基于界面控制的纤维增强混凝土破裂过程和增韧机理研究

Properties of interface of fiber reinforced concrete (FRC) have direct influence on the ensemble property and damage process of the material. The mechanism of this process is far from understood clearly, because many factors have been involved in the process, which actually make the failure of FRC a quite complicated process. In this project, the fracture and toughening mechanism are proposed to be investigated and studied by adopting both experimental and numerical simulation. In aspects of numerical simulation, anisotropic thin layer cells will be used in simulating the interface in between the concrete matrix and the fibers. Furthermore, a fine model based interface control can be established to simulate the failure process of FRC. Hence, the complete fractural process, from crack initialization, coalescence, development, running-through towards failure, which should be under control of both external loading and interface property, could be systematical simulated and studied. Regarding to proposed experiments, pullout test and acoustic emission test will be conducted on FRC samples, which could consist of single fiber and multiple fibers, respectively. With these experiments, the loading features of the interface and fractural mechanism and rules can be investigated, and these experimental results could be used to verify the results got from the above-mentioned numerical simulations. Finally, with both experimental and numerical results, the influence on strength of interface, strength and damage mode of FRC could be analyzed by adjusting diameter and shape of fibers, thickness of interface, water cement ratio of matrix, and etc. The failure and toughening mechanism of this kind material could, therefore, be revealed and this study could provide theoretic basis and guidance on forecast of FRC failure based on interface control and toughening design of FRC.

维增强混凝土界面性能直接影响材料的整体特性和损伤破坏，涉及因素众多，其破坏过程极其复杂。本项目采用物理实验和数值模拟作为研究手段，研究界面控制下纤维增强混凝土损伤破坏和增韧机理。数值计算方面，通过采用各向异性薄层单元模型建立混凝土和纤维体之间的界面模型，进一步建立基于界面控制的纤维增强混凝土的损伤开裂的精细数值计算模型，实现纤维增强混凝土在界面性能、外荷载等综合因素作用下的裂纹萌生、扩展、贯通直至失稳的全过程的数值试验。物理实验方面，通过展开单根、多根纤维增强混凝土试样的拉拔物理实验和声发射实验，探讨界面受力特点与破坏机制，进一步校核数值模型的正确性。最后，结合物理实验和数值模拟结果，研究纤维直径和形状、界面层厚度、基体水灰比等对界面强度、混凝土强度及破坏模式的影响，揭示该类材料的破坏与强韧化机理，为实现基于界面控制的纤维增强混凝土材料破裂灾害的预测预报和强韧化优化设计提供理论指导依据。

本研究在理论分析、物理实验与数值计算模型建立上，根据纤维不同方向上的受力和变形特点，采用各向异性薄层单元模型实现了纤维不同方向上的滑移和接触功能，建立了基于界面控制的纤维增强混凝土的损伤开裂的精细数值计算模型，实现了纤维增强混凝土在界面性能变化的影响和外荷载作用等综合因素作用下的裂纹萌生、扩展、贯通直至失稳的全过程的数值试验。实现了1亿自由度的复合材料模型的破裂过程分析。在物理实验方面，开展了单、双丝纤维增强混凝土试样的拉拔物理实验，探讨界面受力特点与破坏机制，同时校核数值模型的正确性纤维混凝土基本力学性能，进行了纤维混凝土试块受压破坏全过程的声发射行为分析，同时也自行设计了双丝拉拔的实验模具并实现了双丝拉拔物理实验。最后，结合物理实验和数值模拟结果，开展了单丝和双丝拉拔的二维和三维的系统分析，得到了一系列分析结果。对于单丝拉拔试件，分析了界面均质度变化、界面强度和弹性模量变化、基体力学性能变化、单丝纤维埋深、种类及其尺寸变化等对二维和三维试件破坏过程和强韧性的影响。对于双丝拉拔试件，通过二维和三维模型研究，分析了双丝间距、埋深、界面强度、界面弹性模量、双丝直径变化等对模型试件物理力学性能的影响。研究结果揭示了混凝土和纤维间界面力学性能化、纤维的尺寸以及纤维种类、双丝间距变化等对混凝土试件的整体物理力学性能的影响规律，对于理解该类材料的破坏与强韧化机理，实现纤维增强混凝土结构失稳破坏的预测和优化设计均具有重要意义。.本项目基本完成研究目标，已完成界面控制的纤维增强混凝土破坏过程分析的二维和三维计算分析研究，突破1亿自由度以上三维有限元并行计算。已经发表标注论文14篇，其中SCI、EI收录3篇。项目组2位主要成员于2015年7月投稿并赴丹麦参加“第20届国际复合材料学术会议”，并做分场报告。通过本项目的研究，已培养博士研究生1名，硕士研究生6名，另有4名在读。