钢-聚丙烯混杂纤维混凝土多尺度本构关系: 从纳米尺度到宏观尺度

On the basis of the research findings reported in the literature, this research proposal seeks to: (i) Develop the bond-slip contact model by means of nanoindentation and filament pull-out tests; (ii) Construct the microstructure of steel-polypropylene hybrid fiber-reinforced concrete using SEM and TEM techniques; (iii) Investigate the micromechanical phenomena of steel-polypropylene hybrid fiber-reinforced concrete as well as the microscale interactions between the fiber and the cement paste; and (iv) Establish the stress-strain relationship for steel-polypropylene hybrid fiber-reinforced concrete at both the nano-scopic and macroscopic levels. Accordingly, this study will consist of the following steps: (i) Investigate the nanoscopic hardness and modulus as well as the molecular-scale contact constitutive model for steel-polypropylene hybrid fiber-reinforced concrete materials; (ii) Determine the pull-out failure mechanism of filaments and the fiber-cement interfacial bond strength and establish the relevant bond-slip model; (iii) Develop the microscopic particle-to-particle contact model; and (iv) Characterize the topological nanostructure of steel-polypropylene hybrid fiber-reinforced concrete and the macroscopic constitutive model. Based on the research results, this research will lead to a better understanding of the damage and failure mechanism of and provide the theoretical methodology and framework for formulating the Building Code "CECS38:2004".

借鉴前人研究成果，通过纳米压痕试验、纤维拔出试验分别测得水泥基纳米压痕力-压深关系曲线、纤维与水泥基的拔出力-位移关系等，运用SEM扫描电镜和TEM透射电镜试验技术，构建混杂纤维混凝土内部纳观及微细观结构拓扑表征；基于微细观力学和均匀化理论，研究不同纤维复合材料基体的开裂、纤维与基体的界面脱粘、纤维拔出或拉断、界面本构模型等，建立宏观应力应变与纳米尺度及微细观尺度信息之间的联系，提出如下预期成果:(1)水泥基纳米硬度、纳米模量以及分子接触本构模型;(2)纤维拔出破坏机理、纤维/水泥基界面粘结强度及其粘结-滑移本构模型;(3)混杂纤维混凝土各相颗粒之间局部微观接触本构模型及计算程序;(4)混杂纤维混凝土的纳观及微细观结构几何拓扑表征及多尺度本构关系。研究成果有助于揭示混杂纤维混凝土材料损伤失效的内在本质，并为修订《纤维混凝土结构技术规程》(CECS38:2004)的条文提供理论支撑和试验依据

随着国民经济持续快速发展，纤维增强混凝土作为新生代复合材料，以其突出的综合性能在土木工程领域中得到广泛应用。纤维混凝土是典型的多相多层次的高度非均质复合材料，其各相之间界面粘结状况及界面物理特性在不同尺度和深度上直接影响着材料的力学性能，只有深入到多个尺度描述材料的物理现象并明确各尺度之间的关系，才能从本质上解释其宏观力学行为。基于此，本项目以应用最广泛的钢-聚丙烯混杂纤维混凝土为研究对象，在微纳米尺度，通过纳米压痕、SEM、EDS等试验技术，揭示了纤维-基体界面过渡区弹性模量及硬度的分布规律，阐明了纤维界面形成机理；在细观尺度上，通过纤维拔出试验，研究了典型的拔出力-位移关系曲线、界面粘结性能各相指标、纤维拔出断裂/脱粘机理等；在此基础上，运用均匀化理论，建立了宏观力学性能与细观以及微纳米尺度结构之间的联系。研究成果如下：（1）基于纤维-基体界面和水泥基的纳米压痕试验结果及分子动力学仿真方法，构建了钢-聚丙烯混杂纤维混凝土内部的微纳观结构拓扑表征及其分子模型；（2）基于钢纤维和聚丙烯纤维拔出试验结果和纤维-基体界面的细观粘结机理，建立了考虑混杂纤维增强效应的不同形状纤维的拔出行为理论模型；（3）建立了钢-聚丙烯混杂纤维混凝土中钢纤维拔出行为的三维有限元模型，以及考虑混杂纤维掺量的主要参数取值方法；（4）基于均匀化理论，提出了钢-聚丙烯混杂纤维混凝土力学性能指标的从纳米尺度到宏观尺度的多尺度理论模型。研究成果有助于揭示混杂纤维混凝土材料宏观响应的内在细观以及微纳观的损伤失效本质，不仅能为进一步提高或控制混凝土性能、研发新型纳米尺度产品或高性能纤维增强混凝土等提供有力的支持，还能为促进混杂纤维混凝土的工程应用、补充和完善相关规程提供理论支撑和试验依据。