聚丙烯-鋼纖維銅尾礦混凝土力學性能的數(shù)值模擬

葉曉冬，楊忠祥，彭苗苗

（滇西應用技術(shù)大學，云南 大理 671000）

0 引言

目前已有部分學者、工程技術(shù)人員對聚丙烯-鋼纖維對混凝土性能的影響有了一定的研究成果：張元元[2]對混雜纖維混凝土進行軸心受拉實驗，根據(jù)實驗結(jié)果提出了混雜纖維混凝土軸心抗拉強度等計算公式。沈大偉等[3]對鋼、聚丙烯混雜纖維混凝土試件進行沖擊試驗，發(fā)現(xiàn)鋼纖維、聚丙烯纖維對混凝土的強度均有提高。趙凱月[4]發(fā)現(xiàn)混雜纖維混凝土抗凍性優(yōu)劣與纖維摻量密切相關(guān)。混雜纖維的摻入可以改善混凝土的彎曲韌性。

在土木工程材料的研究領(lǐng)域中，實驗研究占到了相當大的比重，其優(yōu)點為數(shù)據(jù)真實、準確，但同樣存在耗時長、依賴硬件等缺陷。而數(shù)值模擬作為一種高效、快捷的方法，能夠一定程度上彌補實驗研究的缺陷，作為一種土木工程材料研究的輔助手段。

ANSYS 是數(shù)值模擬中較常用的有限元軟件。其應用的領(lǐng)域較廣，除在土木工程領(lǐng)域中的結(jié)構(gòu)分析，其還能對磁場、聲場、電場、流體力學等進行有限元分析，應用在石油化工、機械等領(lǐng)域。其主要包括3 個模塊：前處理模塊、計算模塊、后處理模塊。在前處理模塊中，需要設(shè)定材料的屬性，建立模型，根據(jù)幾何模型特點、求解要求劃分網(wǎng)格等。在計算模塊，可以設(shè)置荷載步數(shù)、荷載子步、收斂條件等。在后處理模塊，可以根據(jù)實際工程需要，讀取穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)的求解結(jié)果，例如節(jié)點、單元的位移、應力等。

對于聚丙烯-鋼混雜纖維的研究，主要集中在實驗研究，使用數(shù)值模擬方法較少。同時，銅尾礦混凝土作為一種新型建材，其綠色、循環(huán)利用廢物的特點，符合建材未來的發(fā)展趨勢，聚丙烯-鋼混雜纖維對其力學性能的影響同樣研究較少。筆者在之前的研究中，將細骨料替換為銅尾礦，摻量為0%、10%、20%，并對未摻加聚丙烯-鋼混雜纖維的銅尾礦混凝土進行抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度實驗，已得到銅尾礦混凝土相應的力學性能數(shù)據(jù)。將根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)在ANSYS 軟件中建立聚丙烯-鋼混雜纖維銅尾礦混凝土抗壓強度模型、聚丙烯-鋼混雜纖維銅尾礦混凝土劈裂抗拉強度模型、聚丙烯-鋼混雜纖維銅尾礦混凝土抗折強度模型，混雜纖維體積率為0%（原有數(shù)據(jù)）、1%、2%、3%、4%、5%，鋼纖維與聚丙烯纖維的比例為9:1，并計算模擬結(jié)果，考察聚丙烯-鋼混雜纖維對銅尾礦混凝土力學性能的影響。

1 模型建立

1.1 幾何模型及邊界條件

聚丙烯-鋼混雜纖維銅尾礦混凝土抗壓強度模型中，試塊采用150mm×150mm×150mm 的立方體。在立方體底面施加墊塊，墊塊底部全部約束，試塊頂面施加均布荷載，模擬實驗室中壓力機環(huán)境。

聚丙烯-鋼混雜纖維銅尾礦混凝土劈裂抗拉強度模型中，試塊也采用150mm×150mm×150mm 的立方體。在試塊頂面、底面的中線布置墊塊，與抗壓強度模型中類似的，同樣在頂面施加均布荷載，墊塊底面全部約束。

豬丹毒桿菌對青霉素敏感，大劑量青霉素的治療效果較佳，一般用水劑4 000單位/公斤體重、油劑1～2毫升/公斤體重，病情好轉(zhuǎn)后再注射2～3次，以鞏固療效。或15萬單位普魯卡因青霉素和15萬單位芐星青霉素，一次肌肉注射1～2萬單位/公斤體重，豬群治療用四環(huán)素132毫克/升飲水，直至病豬全部康復后5天停止。此外，豬丹毒桿菌對紅霉素、氨芐西林、頭孢曲松、頭孢噻肟、四環(huán)素、金霉素、土霉素的敏感性也較強。因此，在治療時可選擇上述藥物交替使用。

聚丙烯-鋼混雜纖維銅尾礦混凝土劈裂抗拉強度模型中，試塊采用150mm×150mm×550mm 的立方體。在試塊跨中施加均布荷載，均布荷載間隔150mm。

1.2 單元的選擇及參數(shù)設(shè)定

在ANSYS 軟件中，一般的實體單元可使用solid45單元定義，聚丙烯-鋼混雜纖維銅尾礦混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折模型中的墊塊均使用solid45單元。

solid65 單元作為混凝土的專屬三維8 節(jié)點單元，每個節(jié)點擁有3 個方向自由度[5]。solid65 單元可以定義以下內(nèi)容。

（1）混凝土的彈性模量、泊松比。

（2）混凝土的本構(gòu)模型，常用的屈服準則有Von Mises屈服準則、DruckerˉPrager 準則等。在不同的屈服準則下選擇模型，如在Von Mises 屈服準則下可選擇多線性隨動強化模型MKIN、多線性等向強化模型MISO 等[5]。多線性等向強化模型MISO 在填寫混凝土應力應變數(shù)據(jù)表時，僅考慮應力應變曲線的上升段，而多線性隨動強化模型MKIN 可含下降段。

（3）張開裂縫的剪力傳遞系數(shù)、閉合裂縫的剪力傳遞系數(shù)、單軸開裂應力、圍壓大小等。

（4）實常數(shù)中可以設(shè)定混凝土中摻入材料的比例、角度，鋼筋混凝土中即為鋼筋的配筋率以及配筋的角度。

在本文中因需考察聚丙烯-鋼混雜纖維銅尾礦混凝土的極限荷載，本構(gòu)模型選擇多線性隨動強化模型MKIN，數(shù)據(jù)表中應力應變數(shù)據(jù)根據(jù)已有的銅尾礦混凝土實驗力學性能數(shù)據(jù)及根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010—2010）輸入。

同時，混凝土彈性模量由筆者已有計算結(jié)果確定。混雜纖維彈性模量定為1.6×105MPa，泊松比為0.2，抗拉強度600MPa。

2 計算結(jié)果及分析

銅尾礦摻量10%、混雜纖維摻量1%抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折強度模型Z 方向應力分布如圖1 至圖3 所示。

圖1 銅尾礦摻量10%、混雜纖維摻量1%抗壓強度模型Z 方向應力

圖2 銅尾礦摻量10%、混雜纖維摻量1%劈裂抗拉強度模型Z 方向應力

圖3 銅尾礦摻量10%、混雜纖維摻量1%抗折強度模型Z 方向應力

銅尾礦摻量10%、混雜纖維摻量1%抗壓強度模型Z 方向應力如表1 所示。當銅尾礦摻量為0%時，聚丙烯-鋼混雜纖維銅尾礦混凝土的抗壓強度隨著聚丙烯-鋼混雜纖維的摻量提升總體呈現(xiàn)了增大的趨勢。當聚丙烯-鋼混雜纖維摻量由0%提高到1%、2%，抗壓強度提高2MPa、2.8%左右。當聚丙烯-鋼混雜纖維摻量由0%提高到3%、4%、5%，抗壓強度提高3MPa、4.16%左右。

表1 抗壓強度數(shù)值模擬結(jié)果

當銅尾礦摻量為10%時，聚丙烯-鋼混雜纖維銅尾礦混凝土的抗壓強度隨著聚丙烯-鋼混雜纖維的摻量提升總體也呈現(xiàn)了增大的趨勢。當聚丙烯-鋼混雜纖維摻量由0%提高到1%，抗壓強度提高2.53MPa、3.5%。摻量由1%提高到2%，抗壓強度降低0.75MPa。之后隨著摻量提升，抗壓強度繼續(xù)提高，最高較摻量0%提高3.4MPa。

當銅尾礦摻量為20%時，聚丙烯-鋼混雜纖維銅尾礦混凝土的抗壓強度隨著聚丙烯-鋼混雜纖維的摻量提升總體呈現(xiàn)了先增大后減小的趨勢。當聚丙烯-鋼混雜纖維摻量由0%提高到3%，抗壓強度提高2.18MPa、3.0%。摻量為4%、5%的混凝土抗壓強度均低于摻量為3%時的抗壓強度。

由上述可知，對于銅尾礦摻量為0%、10%的混凝土，提升纖維摻量可提高混凝土抗壓強度。對于銅尾礦摻量為20%的混凝土，摻量3%時抗壓強度最佳。

當纖維摻量為1%、3%、4%、5%時，銅尾礦摻量為0%及20%的抗壓強度結(jié)果均低于銅尾礦摻量為10%的。因此在纖維一定的情況下，銅尾礦摻量為10%有利于提高混凝土的抗壓強度。

劈裂抗拉強度數(shù)值模擬結(jié)果如表2 所示。當銅尾礦摻量為0%時，聚丙烯-鋼混雜纖維銅尾礦混凝土的劈裂抗拉強度隨著聚丙烯-鋼混雜纖維的摻量提升總體呈現(xiàn)了增大的趨勢。當聚丙烯-鋼混雜纖維摻量由0%提高到1%，劈裂抗拉強度提高0.31MPa、7.7%。當聚丙烯-鋼混雜纖維摻量由0%提高到1%、2%，劈裂抗拉強度提高0.5MPa 左右。當聚丙烯-鋼混雜纖維摻量由0%提高到4%、5%，劈裂抗拉強度提高0.5MPa 左右。

表2 劈裂抗拉強度數(shù)值模擬結(jié)果

當銅尾礦摻量為10%時，聚丙烯-鋼混雜纖維銅尾礦混凝土的劈裂抗拉強度隨著聚丙烯-鋼混雜纖維的摻量提升總體也呈現(xiàn)了增大的趨勢。當混雜纖維摻量為1%、2%、3%時，劈裂抗拉強度基本相當，均在3.7MPa 左右，較摻量0%時提升0.3MPa。當混雜纖維摻量為4%、5%時，劈裂抗拉強度基本相當，均在3.8MPa左右，較摻量0%時提升0.4MPa。

當銅尾礦摻量為20%時，劈裂抗拉強度隨混雜纖維變化趨勢與銅尾礦摻量為0%時相似。

因此，可見提升混雜纖維摻量對銅尾礦混凝土的劈裂抗拉強度有一定提升作用。

同時，當混雜纖維一定時，對于所有組銅尾礦摻量為0%及20%的混凝土劈裂抗拉強度均高于銅尾礦摻量10%的結(jié)果0.8MPa 左右。總體來說銅尾礦摻量0%與20%對混凝土的劈裂抗拉強度是有利的。

抗折強度數(shù)值模擬結(jié)果如表3 所示。當銅尾礦摻量為0%時，聚丙烯-鋼混雜纖維銅尾礦混凝土的抗折強度隨著聚丙烯-鋼混雜纖維的摻量提升呈現(xiàn)了增大的趨勢。每提升1%摻量，約能提升0.2MPa 抗折強度。

表3 抗折強度數(shù)值模擬結(jié)果

銅尾礦摻量為10%、20%時，抗折強度隨混雜纖維變化趨勢與銅尾礦摻量為0%時相似。總體來說，增加混雜纖維能夠改善銅尾礦混凝土的抗折強度。

同時，當混雜纖維一定時，總體來說銅尾礦摻量為10%的混凝土抗折強度較高，約高于其余兩種摻量0.8MPa 左右。

3 結(jié)論

本文在ANSYS 軟件中建立聚丙烯-鋼混雜纖維銅尾礦混凝土抗壓、劈裂抗拉、抗折強度模型3 種模型，控制銅尾礦粉摻量為0%、10%、20%，聚丙烯-鋼混雜纖維摻量為0%、1%、2%、3%、4%、5%，計算得到聚丙烯-鋼混雜纖維銅尾礦混凝土抗壓強度及抗拉強度，并得出以下結(jié)論。

（1）抗壓強度方面，銅尾礦摻量為0%、10%的混凝土，纖維摻量越高，則混凝土的抗壓強度越高。銅尾礦摻量為20%的混凝土，摻量3%時抗壓強度最高，纖維超過3%會降低其抗壓強度。混雜纖維一定時，總體來說銅尾礦摻量為10%的混凝土抗壓強度較高。

（2）抗拉強度方面，不論銅尾礦粉摻量的變化，混雜纖維摻量越高，抗拉強度越高。纖維摻量一定時，銅尾礦摻量0%、20%的混凝土劈裂抗拉強度較高，銅尾礦摻量10%的混凝土抗折強度較高。