基于SEM和数字图像相关技术的混凝土界面过渡区细观力学行为研究

The influence of interfacial transition zone (ITZ) on the macroscopic property of concrete is obvious. Therefore, the research of meso-mechanical behavior of ITZ is essential for numerical simulation, durability analysis and life evaluation of concrete structure, such as concrete high dams, offshore platforms. The relevance with mechanical properties and microstructure of ITZ is very high and it is a distinct bottleneck in research of ITZ that the lack of characterization formula on mechanical properties of ITZ considering the effect of microstructure measured by direct experiments. For this issue, the following research work will be carried out: (1) design and manufacturing in-situ loading devices and test specimens suitable for ITZ under environmental scanning electron microscope (SEM); (2) digital image correlation method for measurement of meso-deformation field and tracking of micro-cracks of ITZ based on SEM images; (3) experimental research on meso-mechanical properties of ITZ and the relation with microstructure under SEM using in-situ loading devices and digital image correlation method; (4) developing physical models for characterizing the mechanical behavior of ITZ including microstructure features and three-phase composite microstructure models of concrete. Through above research, it can be revealed of meso-mechanical behavior of ITZ and relational physical mechanisms and is beneficial to improve the macro-mechanical properties of concrete by optimizing ITZ microstructure.

界面过渡区(ITZ)对混凝土宏观性能有很大影响，其细观力学行为的研究对大坝、海洋平台等混凝土工程结构的力学仿真分析、耐久性和服役寿命评估等工作都至关重要。ITZ自身的力学性能又与其微观结构有重要联系，而当前ITZ研究的一个薄弱环节正是缺乏通过实验直接测量获得的考虑微观结构特征的ITZ力学性能模型。本课题针对该问题，拟开展以下工作：(1)开发可用于环境扫描电子显微镜(SEM)的混凝土ITZ在位加载装置和试件形式；(2) 研究基于SEM图像的混凝土ITZ细观变形场测量和微裂纹跟踪的数字图像相关技术；(3)开展SEM下的混凝土ITZ细观力学参数的实验研究，并探索与微观结构的相关性；(4)建立考虑微观结构特征的混凝土ITZ力学行为表征物理模型和混凝土三相复合细观结构模型。通过以上研究工作，可以揭示ITZ细观力学行为和物理机制，为优化ITZ微结构来改善混凝土材料的宏观力学性能提供科学依据。

界面过渡区（ITZ）的力学行为对混凝土宏观性能有很大影响，但是因其尺度较小（50微米左右），其力学参数和损伤破坏过程难以直接测量。本课题通过研究，(1) 实现了基于SEM和DIC技术的混凝土界面过渡区力学参数的直接测试方法，开发了相应的测试装置和分析系统，并实验验证了其有效性。(2) 采用以上系统，测量得到了混凝土ITZ名义拉伸和压缩弹性模量等力学参数，并研究了不同影响因素对混凝土界面过渡区力学参数的影响，该成果将有助于混凝土宏细观数值模型的准确建立。(3) 提出了DIC与小波包分析相结合的混凝土微损伤萌生和发展分析方法，构建了小波包能量变化率ECR和小波包能量变化率标准差ECRSD实时识别指标，并实验验证了其有效性。(4)提出了的基于摩擦耗能的黏结退化模型， 采用颗粒流离散元方法实现了对混凝土损伤演化过程的模拟，系统研究了混凝土细观破坏机制、宏-细观参数间的相关性统计分析、摩擦耗能参数的累积与分布特征及其与疲劳损伤之间的联系等问题。基于以上研究，本项目发表SCI论文28篇（其中CCC、IJSS、CBM等TOP期刊论文9篇）、EI论文3篇、中文核心论文8篇；授权发明专利4项；获省部级科技奖励1项。全面超额完成预期成果指标。