,纤维抗拉强度为300～450MPa,弹性模量为3.5～5GPa,约为混凝土的1/10。2.1　计算假定

采用ANSYS软件,对掺入聚丙烯纤维的地下室混凝土侧墙进行有限元分析,分析时采用如下基本假定:

(1)纤维混凝土为各向同性的均质材料,不考虑混凝土内钢筋的影响,结构在静力和温度作用下,混凝土始终处于弹性变形范围内;

(2)基础底板混凝土收缩变形已完成,侧墙纤维混凝土收缩变形均匀分布;

(3)在侧墙温度场范围内,材料的特性不随温度而改变;

(4)不考虑纤维与混凝土之间的粘结滑移;(5)不考虑与侧墙整浇的框架柱对墙体影响;(6)聚丙烯纤维为各向异性材料,纤维在混凝土中为三维乱向分布,根据纤维混凝土复合材料理论,有限元分析时采用普通混凝土的本构模型,纤维混凝土弹性模量为普通混凝土弹性模量的95%。

2.2　初始条件和边界条件

该工程墙体下端与基础底板连接,上端与地下室顶板连接。由于顶板厚度相对墙体和底板较薄,可认为墙体与顶板同步变形,本工程侧墙拆模时,尚未浇筑顶板混凝土,可将计算模型简化为沿墙长下端与底板为固定约束,上端为自由。计算侧墙温度场时,底板底部和侧面按绝热状态考虑,底板上部和墙体顶部与空气接触。墙体内外两表面,拆模前模板表面与空气为热对流边界,拆模后混凝土光滑表面与空气为热对流边界[2]。计算墙体应力场时,取2.4m宽基础底板与侧墙相连,底板底部取固定约束,底板侧面赋予垂直该表面墙体的位移约束。

计算侧墙混凝土温度场时,混凝土单元的初始温度为浇筑温度,取为25℃,混凝土比热为0.

) ℃),水泥生热量为330×536×(1-exp(-0.69×(i/24)0.56))(i为时间,h),拆模前混凝土表面有20mm厚的木模,其比热为1.8kJ/(kg ℃),导热系数为0.837kJ/(m h ℃)。混凝土侧墙浇筑7d后拆模,混凝土表面受风速的影响,浇水养护期混凝土表面放热系数为54kJ/(m h ℃),模板的对流系数为48.5kJ/(m h ℃),环境温度最高温度为29℃,最低为20℃[3]。

计算应力场时,读入热分析结果,将其作为结构荷载。C40混凝土,弹性模量为1-exp(-0.28

0.52

×(i))×3e10N/mm2,密度为2400kg/m3,泊松比为0.2,线膨胀系数为1.0×10-5/℃,施工期间不采取任何温度控制措施[3]。

2.3　建立模型及计算

热分析采用SOLID70单元,应力分析采用SOLID45单元;热分析完毕后,把热分析结果导入SOLID45单元进行应力计算。按间接法,先进行热分析,求出每个迭代步的温度,进而求出相邻时间的温差,用对应时刻的弹性模量求出每个迭代步温度应力的增量,最后将所计算的应力值叠加后得到每天的温度应力。结构分析模型采用三维实体模型,根据地下室侧墙结构几何对称的特点,选取1/2长侧墙与相应2.4m宽的基础底板建模(图1),吊模段取为0.4m。规定沿墙体长、高、宽方向分别为x,y,z轴。

[4～6]

2

2

图1　地下室侧墙的计算模型及网格划分

2.4　聚丙烯纤维混凝土侧墙的温度场2.4.1　沿侧墙长度方向温度分析

分析温度场时,设定每12h为一个迭代步,考虑浇筑后14d的温度场,总共28个迭代步。有限元分析时,近似认为底板的水化热已经结束。

地下室侧墙纤维混凝土浇筑后,沿墙体长度方向温度分布见图2。侧墙表面温度分布较为均匀,截面内温度高于侧墙表面温度,墙中间温度明显高于墙顶部和底部与底板连接处;墙顶部暴露

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低于侧墙中间部位的表面温度,这是由于底板吸

收了部分侧墙热量所致。

温度已接近最大值,节点1159的温度在第2天达到最高温度的93%,第4天达到最高温度75℃,此后温度下降迅速;节点904在第2天达到最高

温度52.5℃,温度达到最高后开始下降,此后温度下降较慢。

图2　沿X方向,第5天温度场

图5　节点1159和904温度变化曲线

2.4.2　沿侧墙厚度及高度方向温度分析

地下室侧墙纤维混凝土浇筑后各龄期,沿墙体高度方向温度分布见图3和图4,侧墙截面内温度场云图呈圈状分布,中心温度最高,沿着Y,Z两个方向温度依次降低;随着侧墙混凝土龄期的增长,截面中心温度最高的区域逐渐减小,且侧墙水化热不断传递到底板,造成底板与侧墙相交

处温度高于底板其它部位的温度。

2.5　应力分析

2.5.1　沿侧墙长度方向应力分析

地下室侧墙纤维混凝土浇筑后,沿墙长方向正应力Rx分布见图6。从图6可见,靠近墙端和墙顶约束越小,应力也越小,Rx的最大值出现在侧墙与底板相交处,无论墙体受温度作用,产生何种变形,底板对侧墙的约束总是最大,此约束阻止侧墙变形,使侧墙产生了较大的拉应力。由于墙中间截面X=0处,受到底板及侧墙自身约束最大,最大拉应力出现在侧墙与底板相交处(X=0)截面。

图3　沿Y方向,第3天X=0

截面温度场

图6　第5天沿X方向的应力场

2.5.2　沿侧墙厚度及高度方向应力分析侧墙中间截面X=0处Rx沿墙截面厚度、高度方向的分布见图7。侧墙截面正应力Rx的分布

图4　沿Y方向,第14天X=0截面温度场

侧墙纤维混凝土温度随时间变化,选取X=0截面有代表性的节点1159(截面中心,坐标为(0,1.9,-0.2))和节点904(0,0.2,-0.2),其温度随时间变化的规律见图5。侧墙混凝土浇筑后早

,,2

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第1期周　露等:地下室侧墙纤维混凝土抗裂性能研究

95　　

与截面温度分布完全不同,侧墙截面温度值为中间大,两边小,温度由里向外逐渐降低;而Rx为中间小,两边大,由里向外逐渐增大,侧墙表面应力

最大;由于木模板的导热系数小,对混凝土有很好的保温作用。第7天拆模后,混凝土表面放热系数突然增大,温度降低,混凝土拉应力明显增大。浇筑初期,由于纤维混凝土弹性模量很小,故收缩应力小,随着混凝土逐渐结硬,弹性模量增加,墙体内出现较大的拉应力。

2.6　侧墙纤维混凝土的抗裂效应

在Rx最大的区域,取节点2258(0,0.2,0),将ANSYS计算出的该节点各龄期Rx值列于表1。

表1　节点2258各龄期的Rx值

龄期/d1234应力/-0.80-1.61-0.080.03龄期/d7应力/MPa0.33

91.65

101.93

111.58

51.24140.72

60.26

第10d拉应力达到最大值,该节点应力曲线与相应的素混凝土抗拉强度曲线相交于2点,说明在交点2对应时刻,墙体混凝土拉应力Rx达到或超过素混凝土抗拉强度,混凝土出现裂缝。掺入体积率为0.9%的聚丙烯纤维后,聚丙烯纤维混凝土的抗拉强度曲线始终位于素混凝土抗拉强度曲线之上,说明聚丙烯纤维的掺入,提高了混凝土抗拉强度,避免了裂缝出现。

根据前苏联水工科学院所做的试验,混凝土抗拉强度的变化规律服从下式[7]:

2/3

ft(S)=0.8ft0(lgS),

图8　应力与混凝土抗拉强度比较

(4)

根据公式(2)计算出的聚丙烯纤维混凝土抗拉强度仅限于弹性阶段,掺入聚丙烯纤维后,纤维混凝土的延性和韧性大大提高,在塑性阶段纤维混凝土的抗拉强度与素混凝土相比增幅将更为显著,图8中聚丙烯纤维混凝土的抗拉强度被低估。

式中,ft(S)为不同龄期混凝土的抗拉强度;S为混凝土的龄期;ft0为混凝土28d龄期的抗拉强度。依式(4)可得C40混凝土各龄期的抗拉强度,列于表2。

表2　C40混凝土各龄期的抗拉强度龄期/d强度/MPa龄期/d强度/MPa

20.8671.71

31.1791.85

41.36101.90

51.51111.96

61.62142.09

3　结　论

(1)低掺量纤维掺入混凝土中不改变混凝土的化学性质,但能显著提高混凝土的抗裂、抗渗、抗冲击性能以及韧性。

(2)地下室侧墙浇筑后,沿墙长方向,中间温度较高,墙顶和墙底与底板连接处温度较低。

(3)地下室侧墙截面内温度场云图呈圈状分布,中心的温度最高,沿着墙高、厚两个方向温度依次降低。

(4)混凝土受温度作用产生变形,当变形受到约束时产生应力,侧墙沿墙长方向的应力开始为压应力,随着侧墙温度升高,压应力逐渐增大,之后随着墙体温度的降低压应力逐渐减小并发展成拉应力。

(5)地下室侧墙截面内沿墙长方向拉应力的分布与截面温度的分布完全不同,侧墙截面温度值为中间大、两边小,温度由里向外逐渐降低;而Rx为中间最小、两边大,由里向外逐渐增大,表面应力值最大。

聚丙烯纤维混凝土的抗拉强度可按(2)式计算。由于聚丙烯纤维的弹性模量约为混凝土的1/10,故n取值10;纤维在混凝土中三维乱向分布,

0取0.637。按式(2)可得各龄期聚丙烯纤维混凝G

土的抗拉强度,列于表3。

表3　聚丙烯纤维混凝土各龄期的抗拉强度龄期/d强度/MPa龄期/d强度/MPa

20.9071.80

31.2391.94

41.43102.00

51.59112.06

61.70142.19

图8给出了节点2258各龄期的应力与混凝土抗拉强度的关系。侧墙纤维混凝土浇筑早期,由于侧墙内水泥水化放热,侧墙温度升高,墙体内产生压应力。随着侧墙内温度不断降低,压应力开始转化为拉应力。当纤维混凝土抗拉强度曲线高于侧墙同龄期拉应力曲线时,墙体不会开裂;当两条曲线相交时,则在交点对应时刻混凝土开裂。

x

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高了混凝土抗拉强度,避免了收缩裂缝产生。

[6]　

参

考

文

献

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ofBasementSpandrelWall

ZHOULu

1a,1b

,　WANGWei-jian,　JIYu-lin

LIZuo-hua

1a,1b

21a,1b

,　PENGChang

1a,1b

1a,1b

,

,　WUXiao-fan

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2.JiangxiArchitecturalDesignandResearchGeneralInstitute,Nanchang330046,China)Abstract:Atpresent,thecrackcontrollingofbasementspandrelwallmainlydependsontheexperienceofmassconcretecrackcontrollinganditseffectisunsatisfied.ThispaperappliedthesoftwareANSYStoanalyzethetemperatureandshrinkagestressofthespandrelwallwhichpolypropylenetextilefiberwasmixed.Somedistributionlawsoftemperatureandstressofspandrelwallweregained.Thenthispaperusedtheexperienceformulatocalculatethetensilestrengthsofplainconcreteandthesamemixtureratiopolypropylenefiberreinforcedconcreteduringvariousconcreteages,andcomparedwiththemaximumstressoccurredinthewall.Theresultsofthecomparisonprovethatthefiberenhancesthecrackresistanceofthebasementspandrelwallconcreteasitenhancestheconcretetensilestrength.

Keywords:fiberreinforcedconcrete;basementspandrelwall;temperatureshrinkagestress;

ANSYS;crackresistance

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/x0zm.html