基于细观尺度的纤维混凝土力学性能研究

Based on the discrete element method (DEM) and rigid body spring model, a two or three dimensional mesoscopic mechanical model of fiber reinforenced concrete was developed, which considered fiber reinforenced concrete as a five-phase composite material with fiber, coarse aggregates, mortar, the interface between fiber and mortar, and the interface between coarse aggregate and mortar. The crack in fiber reinforenced concrete at macro-level was represented by the failure of springs between elements. After the mechanical performances of the fiber, mortar, and interface were obtained from the experiments, the failure process of fiber reinforenced concrete was simulated by the mesoscopic mechanical model, and the simulation results were compared with that obtained from the experiments to verify the reasonable of the mechanical model. Finally, the influences of the mechanical properties, volume fraction and distribution of fiber, size, number, shape and distribution of coarse aggregate, and the interfacial strength on the mechanical performance and failure process of fiber reinforenced concrete were analyzed. This research provides theoretical references for analyzing the failure process of fiber reinforenced concrete at multi-scale.

以纤维混凝土为研究对象，考虑纤维混凝土由纤维、粗骨料、水泥砂浆、纤维与水泥砂浆间界面、粗骨料与水泥砂浆间界面五相细观介质组成，并基于离散单元法及多刚体-弹簧单元法，建立二维及三维纤维混凝土细观力学模型。模型中，相邻单元之间通过弹簧相连，通过界面连接弹簧的力学性能来考虑界面层的作用，然后根据连接弹簧的破坏表征纤维混凝土开裂后由连续体向非连续体的转变。其次，通过试验获得各相细观材料的力学参数，带入细观力学模型后，对纤维混凝土试验试件的破坏过程进行数值仿真，并将数值结果与试验结果进行对比分析以验证力学模型的适用性及正确性。最后，利用该细观力学模型研究纤维的力学性能、体积率、分布及方向，粗骨料粒径、数量、形状及分布，界面强度等因素对纤维混凝土宏观力学性能及破坏形态的影响。为纤维混凝土材料破坏的多尺度分析提供了依据。

纤维混凝土作为一种典型的复合材料，其本身具有强烈的结构特征，其宏观力学性能及破坏规律取决于其组分材料性质，同时也取决于其细观结构特征。本课题从细观层次出发，研究纤维混凝土细观结构特征与其宏观力学性能之间的关系。首先，通过界面力学性能试验获得了纤维和水泥砂浆基体间界面的粘结抗拉及抗剪性能，同时建立了纤维和水泥砂浆间界面的破坏准则；其次，利用Nano-CT重建了纤维混凝土的三维结构，并基于统计分析法得出纤维在砂浆基体中的分布规律，同时根据微观性能试验认识了纤维与水泥砂浆间界面的微结构；最后，采用有限单元法建立了纤维混凝土的细观力学模型，并对纤维混凝土的破坏过程进行数值仿真，最终分析了纤维混凝土细观结构性能与其宏观力学性能之间的关系。研究结果表明，纤维类型、砂浆基体强度对纤维与水泥砂浆间界面力学性能有重要影响，高强高模PVA纤维与砂浆间界面的粘结性能最好，其次是玄武岩纤维，而玻璃纤维最差；纤维与砂浆间界面的粘结性能随着砂浆基体强度的提高而提高；当界面的法向压应力较小时，水泥砂浆与纤维间界面发生滑移破坏；但是当界面的法向压应力过大时，水泥砂浆与纤维间界面因基体的压碎而破坏。试验结果还表明纤维与水泥砂浆间基体的破坏符合库伦-摩尔准则。另外，基于统计分析发现，纤维在水泥砂浆中的分布满足指数分布。这些结论为纤维混凝土的细观数值分析奠定了基础。通过本文的研究结果，能够使人们更加清晰的认识纤维混凝土的宏观力学性能，并对研发高性能纤维混凝土、合理设计纤维混凝土材料以及根据工程特点充分利用纤维混凝土的长处、避开纤维混凝土的短处提供理论上的指导。