纖維混凝土模型的建模方法與力學性能分析

邵海林 胡宇祥 李娜 殷飛 彭軍志

摘?要：本文研究利用COMSOL（COMSOL?Multiphysics）多物理場仿真軟件，提出纖維混凝土灌溉渠道參數化建模與仿真方法，并開展了抗壓強度、凍脹實驗。該方法提高了纖維混凝土灌溉渠道設計的質量，基于參數化建模能準確、快速修改混凝土中纖維、保溫顆粒摻量的相關參數，提高渠道設計的效率，為同類型灌溉渠道高質量設計和分析提供借鑒作用。

關鍵詞：纖維混凝土；聚合物纖維；力學性能

聚合物纖維是一種現代化合成高強度束狀材料，在高標準農田建設中，加入聚合物纖維的灌溉渠道混凝土，可有效地控制混凝土收縮、干縮、溫度變化等因素引起的微裂縫，防止及抑制裂縫的形成及發展，降低渠道滲漏的實際損失率，在一定程度上延長工程壽命，提高灌溉渠道的實際經濟效益［1］。然而，纖維混凝土的骨料投放量、試件密實度、纖維長度、分散性等參數對灌溉渠道抗裂性能影響較大，確定合理的參數就顯得尤為重要［2］。傳統的方法是通過正交試驗設計，進行數據分析后得到的優選結果。但是若要獲得滿意的實驗數據，則需要通過開展正交試驗等，且實驗費用巨大，工作強度高。因此，需要一種纖維混凝土渠道參數化建模方法，用于仿真研究［3］。

近年來，相關學者對保溫纖維混凝土開展了廣泛研究，任佳妮等選用六種不同鋼纖維摻量對C30保溫混凝土進行抗壓強度試驗，結果表明，當參雜單一鋼纖維時，保溫混凝土抗壓強度也隨著增加，但是效果并不明顯［4］；張靜等將ABS發泡作為細骨料準備塑料混凝土，并對其保溫性能進行了研究，結果表明，保溫混凝土熱導率低，保溫性能較好，能夠應用于保溫結構［5］；史繪洲研究了不同EPS改性方法對混凝土保溫性能的影響，結果表明，聚苯乙烯泡沫添加量為5%時，能夠顯著提升塑料混凝土保溫性能［6］；劉軍等并通過ABAQUS有限元軟件進行建模，分析了不同保溫材料的熱工性能并與試驗測試值進行對比，結果表明采用數值模擬計算要比傳統理論方法更為簡便和準確［7］；劉鴿等在煤矸石保溫混凝土中分別摻入不同比例的聚丙烯纖維，進行了抗壓強度試驗，并建立了煤矸石保溫混凝土的抗壓強度預測模型［8］；楊飛等設計了不同EPS體積摻量的混凝土，進行了抗壓、保溫性能測試，建立了數學模型，能夠模擬在實際使用狀態下不同EPS摻量混凝土對溫度的調節情況。

為解決上述問題，本文利用COMSOL（COMSOL?Multiphysics）多物理場仿真計算軟件，提出纖維保溫混凝土參數化建模與仿真方法。該方法提高了纖維混凝土設計的質量、其快速化建模方法，不但能夠提高保溫混凝土設計的效率，為該類型混凝土應用到灌溉渠道工程提供借鑒作用。

1?試驗方案

改性EPS新型保溫混凝土，為灌區灌溉渠道施工新材料。能夠提高基土溫度、減小渠道地基凍深和凍脹量，進一步提高混凝土渠道防凍脹效果與工程使用壽命的目的，進而提高混凝土灌溉渠道的保溫性和抗凍性。研發自保溫混凝土，通過添加聚乙烯醇纖維保溫材料、EPS顆粒，提高混凝土保溫性能，通過添加聚乙烯醇纖維，提高混凝土抗拉力學性能。該新型材料，通過在混凝土中添加不同物理性狀的保溫、纖維材料，在混凝土的保溫性與抗凍性之間尋求一個平衡點，以適用于灌溉渠道冬季運行要求。在節約水利工程材料和保存、利用水資源具有重要意義。

本研究采用聚乙烯醇纖維和EPS顆粒作為對象對混凝土進行研究，制作改性EPS新型保溫混凝土試樣，開展抗壓強度試驗、抗折試驗和凍融循環試驗等，分析不同聚乙烯醇纖維長度和摻量的條件下抗壓強度、劈裂抗拉強度、導熱系數和抗凍性的變化規律及其破壞特征，研究結果可為寒地灌區的中、小型渠道的設計提供理論依據。

1.1?試驗材料

試驗采用材料主要包括聚乙烯醇纖維、EPS顆粒和普通硅酸鹽水泥。聚乙烯醇纖維是一種具有高彈性模量聚合纖維材料，與水泥界面黏結強度高，密度為1.2g/cm3，直徑20μm，抗拉強度高能夠達到1000MPa，延伸率最大可以達到9%。EPS顆粒選用粒徑為3～5mm，表觀密度為20kg/m3的顆粒。普通硅酸鹽水泥是膠凝材料，使用密度為2.21g/cm3，平均粒徑為0.2μm，比表面積為21m2/g的硅灰和密度為2.21g/cm3，比表面積為325m2/kg的Ⅰ級粉煤灰作為摻合料。

1.2?仿真建模與配比設計

EPS混凝土配合比見下表，EPS體積摻量分別為最大不超過沙子體積的30%，聚乙烯醇纖維長度選取2～8mm，摻量為0～1.5%，建立comsol模型，進行仿真以及抗壓試驗。

1.3?試驗方法

依據（SL/T?352—2020）《水工混凝土試驗規程》進行相關力學性能試驗、抗凍性試驗。在力學性能試驗中，混凝土立方體所用試塊尺寸為150mm×150mm×150mm。

2?試驗結果及分析

2.1?改性EPS新型保溫混凝土立方體抗壓強度的影響

對于其他條件等量的改性EPS新型保溫混凝土而言，設置仿真參數，在摻入聚乙烯醇纖維長度分別為2mm、4mm、6mm和8mm的條件下，摻量為0.5%、1.0%、1.5%進行仿真抗壓強度試驗。在計算過程中發現，纖維長度分別為4mm、6mm時，混凝土抗壓強度增量明顯，新型保溫混凝土各最大抗壓強度與基準抗壓強度（短纖維摻量為0%）相比達到32%、48%。據此可知，對改性EPS新型保溫混凝土而言，摻入聚乙烯醇纖維的最優長度和摻量分別為6mm和0.4%。

2.2?改性EPS新型保溫混凝土保溫試驗

混凝土中因摻入EPS顆粒，導熱系數低，保溫性能好。由圖2可見，適量分布的EPS顆粒填充到混凝土內部，從而密實度提高，熱量傳遞速率減小，溫度傳遞困難。但是摻量過大時，EPS顆粒和易性差，團聚不能均勻分散，在混凝土內部形成孔洞等宏觀缺陷，對混凝土整體導熱性有影響。

2.3?改性EPS新型保溫混凝土抗凍性試驗

依據（GB/T?50600—2010）《渠道防滲工程技術規范》設計中、小型渠道，混凝土的抗凍等級應滿足小型達到凍融循環次數50次，中型達到凍融循環次數100次。嚴寒和寒冷地區的冬季過水渠道，抗凍等級應較規范中所列數值提高一級。吉林屬于嚴寒地區，因此，小型凍融循環次數應達100次。

隨著凍融循環次數的增加，不同摻量的保溫混凝土試件均出現了不同程度的質量損失。纖維體在凍融過程中起到了抗裂作用，當聚乙烯醇纖維摻量為1％時，試件質量損失最小。當凍融循環達到50次時，質量損失仍然較低，小于0.8％，可見適當摻量的聚乙烯醇纖維在混凝土隨機分布，使混凝土各相膠結在一起不易脫落，增大了混凝土結構密實度，有效緩解保溫混凝土因凍融循環造成的質量損失。

3?保溫效果實驗

為驗證該混凝土的保溫效果，制作U型混凝土襯砌渠道，開展室內凍脹實驗。本實驗設計的技術裝備由最外部的模型箱、內部的制冷系統和數據采集系統三部分組成，其實體如設計圖3所示。

由于本試驗所采用的傳感器較多，采用多個溫度拓展數據線來增多模擬輸出傳感器的數量，主要負責采集溫度、含水率及位移三種數據。位移測量系統由三個采集器組成，分別測量了三個法向量在模擬設定下不同方位的變化程度，有效呈現位移變化之間影響因素。模型箱是長、寬、高均為5m的正方體，根據實驗要求，四周不能漏水、保持溫度，箱底安放硅膠干燥劑，在箱體頂部、底部及四周鋪設兩層聚氨酯發泡劑密封，以防止數據采集系統受潮濕空氣的影響，方便內部設置其他系統，保證其順利完成實驗，確保數據精準。內部的制冷系統包括控制箱組成有壓縮機、數控面板和風扇，數控面板用來控制降溫速率，冷氣通過風扇進入模型箱中，從而對模型箱中空氣溫度進行控制，實驗過程中設置溫度為-35℃。

通過1個月的凍脹實驗，渠道基礎土體降溫緩慢，最大凍深僅有30cm，且土體凍脹位移滿足規范要求。

4?結論

（1）隨著纖維摻量的增大，混凝土試件的抗壓強度、抗凍性能均有所提升，適宜摻量在1%。

（2）EPS摻量對混凝土的保溫效果影響顯著，但是摻量越大，抗凍效果越差。

（3）建立了保溫混凝土數學模型，能夠實現抗壓強度模擬，也為研究混凝土凍脹打好了基礎。

參考文獻：

［1］宋浩亮.聚合物纖維混凝土在水庫灌區渠道防滲中的應用研究［J］.水利水電技術，2016，47（11）：6164.

［2］任志剛，徐彬，程書懷.混雜纖維混凝土二維隨機建模方法［J］.武漢理工大學學報，2015，37（04）：5358.

［3］胡宇祥，彭軍志，殷飛，等.基于MATLAB與COMSOL聯合仿真的梯形迷宮滴頭流道優化［J］.農業工程學報，2020，36（22）：158164.

［4］任佳妮，許家文.鋼纖維保溫混凝土抗壓和抗拉性能試驗研究［J］.混凝土與水泥制品，2014.

［5］張靜，商哲，莫玉華.發泡劑對ABS塑料混凝土力學性能及保溫性能的影響［J］.塑料科技，2021.

［6］史繪洲.不同改性方法對塑料混凝土力學性能及保溫性能的影響［J］.塑料科技，2022.

［7］劉軍，孫晨，趙碩，等.再生骨料混凝土復合保溫砌塊的熱工性能模擬［J］.混凝土，2022.

［8］李宇鵬.聚丙烯纖維煤矸石保溫混凝土的基本力學性能試驗研究［D］.太原理工大學，2020.

基金項目：長春市2021年度重點研發計劃關鍵技術公關專項（21ZGN25）

*通訊作者：邵海林（1988—?），男，吉林長春人，本科，工程師，研究方向：節水灌溉。