复合受剪钢纤维再生混凝土破坏机理及强度计算_陈宇良.pdf

文章编号：1000-4750(2023)03-0088-10复合受剪钢纤维再生混凝土破坏机理及强度计算陈宇良1,2，姜锐1，陈宗平1,3，张绍松1(1.广西科技大学土木建筑工程学院，广西，柳州545006；2.华南理工大学土木与交通学院，广东，广州510641；3.广西防灾减灾与工程安全重点实验室，广西，南宁530004)摘要：为研究钢纤维再生混凝土在复合受剪状态下的力学性能，以取代率、法向应力和钢纤维掺量为变化参数，设计了 102 个标准立方体试件进行复合受剪试验。观察了钢纤维再生混凝土在直剪、压剪作用下的破坏形态，获取了其在直剪、压剪作用下的全过程剪切应力-位移曲线，深入分析了取代率、法向应力和钢纤维掺量对钢纤维再生混凝土剪切强度、峰值位移的影响规律。结果表明：随着法向应力的增大，剪切强度逐渐增大；随着取代率的增加，掺量为 0%的钢纤维再生混凝土剪切强度随之减小，掺量为 1%的钢纤维再生混凝土剪切强度先增大后减小；与掺量为 0%的钢纤维再生混凝土相比，掺量为 1%的钢纤维再生混凝土平均剪切强度提高了 10.77%；提出了剪切强度公式，所得计算值与试验值吻合良好。关键词：再生混凝土；钢纤维；复合受剪；破坏机理；强度计算中图分类号：TU528文献标志码：Adoi:10.6052/j.issn.1000-4750.2021.08.0677FAILUREMECHANISMANDSTRENGTHCALCULATIONOFCOMPOSITESHEARSTEELFIBERRECYCLEDCONCRETECHENYu-liang1,2,JIANGRui1,CHENZong-ping1,3,ZHANGShao-song1(1.SchoolofCivilEngineering,GuangxiUniversityofScienceandTechnology,Liuzhou,Guangxi545006,China;2.SchoolofCivilEngineeringandTransportation,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,Guangdong510641,China;3.GuangxiKeyLaboratoryofDisasterPreventionandMitigationandEngineeringSafety,Nanning,Guangxi530004,China)Abstract:To investigate the mechanical behavior of steel fiber recycled concrete under a composite shearcondition,102standardcubicspecimensweredesignedforthecompositesheartestwithasubstitutionrate,withnormalstressandwithsteelfibercontentaschangingparameters.Thefailuremodesofsteelfiberrecycledconcreteunderdirectshearandcompressionshearwereobserved,andtheshearstress-displacementcurvesofthewholeprocesswereobtained.Theinfluencesofsubstitutionrate,ofnormalstressand,ofsteelfibercontentontheshearstrengthandonthepeakdisplacementofsteelfiberrecycledconcretewereanalyzedindepth.Theresearchshowsthatshearstrengthincreaseswiththeincreaseofnormalstress.Theshearstrengthofrecycledconcretewithsteelfibercontentof0%decreaseswiththeincreaseofsubstitutionrate.Theshearstrengthofrecycledconcretewithsteelfibercontentof1%increasesfirstandthendecreaseswiththeincreaseofsubstitutionrate.Theaverageshearstrengthofsteelfiberrecycledconcretewiththecontentof1%increasesby10.77%comparedwiththe steel fiber recycled concrete with the content of 0%.The shear strength formula is presented,and thecalculatedresultsagreewellwiththetestresults.Keywords:recycledconcrete;steelfiber;compositeshear;failuremechanism;strengthcalculation收稿日期：2021-08-31；修改日期：2021-12-02基金项目：国家自然科学基金项目(51908141)；中国博士后科学基金项目(2021M693854)；广西自然科学基金项目(2019GXNSFBA245030)；广西重点实验室开放课题项目(2019ZDK038)；广西科技大学博士基金项目(校科博 18Z09)通讯作者：陈宗平(1975)，男，广西玉林人，教授，博士，博导，主要从事再生混凝土、钢-混凝土组合结构研究(E-mail:).作者简介：陈宇良(1987)，男，广西贵港人，副教授，博士，硕导，主要从事再生混凝土、钢-混凝土组合结构研究(E-mail:);姜锐(1995)，男，湖南永州人，硕士生，主要从事再生混凝土、钢-混凝土组合结构研究(E-mail:);张绍松(1998)，男，江西新余人，硕士生，主要从事再生混凝土、钢-混凝土组合结构研究(E-mail:).第40卷第3期Vol.40No.3工程力学2023 年3月Mar.2023ENGINEERINGMECHANICS88再生混凝土力学性能略低于天然混凝土14。在再生混凝土中加入钢纤维，能弥补再生混凝土中再生粗骨料性能不足的缺陷，有效提高再生混凝土的各项力学性能58。在实际工程中，混凝土构件多处于压-剪复合受力状态910。因此，研究复合受剪作用下钢纤维再生混凝土的力学性能对于丰富再生混凝土理论具有重大意义。邓志恒等11以取代率、压应力比为变化参数进行了复合受剪试验，得出直剪强度随取代率的增大而减小，压剪强度随压应力比的增加逐渐增大；林拥军等12研究了新老混凝土无锚筋结合面的抗剪强度计算方法，推导出了抗剪强度统一计算公式；WONG 等13研究了法向应力对混凝土剪切强度的影响，探究了直剪作用下剪切面之间的接触摩擦，剪胀现象和水泥骨料的粘结规律，得出剪切强度随法向应力的增大而增大；熊焱等14研究了自密实再生块体的直剪性能，得出再生块体混凝土内新混凝土与废旧混凝土粘结良好，并提出了直剪强度计算公式；YU 等15研究了各轴压比下混凝土的剪切强度和残余剪切强度，分析了各阶段的力学特性，得出剪切强度随轴压比的增大而线性增加；WASEEM 等16以法向力和取代率为变化参数，研究再生混凝土的剪切强度，得出法向应力和混凝土强度等级对剪切强度影响更显著。综上，国内外学者通过不同研究方法对钢纤维混凝土、钢纤维再生混凝土的受剪性能进行了研究，但现有的研究仍未能系统揭示钢纤维再生混凝土的力学性能变化规律。为此，本文以取代率、法向应力和钢纤维掺量为变化参数进行复合受剪试验，观察钢纤维再生混凝土复合受剪作用下的破坏形态，分析其力学性能变化规律，以期完善钢纤维再生混凝土的理论。1试验概况1.1试件原材料及配合比设计采用 PO42.5 普通硅酸盐水泥；天然粗骨料为普通碎石，再生粗骨料由实验室试验后混凝土梁(原始强度为 C30)经颚式破碎机破碎、筛分所得，粗骨料粒径均为 5mm20mm，连续级配，基本物理性质如表 1 所示；细骨料为天然河砂；拌和用水为城市自来水；采用波纹型钢纤维，长 37mm，宽 3mm，厚度 0.9mm，密度 7850kg/m3；抗拉强度大于 1150MPa。配合比设计以取代率 0%为基准，目标设计强度为 C35。由于再生粗骨料吸水率远大于天然粗骨料，为保证再生混凝土和易性，当再生粗骨料取代率为 100%时，每立方米混凝土增加用水量25kg，其余用水量随再生粗骨料取代率的增加而增加，具体配合比详见表 2。1.2试件设计与制作以法向应力、取代率、钢纤维掺量为变化参数，设计并制作了 102 个尺寸为 150mm150mm150mm 的标准立方体试件。法向应力(u)考虑了 0MPa、3MPa、6MPa 三种情况，取代率表1骨料基本物理性能Table1Basicparametersofaggregates名称表观密度/(kg/m3)堆积密度/(kg/m3)压碎指标/(%)含水率/(%)吸水率/(%)天然粗骨料NA2703.901499.9017.150.070.43再生粗骨料RA2599.601321.3025.631.555.35砂S2625.831638.770.45表2钢纤维再生混凝土配合比Table2MixproportionofSRAC取代率r/(%)水灰比W/C混凝土材料用量/(kg/m3)水泥C水W砂S天然粗骨料NA再生粗骨料RA钢纤维SF00.43498215.0054111530.00078.5300.45498222.95541807.0346.078.5500.46498227.87541577.0577.078.5700.47498232.79541346.0807.078.51000.48498240.005410.000115378.5工程力学89(r)考虑了 0%，30%，50%，70%，100%五种情况，钢纤维体积掺量(Vf)考虑了 0%、0.5%和1%三种情况，共 31 组，每组 3 个，共 93 个试件，进行直剪和压剪试验(为得出剪切强度与抗压强度之间的换算系数，同时制作了 3 组共 9 个立方体试件，对其进行抗压试验，钢纤维掺量考虑了 0%和 1%两种情况，取代率考虑了 0%和 100%两种情况)，详细参数见表 3。表3试件的设计参数Table3Parametersofspecimens编号法向应力u/MPa取代率r/(%)钢纤维体积掺量Vf/(%)编号法向应力u/MPa取代率r/(%)钢纤维体积掺量Vf/(%)R-100.000.0SR-100.001R-2030.00.0SR-2030.01R-3050.00.0SR-3050.01R-4070.00.0SR-4070.01R-501000.0SR-501001R-630.000.0SR-630.001R-7330.00.0SR-7330.01R-8350.00.0SR-8350.01R-9370.00.0SR-9370.01R-1031000.0SR-1031001R-1160.000.0SR-1160.001R-12630.00.0SR-12630.01R-13650.00.0SR-13650.01R-14670.00.0SR-14670.01R-1561000.0SR-1561001R-1601000.5注：R-1 中 R 为再生混凝土；SR-1 中 SR 为钢纤维再生混凝土。参照纤维混凝土试验方法标准(CECS132009)17，试验采用强制式搅拌机搅拌混凝土，投料前对搅拌机进行预湿处理。投料顺序按粗骨料、细骨料、水泥的顺序依次投入，干拌 60s，待骨料与水泥混合均匀后，将钢纤维连续均匀投入，干