界面強(qiáng)度對(duì)混凝土雙絲拉拔性能的影響*

高 照，張亞芳，劉 浩

(廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

界面強(qiáng)度對(duì)混凝土雙絲拉拔性能的影響*

高 照，張亞芳，劉 浩

(廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

從細(xì)觀角度考慮界面、骨料、鋼絲、混凝土基體四相材料物理力學(xué)參數(shù)的非均勻分布，利用有限元軟件建立雙絲拉拔數(shù)值模擬模型，研究界面強(qiáng)度變化對(duì)雙絲拉拔試件破壞模式和力學(xué)性能的影響，給出雙絲-混凝土基試件在位移加載下的荷載-位移曲線、聲發(fā)射計(jì)數(shù)曲線和剪應(yīng)力分布。研究表明：界面強(qiáng)度變化會(huì)改變拉拔試件的破壞模式和聲發(fā)射現(xiàn)象。界面強(qiáng)度較低時(shí)，雙絲拉拔試件峰值荷載和韌性隨界面強(qiáng)度增加而增加；而界面強(qiáng)度較高時(shí)，界面強(qiáng)度的提高對(duì)峰值荷載和韌性影響不明顯。

雙絲拉拔；界面強(qiáng)度；聲發(fā)射(AE)；峰值荷載；韌度

復(fù)合材料具有優(yōu)異的物理力學(xué)性能，這源于它綜合了增強(qiáng)材料和基體的優(yōu)點(diǎn)[1]。纖維增強(qiáng)混凝土作為一種典型的復(fù)合材料，它的縱向強(qiáng)度不是簡(jiǎn)單的取決于纖維的強(qiáng)度和含量，還和界面粘結(jié)強(qiáng)度有關(guān)[2]。在受力條件下纖維增強(qiáng)混凝土基體中的大量微裂縫不發(fā)生顯著擴(kuò)展，是緣于摻合在基體中的僑聯(lián)纖維對(duì)這一過(guò)程起到了阻滯作用，而阻滯作用大小最終取決于纖維-基體界面的粘結(jié)強(qiáng)度[3]。因此，界面粘結(jié)強(qiáng)度是影響應(yīng)力傳遞和復(fù)合材料的宏觀力學(xué)性能的主要因素[4-5]。有專家和學(xué)者通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)研究了單絲拉拔混凝土的界面力學(xué)性能[6-10]，得到了一批有價(jià)值的研究成果，但由于界面尺度小，難以直接觀測(cè)其內(nèi)部損傷演化過(guò)程，數(shù)值模擬作為補(bǔ)充手段彌補(bǔ)了物理試驗(yàn)的不足[11-13]。

到目前為止，基于界面的研究大多采用理想界面模式進(jìn)行描述，與實(shí)際界面情況差異很大。本文利用有限元軟件RFPA(Realistic Failure Process Analysis)將混凝土材料視為由界面、骨料、鋼絲以及混凝土基體的四相材料組成，運(yùn)用Weibull分布函數(shù)表征試件各相材料物理力學(xué)參數(shù)的非均勻性[14]，建立了雙絲拉拔試件數(shù)值模型，在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了雙絲拉拔試件由裂紋萌生、擴(kuò)展直至破壞的全過(guò)程，并利用聲發(fā)射與材料內(nèi)部損傷有直接的一致對(duì)應(yīng)關(guān)系這一特性評(píng)估和研究界面強(qiáng)度改變對(duì)試件宏觀力學(xué)性質(zhì)的影響[15]。

1 數(shù)值模型建立

圖1為雙絲拉拔混凝土數(shù)值模型，基體尺寸為100 mm×100 mm，埋入標(biāo)號(hào)為1、2的兩根鋼絲，兩根鋼絲直徑均為4 mm，雙絲中心距為24 mm，埋深為50 mm，界面厚度為0.33 mm。模型試件共劃分300×300個(gè)單元。采用位移加載方式，加載步長(zhǎng)為0.000 1 mm/步，共加載200步。各組分材料力學(xué)性能見表1，表中參數(shù)依照文獻(xiàn)[16]取值。為研究界面強(qiáng)度變化對(duì)雙絲拉拔混凝土的力學(xué)性能影響，共設(shè)計(jì)9組不同界面強(qiáng)度(Interface Strength, IS)的試件進(jìn)行模擬，界面強(qiáng)度分別為5、10、30、50、70、90、120、155和180 MPa，為方便后文討論，依次標(biāo)號(hào)為IS-05、IS-10、IS-30、IS-50、IS-70、IS-90、IS-120、IS-155、IS-180。

圖1 數(shù)值模擬模型Fig.1 Numerical model

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 不同界面強(qiáng)度下試件的破壞模式

不同界面強(qiáng)度下試件的破壞模式有所不同，通過(guò)大量數(shù)值模擬算例可以發(fā)現(xiàn)，隨著界面強(qiáng)度的增強(qiáng)，在沿纖維軸向拉拔荷載作用下試件的破壞模式大致可分為兩種：鋼絲-基體-鋼絲拔出破壞、基體橫斷破壞。圖2給出了IS-10、IS-155拔出破壞過(guò)程圖。其中Step09-01是指有限元計(jì)算中第9加載步的第一子步，其后依此類推。

表1 材料各組分力學(xué)參數(shù)1)

1)括號(hào)內(nèi)數(shù)字為材料的均質(zhì)度

圖2(a)所示為低界面強(qiáng)度試件IS-10破壞過(guò)程圖。加載初期，試件界面層首先出現(xiàn)微小裂紋，裂紋主要集中在試件兩根鋼絲的埋入端(外露鋼絲與基體交界處附近)與埋置端(鋼絲植入基體端)，這是由于鋼絲兩端(即埋入端與埋置端)附近的材料尺寸及剛度突變引起的應(yīng)力集中導(dǎo)致的。隨著荷載增大，兩端裂紋沿界面層向中心發(fā)展，在此過(guò)程中，單根鋼絲兩側(cè)裂紋發(fā)展逐漸由對(duì)稱趨向非對(duì)稱，這與齊雷等[17]在界面脫粘過(guò)程數(shù)值模擬研究中所觀察到的現(xiàn)象一致。繼續(xù)加載，鋼絲兩側(cè)界面完全脫粘，轉(zhuǎn)而由鋼絲-基體間的摩擦作用傳遞應(yīng)力，基體內(nèi)部開始出現(xiàn)損傷，2號(hào)鋼絲埋置端應(yīng)力集中處裂紋迅速向1號(hào)鋼絲方向擴(kuò)展延伸直至到達(dá)1號(hào)鋼絲埋置端空腔部，如圖2(a)Step120-01所示。完成加載過(guò)程后，可以看到，底部裂紋貫通1、2號(hào)鋼絲間的混凝土，雙絲及其間基體出現(xiàn)整體滑移破壞。這種破壞形式可認(rèn)為是鋼絲-基體-鋼絲拔出破壞。

圖2(b)所示為高界面強(qiáng)度試件IS-155的破壞過(guò)程圖。加載進(jìn)行至Step166-01前后，埋入端界面、埋置端界面和基體薄弱單元先后出現(xiàn)少量損傷，隨后鋼絲底端脫粘出現(xiàn)細(xì)小空腔。繼續(xù)加載，兩根鋼絲埋置端均出現(xiàn)了垂直于鋼絲的橫向裂紋并不斷地向兩側(cè)發(fā)育，至加載結(jié)束，主裂紋(造成基體失穩(wěn)破壞的裂紋)橫跨大部分基體且貫通雙絲底端界面層，而埋入端附近界面單元僅出現(xiàn)了少量損傷，余下的未損傷界面層仍能繼續(xù)傳遞應(yīng)力至基體，這種破壞形式可認(rèn)為是基體橫斷破壞。與低界面強(qiáng)度試件IS-10破壞過(guò)程比較發(fā)現(xiàn)，高界面強(qiáng)度試件更容易發(fā)生基體損傷破壞，這與文獻(xiàn)[18]中所得到的研究結(jié)論是一致的。

為深入研究拉拔荷載作用下不同界面強(qiáng)度試件的應(yīng)力分布情況，對(duì)IS-10和IS-155沿圖3所示路徑分別取多單元信息。沿圖3中直線1、2自上向下取多單元信息處理后得到1號(hào)鋼絲左右兩側(cè)界面剪應(yīng)力曲線(如圖4所示)，沿直線3自左向右取多單元信息處理后得到雙絲底部基體拉應(yīng)力曲線(如圖5所示)。為方便對(duì)比，圖4中1號(hào)鋼絲的右側(cè)剪應(yīng)力曲線和圖5中IS-155的拉應(yīng)力曲線人為置于水平軸下方。

圖2 兩種典型破壞模式的拔出破壞過(guò)程圖Fig.2 Picture of failure process of two typical failure modes

觀察圖4可得到IS-10和IS-155的剪應(yīng)力分布情況：① 兩組試件的界面剪應(yīng)力分布均為鋼絲兩端的界面剪應(yīng)力較鋼絲中段更大，這和以往的數(shù)值模擬結(jié)果是一致的[19-21]；② IS-10的鋼絲兩側(cè)界面剪應(yīng)力呈非對(duì)稱分布，而IS-155的鋼絲兩側(cè)界面剪應(yīng)力分布較為對(duì)稱。根據(jù)以上圖4的觀察結(jié)果和圖2中兩組試件的破壞過(guò)程圖可知，IS-10的破壞模式為：荷載作用下，鋼絲兩端剪應(yīng)力集中超過(guò)了此區(qū)域內(nèi)界面單元強(qiáng)度極限，界面發(fā)生局部脫粘破壞，這部分極限強(qiáng)度被釋放，界面脫粘的部位轉(zhuǎn)移，隨著荷載繼續(xù)增大，界面的另一部位發(fā)生新的局部破壞和新破壞部位處的極限強(qiáng)度被釋放，如此循環(huán)發(fā)展，界面不斷損傷脫粘。由于低界面強(qiáng)度試件IS-10的鋼絲兩側(cè)剪應(yīng)力不對(duì)稱，鋼絲左右兩側(cè)脫粘程度亦不對(duì)稱，即鋼絲外側(cè)脫粘程度高于鋼絲內(nèi)側(cè)，正因如此，IS-10的雙絲和其間基體粘結(jié)良好，最終發(fā)生鋼絲-基體-鋼絲拔出破壞。而IS-

155僅鋼絲埋入端界面受剪嚴(yán)重，且界面本身強(qiáng)度大，抗剪切破壞能力強(qiáng)，因此IS-155與IS-10的破壞模式有所區(qū)別。

圖3 取多單元信息路徑示意圖Fig.3 Path diagram of obtaining multiunit massage

為了進(jìn)一步分析IS-155的破壞模式，圖6給出了IS-155試件的拉應(yīng)力云圖，可以看到，圖中雙絲底部附近基體條紋相對(duì)更加明亮和密集，表明此區(qū)域內(nèi)基體受拉應(yīng)力作用明顯。圖5給出了IS-10和IS-155的拉應(yīng)力曲線，整體來(lái)看，IS-155拉應(yīng)力要大于IS-10的拉應(yīng)力，其中IS-155拉應(yīng)力峰值相較IS-10提升了61%，拉應(yīng)力平均值也提升了150%。由此可知，界面單元強(qiáng)度提升后剪應(yīng)力集中區(qū)域只有少量脆弱單元(界面單元力學(xué)參數(shù)服從Weibull分布)受剪屈服破壞，而雙絲底部基體單元由于所受拉應(yīng)力值超過(guò)給定的閾值，基體產(chǎn)生裂紋并最終導(dǎo)致試件失穩(wěn)破壞。

圖4 兩組不同界面強(qiáng)度試件的界面剪應(yīng)力Fig.4 Interfacial shear stress of two different interfacial strength

根據(jù)以上關(guān)于不同界面強(qiáng)度試件的應(yīng)力分布情況分析可得出結(jié)論，低界面強(qiáng)度的試件破壞主要原因是由于界面單元所受最大剪應(yīng)力達(dá)到給定閾值導(dǎo)致的界面脫粘破壞，而高界面強(qiáng)度試件破壞的主要原因是由于基體單元所受最大拉應(yīng)力達(dá)到給定閾值導(dǎo)致基體開裂破壞。

圖5 最大拉應(yīng)力Fig.5 Maximum tension stress of test specimen

圖6 IS-155拉應(yīng)力云圖Fig.6 Tension stress nephogram of IS-155

2.2 界面強(qiáng)度變化對(duì)試件承載能力的影響

為了研究界面強(qiáng)度變化對(duì)試件承載能力的影響，下文將從韌度和峰值荷載兩個(gè)方面來(lái)分析討論。

圖7給出了三組雙絲-混凝土基試件在單向拉位移加載下的聲發(fā)射-位移-荷載關(guān)系圖。如圖7所示，試件荷載-位移曲線突降處往往伴隨著大量聲發(fā)射現(xiàn)象，這表示試件大量單元遭到破壞，承擔(dān)荷載能力迅速喪失。一般定義荷載位移曲線與坐標(biāo)軸圍成的面積為韌度，取試件IS-05的韌度為1，計(jì)算其余試件的相對(duì)韌度，所得結(jié)果如表2所示。圖8則直觀的展示了試件韌度隨界面強(qiáng)度變化的趨勢(shì)，可以看到，界面強(qiáng)度低于90 MPa時(shí)界面強(qiáng)度的改變對(duì)雙絲拉拔試件的韌度影響顯著，隨界面強(qiáng)度增加而顯著增加，IS-90試件的韌度為IS-05試件的4.71倍；當(dāng)界面強(qiáng)度高于90 MPa時(shí)，試件的韌度不再隨界面強(qiáng)度增加而單調(diào)增加了。由圖7(c)可知，試件IS-155的聲發(fā)射聚集在一個(gè)極小的時(shí)間段內(nèi)發(fā)生，荷載位移曲線也表明試件的承載力在Step166-01～Step166-43 一個(gè)加載步間損失了72%，相較于圖7(b)中低界面強(qiáng)度試件IS-50曲線所表現(xiàn)出的“階梯降”而言，高界面強(qiáng)度試件IS-155拉拔試驗(yàn)的破壞過(guò)程具有明顯的突然性，呈現(xiàn)了顯著的脆性破壞特征。圖2(b)也說(shuō)明了同樣的現(xiàn)象，在Step166-01～Step166-43 一個(gè)加載步間，IS-155試件便完成了裂紋萌生、擴(kuò)張和試件失穩(wěn)破壞的整個(gè)過(guò)程，且破壞前無(wú)明顯的預(yù)兆，試件的這種脆性特點(diǎn)難以保證實(shí)際工程應(yīng)用中的安全性。

圖9給出了不同界面強(qiáng)度拔出試驗(yàn)峰值荷載曲線，圖中曲線變化趨勢(shì)與圖8中試件韌度變化趨勢(shì)相似，均在5～90 MPa區(qū)間段內(nèi)單調(diào)增加，90 MPa時(shí)曲線出現(xiàn)了一個(gè)極大值，隨后曲線變化不大。

圖7 聲發(fā)射-位移-荷載關(guān)系圖Fig.7 AE count and displacement and load curves

表2 不同界面強(qiáng)度試件相對(duì)韌度及峰值荷載

Table 2 Relative toughness and peak load of specimens with different interfacial strength

項(xiàng)目IS?05IS?10IS?30IS?50IS?70IS?90IS?120IS?155IS?180相對(duì)韌度11 091 52 443 544 714 24 475 03峰值荷載/N58 159 8105 2177 2238 5301 5287 4308 8331 3

圖8 不同界面強(qiáng)度試件相對(duì)韌度Fig.8 Relative toughness of different interface strength

圖9 峰值荷載-界面強(qiáng)度曲線Fig.9 peak load and interface strength curve

綜上所述，低界面強(qiáng)度條件下可以通過(guò)提高界面強(qiáng)度來(lái)提升試件的韌性和峰值荷載；當(dāng)界面強(qiáng)度超過(guò)某個(gè)值時(shí)(本文中為90 MPa)試件的峰值荷載和韌度變化不明顯。從實(shí)際工程中對(duì)材料要求的角度考慮，界面強(qiáng)度最小的IS-05試件荷載-位移曲線平緩且峰值低，說(shuō)明纖維容易在低荷載情況下發(fā)生脫粘滑移。IS-155試件荷載-位移曲線和聲發(fā)射現(xiàn)象均表明高界面強(qiáng)度試件具有脆性破壞特征。界面強(qiáng)度適中的IS-50試件荷載-位移曲線覆蓋面積比IS-05更大，峰值荷載也增加顯著，同時(shí)，曲線在下降段也有明顯的階梯狀平臺(tái)，破壞過(guò)程圖也表明試件失穩(wěn)破壞前有明顯的預(yù)兆(雙絲滑移現(xiàn)象)，表現(xiàn)出良好的韌性，既能保證工程中的承載力需求也能滿足安全性要求。

3 結(jié) 論

本文利用有限元軟件，基于材料的非均勻性，從細(xì)觀角度對(duì)不同界面強(qiáng)度的雙絲拉拔試件進(jìn)行了數(shù)值模擬和分析，并得出以下結(jié)論：① 不同界面強(qiáng)度的雙絲拉拔試件破壞模式有所不同；② 對(duì)于低界面強(qiáng)度試件，試件的強(qiáng)度和韌性隨界面強(qiáng)度提高而提高，而對(duì)于高界面強(qiáng)度試件，界面強(qiáng)度的提高對(duì)試件強(qiáng)度和韌性并無(wú)明顯影響。③ 結(jié)合實(shí)際工程材料的安全性要求后發(fā)現(xiàn)，界面強(qiáng)度存在一個(gè)最優(yōu)區(qū)間，界面強(qiáng)度過(guò)低或過(guò)高的試件均無(wú)法滿足工程要求。

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Influence of interface strength on twin fiber pull-out test of concrete matrix

GAOZhao,ZHANGYafang,LIUHao

(Faculty of Civil Engineering，Guangzhou University，Guangzhou 510006，China)

Meso-level heterogeneous distribution of interface mechanical parameters has been investigated. Numerical models for twin fibers pull-out test have been created by using finite element method. Influence of interface strength on damage pattern and mechanical properties have been studied on twin fibers pull-out test specimens. By applying load with displacement control, load-displacement curves, AE accumulative curves and interface shear stress distribution curves of twin fibers and concrete matrix test specimen have been plotted. The damage pattern and AE pattern of pull-out test specimen changed along with the interface strength. As interface strength is low, both peak load and toughness increase with interface strength, and both peak load and toughness don’t change obviously with high interface strength.

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

10.13471/j.cnki.acta.snus.2016.06.017

2016-05-18

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

高照(1992年生)，男；研究方向：纖維增強(qiáng)混凝土；通訊作者：張亞芳;E-mail:zhangyafang2004@163.com

TB333

A

0529-6579(2016)06-0109-06