混凝土体积稳定性的有限元分析

混凝土体积稳定性的有限元分析
发布时间：2021-06-23T14:51:28.597Z 来源：《建筑科技信息》2020年11期作者：井国锋[导读] 本文通过试验研究和ANSYS数值模拟结合的方法,对膨胀剂混凝土的基本力学性能做研究。

摘要:现如今,我国的经济在快速发展,社会在不断进步,在应用混凝土时,如何控制由于水泥水化热而引起的裂缝,成了长期困扰人们的一大难题。

经过研究发现,MgO可以和水反应,生成Mg(OH)2,在这一过程中,自身体积膨胀,可以有效地补偿砼的体积变化,所以在混凝土中掺加一定量的MgO膨胀剂,可以有效的控制混凝土的裂缝开展。

本文通过试验研究和ANSYS数值模拟结合的方法,对膨胀剂混凝土的基本力学性能做
研究。

关键词:混凝土;体积稳定;膨胀剂;有限元;试验研究
引言
混凝土破坏和拆除过程中,不可避免地会产生大量的建筑固体废弃物,将其破碎过筛可得到不同等级和粒径的再生粗细骨料,这一技术已逐渐成为资源化利用建筑固体废弃物的主要方法之一,利用再生粗细骨料制备混凝土,已在实际工程中得到了成功应用。

但在生产再生粗细骨料的过程中,会产生一定量的粉体,这些粉体可根据需要进一步粉磨至一定的细度,称之为再生微粉。

再生微粉主要包括水泥的水化产物以及一些未水化的胶凝材料颗粒,具有一定的胶凝性,其性质主要受用于制备再生微粉的废弃混凝土的配合比、水胶比和使用龄期等影响。

水胶比越低、使用龄期越短、配合比中活性矿物掺合料越多,则废弃混凝土制备的再生微粉潜在活性越大。

此外,再生微粉的活性也可以采用一些物理和化学方法进行激发活化,从而制备一些特种混凝土或改善混凝土的部分性能,若将再生微粉与其他矿物掺合料混合使用,效果更好。

为进一步推动再生微粉在混凝土中的应用,国内外学者围绕再生微粉对混凝土性能的影响开展了大量研究,主要集中在再生微粉性质表征及活化、再生微粉混凝土工作性和强度,并涉及部分耐久性能,但对混凝土体积稳定性研究很少。

混凝土干燥收缩是其体积稳定性的重要组成部分之一,较大的干燥收缩容易引起混凝土开裂,从而影响混凝土结构安全性,而徐变也是混凝土结构设计中必须考虑的重要参数之一。

此外,混凝土的体积变化会引起混凝土及其结构的变形和开裂,降低混凝土的抗碳化、抗氯离子渗透和钢筋锈蚀等耐久性能,从而严重影响混凝土及其结构的安全性。

1新拌混凝土工作性的含义及确定的依据对于新拌混凝土的工作性,目前还没有一个公认的确切定义。

1932年,Powers将新拌混凝土的工作性定义为:工作性是一种确定拌和物浇灌难易程度和抵抗离析能力的性能,它包括了流动性和内聚性两种作用。

1947年,英国道路研究试验室的Glanville、Collins和Matthews认为,工作性只反映新拌混凝土本身的特性,并将工作性定义为使新拌混凝土达到充分密实所需要的有效功(即克服内摩擦而做的功)。

Hallstom、Newman、Poppvies、Hughes及太卷等人也分别在1951年、1960年、1966年、1968年和1970年提出过工作性的定义。

1983年,黄大能等将新拌混凝土的工作性定义为“混凝土拌和物在拌和、运输、浇筑、捣实、抹平一系列操作过程中,在消耗一定能量情况下,达到稳定和密实的程度”,并认为工作性的含义应包括流动性、可塑性、稳定性、易密性四种特性,缺一不可。

尽管目前对新拌混凝土的工作性还没有一个统一的定义,但可以肯定,新拌混凝土的工作性并非仅仅是流动性的表征,而应是多方面特性的表征。

作者尤其强调新拌混凝土的稳定性,并指出:新拌混凝土的稳定性指的是从时间上要保持稳定,从空间上也要保持稳定。

从时间上说,由于新拌混凝土的制备与使用不是在同一个地方,从制备地点到使用地点需要经过一个运输过程,需要一定的运输时间,在这段时间内,新拌混凝土的性能不能发生较大的变化。

从空间上说,新拌混凝土在各种作用(如重力作用、机械振捣作用等)下,能够保持原有的均匀性。

从上述定义看,人们早就认识到新拌混凝土的工作性不仅仅指流动性,它具有多方面的内涵。

在Powers的定义中,不仅注意到流动性,也注意到内聚性;不仅注意到浇灌的难易程度,也注意到抵抗离析的能力。

在黄大能的定义中,也明确指出新拌混凝土的工作性不仅指流动性,还包括可塑性、稳定性和易密性。

由此可见,对于新拌混凝土来说,稳定性或抵抗离析的能力是非常重要的。

在混凝土的施工过程中,仅仅提高新拌混凝土的流动性,不改善新拌混凝土的可塑性、稳定性和易密性,就无法保证新拌混凝土的正常施工。

如果为了提高新拌混凝土的流动性而使新拌混凝土的可塑性、稳定性和易密性变差,反而会影响混凝土的施工。

对于大流动性混凝土来说,稳定性与流动性是同等重要的。

流动性是大流动性混凝土的特征性能,稳定性则反映保持原有均匀性的能力。

目前,新拌混凝土离析现象十分严重,正是由于缺乏对新拌混凝土稳定性的控制。

2 混凝土体积稳定性的有限元分析 2.1建立ANSYS模型 (1)定义文件名有限元分析的第一步就是定义文件名,这是建模的基础部分,方便建模后能够快速找到该文件。

文件名为concrete,点击运行。

(2)设置单元类型根据ANSYS软件提供的单元类型,本次模拟所采用的是SOIID65单元。

具体操作是MainMenu→Preprocessor→Elementtype→Add/Edit/Delete打开elementtype对话框,然后点击Add,选择SOIID65单元。

(3)设置材料属性在菜单MainMenu中打开材料属性对话框,输入弹性模量为3.25×104,泊松比为0.3。

(4)建立几何模型本模型主要是模拟混凝土立方体试验中,试块的受力情况,所以建立一个100mm×100mm×100mm的混凝土立方体模型。

(5)划分网格完成材料单元类型、材料属性以及生成模型后,就可以对立方体模型进行划分网格。

2.2形态、级配和弹性模量骨料受内部矿物组成、外部自然环境及机械破碎等因素的影响,具有不同的颗粒形态(形状、棱角和表面组织构造等)、弹性模量和级配。

表面粗糙和多棱角的骨料可增加骨料与水泥浆体之间的“啮合”作用,使其与水泥浆体结合更为紧密,进而限制混凝土收缩。

碎石骨料对减少混凝土的收缩比同级配的卵石骨料更有利。

混凝土收缩率一般随骨料体积率的增加而降低,随骨料弹性模量的增大而减小。

优化骨料级配,提高混凝土中骨料的体积用量,能显著降低混凝土的自收缩和干燥收缩。

这主要由于天然骨料的弹性模量在大多数情况下高于水泥石的弹性模量所造成的。

水泥石的弹性模量一般在7~28GPa,而天然骨料的弹性模量通常在21~140GPa。

骨料的弹性模量决定了其抑制混凝土收缩的能力,如钢骨料混凝土的收缩比普通混凝土的低1/3,而膨胀页岩轻骨料混凝土的收缩则高1/3,使用低弹性模量的沸石和浮石骨料代替天然砂会明显增加混凝土的收缩。

但有些多孔骨料可能由于弹性模量和表面形态与普通多孔轻骨料不同,可对水泥基材料的收缩变形起到良好的抑制作用。

结语
本文对于混凝土的研究,还处于一个比较基础的层面,还有许多地方有待研究的,本文只是对于膨胀剂混凝土的立方体试块进行试验,对于实际施工中,由于混凝土所处的环境不同,受力情况复杂,所以和试验的结果会有一些不同的地方,所以未来有望去施工现场采集更多的现场数据,进行更加符合工程实际的试验研究。

参考文献:
［1］杨广帅.大体积膨胀混凝土体积稳定性的有限元分析及开裂风险评价［D］.山东农业大学,2018.
［2］陈昌礼,陈学茂.氧化镁膨胀剂及其在大体积混凝土中的应用［J］.新型建筑材料,2007,34(4):60-64.
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