界面厚度對(duì)雙絲拉拔混凝土力學(xué)性能的影響

張亞芳，高 照，劉 浩，何 娟

廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東廣州 510006

【土木建筑工程/ArchitectureandCivilEngineering】

界面厚度對(duì)雙絲拉拔混凝土力學(xué)性能的影響

張亞芳，高 照，劉 浩，何 娟

廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東廣州 510006

考慮三維狀態(tài)下界面、鋼絲和混凝土基體三相材料物理力學(xué)參數(shù)的介觀非均勻分布，利用有限元軟件建立了雙絲拉拔混凝土三維模型，研究了界面厚度對(duì)雙絲拉拔混凝土力學(xué)性能的影響及界面的作用機(jī)理，獲得試件聲發(fā)射演化過程圖和聲發(fā)射-位移-荷載曲線，得到峰值荷載、韌性和聲發(fā)射耗散總能量隨界面厚度變化的曲線. 研究結(jié)果表明，試件的界面越厚，界面?zhèn)鬟f應(yīng)力的能力越強(qiáng)，平均界面剪切強(qiáng)度越大，雙絲發(fā)生脫黏的時(shí)間也越晚. 此外，適當(dāng)增加界面的厚度有利于提高雙絲試件的拉拔強(qiáng)度和韌性.

混凝土；細(xì)觀力學(xué)；雙絲拉拔；界面厚度；聲發(fā)射；峰值荷載；韌度

界面是復(fù)合材料極其重要的微結(jié)構(gòu)，是增強(qiáng)相與基體相間應(yīng)力及其他信息的傳遞橋梁，界面性質(zhì)直接影響著復(fù)合材料的力學(xué)性能，如層間剪切、斷裂、抗沖擊以及波的傳播等性能. 從晶體幾何學(xué)的角度看，界面是三維晶格周期性排列從一種規(guī)律轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N規(guī)律的集合分界面，簡(jiǎn)單來說就是兩個(gè)材料相之間的過渡區(qū)，其厚度因不同材料而有所差異[1-2]. 過去一般認(rèn)為界面在幾個(gè)分子層的厚度范圍內(nèi)，但隨著納米壓痕、掃描電子顯微鏡等觀測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)復(fù)合材料界面的厚度進(jìn)行了更精確地測(cè)量. Wang等[3-5]觀測(cè)了鋼纖維-水泥砂漿和鋼纖維-混凝土基體的界面區(qū)，發(fā)現(xiàn)其界面厚度介于幾微米到一百微米之間；胡杰等[6]通過納米壓痕試驗(yàn)觀測(cè)了聚丙烯纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料界面，發(fā)現(xiàn)不同水灰比試件的界面厚度在10～20μm. 除了界面尺寸和結(jié)構(gòu)的觀測(cè)及研究外，關(guān)于界面厚度與材料宏觀性能的關(guān)系的相關(guān)研究也有報(bào)道，如對(duì)于經(jīng)過硅烷處理的玻璃纖維復(fù)合材料而言，僅當(dāng)界面厚度超過某一臨界值時(shí)才能獲得最大的界面剪切強(qiáng)度[7]；對(duì)于陶瓷基復(fù)合材料的研究表明，界面厚度較小時(shí)材料容易產(chǎn)生多重裂紋[8]. 以上研究表明，界面的厚度與復(fù)合材料的宏觀性能存在一定的聯(lián)系，界面的厚度選擇對(duì)復(fù)合材料優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義.

雖然復(fù)合材料界面厚度問題的研究十分重要，但在目前的物理實(shí)驗(yàn)條件下，要精細(xì)地控制界面的厚度在操作上存在極大的困難. 計(jì)算機(jī)設(shè)備的飛速發(fā)展和數(shù)值模擬試驗(yàn)為研究界面厚度問題提供了可能. 但由于界面厚度極其微小以及雙絲間極強(qiáng)的耦合作用，目前運(yùn)用數(shù)值模擬方法開展界面厚度對(duì)雙絲拉拔混凝土力學(xué)性能影響的文獻(xiàn)極其少見，而基于細(xì)觀角度考慮各材料相非均勻分布的三維數(shù)值分析目前尚無(wú)報(bào)道. 本研究通過有限元軟件Ansys和RFPA(realistic failure process analysis)建立不同界面厚度的三維數(shù)值模型，引入Weibull分布函數(shù)以表征試件各相材料物理力學(xué)參數(shù)的非均勻性，研究界面厚度對(duì)雙絲混凝土試件拉拔性能的影響. 本研究采用線彈-脆性細(xì)觀本構(gòu)關(guān)系描述基體單元和纖維體單元的細(xì)觀力學(xué)行為，建立基于各向異性特征的界面體單元本構(gòu)模型，以實(shí)現(xiàn)纖維增強(qiáng)混凝土的隨機(jī)概率模型.

1 三維數(shù)值模型的建立

本研究共建立了8組不同界面厚度的雙絲混凝土數(shù)值試件，界面厚度分別設(shè)計(jì)為0.02、0.04、0.05、0.06、0.08、0.10、0.12和0.16mm，為方便描述，編號(hào)依次為T-002、T-004、T-005、T-006、T-008、T-010、T-012和T-016. 在Ansys中建立的數(shù)值模型見圖1，基體尺寸為40mm×40mm×40mm，兩根鋼絲直徑均為2mm，埋深為20mm，雙絲間距為8mm，共劃分約130萬(wàn)個(gè)單元. 通過宏命令將Ansys中模型的荷載和約束等信息導(dǎo)入至RFPA中后得到如圖2所示的數(shù)值模型，在RFPA中進(jìn)行加載，按照0.0001mm/步，共加載100步，Step5表示當(dāng)前加載步為第5步. 試件各項(xiàng)材料物理力學(xué)參數(shù)如表1[9].

圖1 Ansys中建立的數(shù)值模型Fig.1 (Color online) The numerical model in Ansys

圖2 RFPA中的數(shù)值模型Fig.2 (Color online) The numerical model in RFPA

組分彈性模量/MPa極限抗壓強(qiáng)度/MPa泊松比基體20400(3)155(3)0.25(100)界面4000(1.2)30(1.2)0.25(100)鋼絲210000(20)1000(20)0.30(100)

1)括號(hào)內(nèi)數(shù)值為材料均質(zhì)度

2 三維數(shù)值模擬結(jié)果討論

2.1聲發(fā)射演化過程

聲發(fā)射(acousticemission，AE)技術(shù)可以監(jiān)測(cè)加載過程中試件內(nèi)部單元的損傷數(shù)量及單元損傷能量釋放情況，聲發(fā)射的演化過程可反映試件局部損傷的發(fā)生和轉(zhuǎn)移行為. 圖3為T-002、T-008和T-016的聲發(fā)射演化過程，分別代表小界面厚度、中界面厚度和大界面厚度的數(shù)值試件，圖中氣泡數(shù)量反映了聲發(fā)射的次數(shù)，氣泡大小則反映了聲發(fā)射釋放能量的大小，氣泡越大表示聲發(fā)射釋放的能量越大，反之則越小. 由圖3可知，聲發(fā)射現(xiàn)象首先出現(xiàn)在試件的雙絲埋入端，埋入端與埋置端位置可參考圖1(a)和圖3(a). 隨荷載增加，該區(qū)域聲發(fā)射氣泡體積增大、數(shù)量增加，說明受損區(qū)域開始擴(kuò)大，更多單元發(fā)生破壞并釋放出能量. 繼續(xù)加載，聲發(fā)射氣泡覆蓋了雙絲的全部埋深范圍，單個(gè)加載步內(nèi)的聲發(fā)射數(shù)量達(dá)到峰值. 此階段后，新聲發(fā)射現(xiàn)象變得微弱，氣泡數(shù)量和大小不再隨加載步變化而變化，說明界面單元損傷殆盡，聲發(fā)射演化過程已結(jié)束. 對(duì)比圖3中3組試件聲發(fā)射氣泡擴(kuò)散和聲發(fā)射演化過程結(jié)束的時(shí)間可以發(fā)現(xiàn)，界面厚度增加會(huì)減緩雙絲脫黏滑移的速度，而且，界面從無(wú)損到出現(xiàn)可見裂紋(對(duì)應(yīng)聲發(fā)射擴(kuò)散階段)需要的加載步數(shù)也增加了，即界面發(fā)生初裂的時(shí)間延后了.

圖3 聲發(fā)射演化過程圖Fig.3 (Color online) The AE evolution process

2.2應(yīng)力分析

以T-016為例，圖4給出了其加載全過程中試件內(nèi)部拉應(yīng)力的分布變化情況. 如圖4，加載之初(step2)，僅雙絲上出現(xiàn)了拉應(yīng)力，周圍基體的拉應(yīng)力不明顯. 加載到step8時(shí)，雙絲的拉應(yīng)力通過界面向其周邊基體擴(kuò)散，雙絲埋入端基體中拉應(yīng)力影響明顯. 加載到step11時(shí)，受拉應(yīng)力影響區(qū)域的高度和直徑增加，表明更深處和離雙絲更遠(yuǎn)處的基體也開始受拉，雙絲間的基體出現(xiàn)了應(yīng)力耦合. 繼續(xù)加載，由于界面不斷損傷，應(yīng)力傳遞的通道被破壞，基體中的受拉區(qū)域逐漸減少，如圖4(d)和(e).

對(duì)于不同界面厚度的試件，其應(yīng)力演化過程是相同的，加載初期的應(yīng)力分布也較為相似(圖5)，拉應(yīng)力自雙絲向基體傳遞，基體受拉區(qū)域呈環(huán)狀. 其主要區(qū)別在于，試件的界面厚度越大，雙絲周圍基體的應(yīng)力值越大，雙絲間基體應(yīng)力耦合現(xiàn)象也越明顯.這說明厚度越大，界面?zhèn)鬟f應(yīng)力的能力越強(qiáng). 裴永琪[10]在研究環(huán)氧樹脂光滑接枝玻璃纖維增強(qiáng)水泥復(fù)合材料時(shí)也得出了類似結(jié)論，認(rèn)為平均界面剪切強(qiáng)度隨著界面(層)厚度的增加而增大；朱大勝等[11]對(duì)纖維增強(qiáng)彈性體基復(fù)合材料單纖維拔出模型進(jìn)行分析后認(rèn)為，界面(層)厚度的增加使更多的載荷傳遞到基體上.

圖4 拉應(yīng)力演化過程Fig.4 (Color online) The tensile stress evolution process

圖5 應(yīng)力分布圖Fig.5 (Color online) Stress distribution figures

2.3增強(qiáng)增韌分析

圖6給出了幾組不同界面厚度時(shí)雙絲試件的荷載-位移曲線. 由圖6可見，在A點(diǎn)之前各組試件的荷載-位移曲線幾乎完全重合，A點(diǎn)過后，界面厚度較小的T-002和T-004首先進(jìn)入強(qiáng)化階段，而界面厚度較大的其他試件則仍處于彈性變形階段. 由此可知，彈性階段不同界面厚度試件的荷載-位移曲線斜率相差不多，但界面厚度越大的試件其彈性階段持續(xù)的時(shí)間越長(zhǎng)，且峰值荷載也更大. 圖7給出了各試件峰值荷載隨界面厚度變化的曲線，其擬合曲線為

y=-1528x2+640x+131,R2=0.94605

(1)

其中，y為峰值荷載；x為界面厚度；R2為擬合系數(shù)(最大值為1，代表完全擬合的情況)

圖6 荷載-位移曲線圖Fig.6 (Color online) Load and displacement curve

圖7 峰值荷載-界面厚度曲線Fig.7 (Color online) Peak load and interface thickness curves

由式(1)可得該擬合曲線的最大值及其對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)分別為198.02和0.42，即在界面厚度為0.42mm時(shí)試件的峰值荷載最大，為198.02N. 而T-012和T-016的峰值荷載分別為189.26和193.80N，這說明界面厚度超過0.12mm時(shí)，界面厚度增加對(duì)試件峰值荷載的提升作用已經(jīng)不明顯. 此外，當(dāng)界面厚度超過0.42mm時(shí)，試件的峰值荷載還有可能出現(xiàn)下降，這個(gè)結(jié)論與已有文獻(xiàn)類似，Mazumdar等[12]研究認(rèn)為，界面厚度是界面黏結(jié)性能的關(guān)鍵參數(shù)，峰值荷載隨著界面厚度的增加而增加，但界面厚度超過某個(gè)臨界值時(shí)，峰值荷載不再增加反而減小.

圖8為不同界面厚度試件的聲發(fā)射耗散能量-位移-荷載曲線. 由圖8可知，聲發(fā)射能量耗散最多的階段出現(xiàn)在荷載-位移曲線快速下降后不久，這種滯后現(xiàn)象主要是由于試件達(dá)到峰值荷載后界面并不會(huì)馬上破壞并發(fā)出聲發(fā)射信號(hào)，而是有一個(gè)短暫的延遲. 從圖8中還可看出，無(wú)論是荷載-位移曲線的上升段還是下降段，界面厚度更大的試件釋放的聲發(fā)射能量要明顯多于界面厚度較小的試件. 一般認(rèn)為，聲發(fā)射耗散總能量與材料宏觀斷裂能(即試件承受拉伸載荷發(fā)生斷裂所做功)有相同的線性關(guān)系[13]，因此聲發(fā)射耗散總能量和韌度(即試件荷載-位移曲線包圍的面積)一樣，可以作為評(píng)估試件韌性的指標(biāo)之一. 根據(jù)圖8可以計(jì)算出整個(gè)加載過程中試件的聲發(fā)射耗散總能量以及試件的韌度，聲發(fā)射耗散總能量可通過累加各加載步的聲發(fā)射耗散能量得到，試件的韌度可通過對(duì)圖8中荷載-位移曲線進(jìn)行面積積分得到，計(jì)算結(jié)果如圖9. 從圖9可見，聲發(fā)射耗散總能量和韌度兩條曲線的走勢(shì)相似，均隨界面厚度的增加而線性增加. 由此可知，試件的界面厚度越大，其受荷載作用而發(fā)生破壞時(shí)做的功越多，其韌度越大，韌性也越好. 文獻(xiàn)[14]認(rèn)為這主要是由于界面厚度的增加使得界面剪應(yīng)力的分散作用增大，避免了界面在某一局部出現(xiàn)應(yīng)力集中，從而使試件獲得更好韌性的結(jié)果.

圖8 聲發(fā)射-位移-荷載曲線Fig.8 (Color online) AE count and displacement and load curves

圖9 不同界面厚度試件的韌性和聲發(fā)射耗散總能量Fig.9 (Color online) Total energy released in AE and toughness of different interface thickness

結(jié) 語(yǔ)

本研究考慮三維狀態(tài)下界面、混凝土基體及雙絲三相材料的物理力學(xué)性質(zhì)的細(xì)觀非均勻性，研究了不同界面厚度下雙絲拉拔混凝土的聲發(fā)射演化過程及其應(yīng)力分布，對(duì)界面相增強(qiáng)試件整體宏觀力學(xué)性能的機(jī)理進(jìn)行了探討，認(rèn)為：① 界面的厚度與復(fù)合材料的宏觀性能存在一定的聯(lián)系；② 試件的界面厚度越大，界面出現(xiàn)宏觀損傷的時(shí)間越晚，雙絲脫黏滑移的時(shí)間也越晚；③ 界面的厚度越大，界面?zhèn)鬟f應(yīng)力的能力越強(qiáng)，平均界面剪切強(qiáng)度也越大； ④ 適當(dāng)增加界面的厚度有利于提高雙絲試件的拉拔強(qiáng)度和韌性.

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【中文責(zé)編：坪梓；英文責(zé)編：之聿】

Influenceofinterfacethicknessontwinfiberpull-outtestofconcrete

ZhangYafang,GaoZhao,LiuHao,andHeJuan

FacultyofCivilEngineering,GuangzhouUniversity,Guangzhou510006,GuangdongProvince,P.R.China

Meso-level heterogeneous distribution of interface mechanical parameters is investigated. Numerical models for twin fibers pull-out test are created by using3D finite element method. Influence of interface thickness on damage pattern and mechanical properties is studied on twin fibers pull-out test specimens. By applying load with displacement control, load-displacement curves, acoustic emission (AE) accumulative curves and interface shear stress distribution curves of twin fibers and concrete matrix specimen are plotted. The damage pattern and AE pattern of pull-out test specimen vary along with the interface strength. The thicker the interface is, the higher the interface capacity for transferring stress and high shear strength. The splitting of fibers could happen later than the specimen with thin interface. In addition, appropriate thick interface benefits the improved peak load and toughness.

concrete; meso-mechanical; double fiber pull-out test; interface strength; acoustic emission; peak load; toughness

2017-04-06；Accepted：2017-07-05

Professor Zhang Yafang．E-mail: zhangyafang2004@163.com

TB 333

：Adoi：10.3724/SP.J.1249.2017.05476

Foundation：National Natural Science Foundation of China (51678170, 51278136); Guangzhou Science and Technology Project (15180005)

：Zhang Yafang，Gao Zhao，Liu Hao，et al．Influence of interface thickness on twin fiber pull-out test of concrete[J]. Journal of Shenzhen University Science and Engineering, 2017, 34(5): 476-481.(in Chinese)

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51678170，51278136)；廣州市科技創(chuàng)新平臺(tái)資助項(xiàng)目(15180005)

張亞芳(1966—)，女，廣州大學(xué)教授、博士．研究方向：纖維增強(qiáng)混凝土及細(xì)觀力學(xué)研究．E-mail：zhangyafang2004@163.com

引文：張亞芳，高 照，劉 浩，等．界面厚度對(duì)雙絲拉拔混凝土力學(xué)性能的影響[J]. 深圳大學(xué)學(xué)報(bào)理工版，2017，34(5)：476-481.