界面厚度对双丝拉拔混凝土力学性能的影响

张亚芳，高 照，刘 浩，何 娟

广州大学土木工程学院，广东广州 510006

【土木建筑工程/ArchitectureandCivilEngineering】

界面厚度对双丝拉拔混凝土力学性能的影响

张亚芳，高 照，刘 浩，何 娟

广州大学土木工程学院，广东广州 510006

考虑三维状态下界面、钢丝和混凝土基体三相材料物理力学参数的介观非均匀分布，利用有限元软件建立了双丝拉拔混凝土三维模型，研究了界面厚度对双丝拉拔混凝土力学性能的影响及界面的作用机理，获得试件声发射演化过程图和声发射-位移-荷载曲线，得到峰值荷载、韧性和声发射耗散总能量随界面厚度变化的曲线. 研究结果表明，试件的界面越厚，界面传递应力的能力越强，平均界面剪切强度越大，双丝发生脱黏的时间也越晚. 此外，适当增加界面的厚度有利于提高双丝试件的拉拔强度和韧性.

混凝土；细观力学；双丝拉拔；界面厚度；声发射；峰值荷载；韧度

界面是复合材料极其重要的微结构，是增强相与基体相间应力及其他信息的传递桥梁，界面性质直接影响着复合材料的力学性能，如层间剪切、断裂、抗冲击以及波的传播等性能. 从晶体几何学的角度看，界面是三维晶格周期性排列从一种规律转变为另一种规律的集合分界面，简单来说就是两个材料相之间的过渡区，其厚度因不同材料而有所差异[1-2]. 过去一般认为界面在几个分子层的厚度范围内，但随着纳米压痕、扫描电子显微镜等观测技术的不断发展，国内外学者对复合材料界面的厚度进行了更精确地测量. Wang等[3-5]观测了钢纤维-水泥砂浆和钢纤维-混凝土基体的界面区，发现其界面厚度介于几微米到一百微米之间；胡杰等[6]通过纳米压痕试验观测了聚丙烯纤维增强水泥基复合材料界面，发现不同水灰比试件的界面厚度在10～20μm. 除了界面尺寸和结构的观测及研究外，关于界面厚度与材料宏观性能的关系的相关研究也有报道，如对于经过硅烷处理的玻璃纤维复合材料而言，仅当界面厚度超过某一临界值时才能获得最大的界面剪切强度[7]；对于陶瓷基复合材料的研究表明，界面厚度较小时材料容易产生多重裂纹[8]. 以上研究表明，界面的厚度与复合材料的宏观性能存在一定的联系，界面的厚度选择对复合材料优化设计具有重要意义.

虽然复合材料界面厚度问题的研究十分重要，但在目前的物理实验条件下，要精细地控制界面的厚度在操作上存在极大的困难. 计算机设备的飞速发展和数值模拟试验为研究界面厚度问题提供了可能. 但由于界面厚度极其微小以及双丝间极强的耦合作用，目前运用数值模拟方法开展界面厚度对双丝拉拔混凝土力学性能影响的文献极其少见，而基于细观角度考虑各材料相非均匀分布的三维数值分析目前尚无报道. 本研究通过有限元软件Ansys和RFPA(realistic failure process analysis)建立不同界面厚度的三维数值模型，引入Weibull分布函数以表征试件各相材料物理力学参数的非均匀性，研究界面厚度对双丝混凝土试件拉拔性能的影响. 本研究采用线弹-脆性细观本构关系描述基体单元和纤维体单元的细观力学行为，建立基于各向异性特征的界面体单元本构模型，以实现纤维增强混凝土的随机概率模型.

1 三维数值模型的建立

本研究共建立了8组不同界面厚度的双丝混凝土数值试件，界面厚度分别设计为0.02、0.04、0.05、0.06、0.08、0.10、0.12和0.16mm，为方便描述，编号依次为T-002、T-004、T-005、T-006、T-008、T-010、T-012和T-016. 在Ansys中建立的数值模型见图1，基体尺寸为40mm×40mm×40mm，两根钢丝直径均为2mm，埋深为20mm，双丝间距为8mm，共划分约130万个单元. 通过宏命令将Ansys中模型的荷载和约束等信息导入至RFPA中后得到如图2所示的数值模型，在RFPA中进行加载，按照0.0001mm/步，共加载100步，Step5表示当前加载步为第5步. 试件各项材料物理力学参数如表1[9].

图1 Ansys中建立的数值模型Fig.1 (Color online) The numerical model in Ansys

图2 RFPA中的数值模型Fig.2 (Color online) The numerical model in RFPA

组分弹性模量/MPa极限抗压强度/MPa泊松比基体20400(3)155(3)0.25(100)界面4000(1.2)30(1.2)0.25(100)钢丝210000(20)1000(20)0.30(100)

1)括号内数值为材料均质度

2 三维数值模拟结果讨论

2.1声发射演化过程

声发射(acousticemission，AE)技术可以监测加载过程中试件内部单元的损伤数量及单元损伤能量释放情况，声发射的演化过程可反映试件局部损伤的发生和转移行为. 图3为T-002、T-008和T-016的声发射演化过程，分别代表小界面厚度、中界面厚度和大界面厚度的数值试件，图中气泡数量反映了声发射的次数，气泡大小则反映了声发射释放能量的大小，气泡越大表示声发射释放的能量越大，反之则越小. 由图3可知，声发射现象首先出现在试件的双丝埋入端，埋入端与埋置端位置可参考图1(a)和图3(a). 随荷载增加，该区域声发射气泡体积增大、数量增加，说明受损区域开始扩大，更多单元发生破坏并释放出能量. 继续加载，声发射气泡覆盖了双丝的全部埋深范围，单个加载步内的声发射数量达到峰值. 此阶段后，新声发射现象变得微弱，气泡数量和大小不再随加载步变化而变化，说明界面单元损伤殆尽，声发射演化过程已结束. 对比图3中3组试件声发射气泡扩散和声发射演化过程结束的时间可以发现，界面厚度增加会减缓双丝脱黏滑移的速度，而且，界面从无损到出现可见裂纹(对应声发射扩散阶段)需要的加载步数也增加了，即界面发生初裂的时间延后了.

图3 声发射演化过程图Fig.3 (Color online) The AE evolution process

2.2应力分析

以T-016为例，图4给出了其加载全过程中试件内部拉应力的分布变化情况. 如图4，加载之初(step2)，仅双丝上出现了拉应力，周围基体的拉应力不明显. 加载到step8时，双丝的拉应力通过界面向其周边基体扩散，双丝埋入端基体中拉应力影响明显. 加载到step11时，受拉应力影响区域的高度和直径增加，表明更深处和离双丝更远处的基体也开始受拉，双丝间的基体出现了应力耦合. 继续加载，由于界面不断损伤，应力传递的通道被破坏，基体中的受拉区域逐渐减少，如图4(d)和(e).

对于不同界面厚度的试件，其应力演化过程是相同的，加载初期的应力分布也较为相似(图5)，拉应力自双丝向基体传递，基体受拉区域呈环状. 其主要区别在于，试件的界面厚度越大，双丝周围基体的应力值越大，双丝间基体应力耦合现象也越明显.这说明厚度越大，界面传递应力的能力越强. 裴永琪[10]在研究环氧树脂光滑接枝玻璃纤维增强水泥复合材料时也得出了类似结论，认为平均界面剪切强度随着界面(层)厚度的增加而增大；朱大胜等[11]对纤维增强弹性体基复合材料单纤维拔出模型进行分析后认为，界面(层)厚度的增加使更多的载荷传递到基体上.

图4 拉应力演化过程Fig.4 (Color online) The tensile stress evolution process

图5 应力分布图Fig.5 (Color online) Stress distribution figures

2.3增强增韧分析

图6给出了几组不同界面厚度时双丝试件的荷载-位移曲线. 由图6可见，在A点之前各组试件的荷载-位移曲线几乎完全重合，A点过后，界面厚度较小的T-002和T-004首先进入强化阶段，而界面厚度较大的其他试件则仍处于弹性变形阶段. 由此可知，弹性阶段不同界面厚度试件的荷载-位移曲线斜率相差不多，但界面厚度越大的试件其弹性阶段持续的时间越长，且峰值荷载也更大. 图7给出了各试件峰值荷载随界面厚度变化的曲线，其拟合曲线为

y=-1528x2+640x+131,R2=0.94605

(1)

其中，y为峰值荷载；x为界面厚度；R2为拟合系数(最大值为1，代表完全拟合的情况)

图6 荷载-位移曲线图Fig.6 (Color online) Load and displacement curve

图7 峰值荷载-界面厚度曲线Fig.7 (Color online) Peak load and interface thickness curves

由式(1)可得该拟合曲线的最大值及其对应的横坐标分别为198.02和0.42，即在界面厚度为0.42mm时试件的峰值荷载最大，为198.02N. 而T-012和T-016的峰值荷载分别为189.26和193.80N，这说明界面厚度超过0.12mm时，界面厚度增加对试件峰值荷载的提升作用已经不明显. 此外，当界面厚度超过0.42mm时，试件的峰值荷载还有可能出现下降，这个结论与已有文献类似，Mazumdar等[12]研究认为，界面厚度是界面黏结性能的关键参数，峰值荷载随着界面厚度的增加而增加，但界面厚度超过某个临界值时，峰值荷载不再增加反而减小.

图8为不同界面厚度试件的声发射耗散能量-位移-荷载曲线. 由图8可知，声发射能量耗散最多的阶段出现在荷载-位移曲线快速下降后不久，这种滞后现象主要是由于试件达到峰值荷载后界面并不会马上破坏并发出声发射信号，而是有一个短暂的延迟. 从图8中还可看出，无论是荷载-位移曲线的上升段还是下降段，界面厚度更大的试件释放的声发射能量要明显多于界面厚度较小的试件. 一般认为，声发射耗散总能量与材料宏观断裂能(即试件承受拉伸载荷发生断裂所做功)有相同的线性关系[13]，因此声发射耗散总能量和韧度(即试件荷载-位移曲线包围的面积)一样，可以作为评估试件韧性的指标之一. 根据图8可以计算出整个加载过程中试件的声发射耗散总能量以及试件的韧度，声发射耗散总能量可通过累加各加载步的声发射耗散能量得到，试件的韧度可通过对图8中荷载-位移曲线进行面积积分得到，计算结果如图9. 从图9可见，声发射耗散总能量和韧度两条曲线的走势相似，均随界面厚度的增加而线性增加. 由此可知，试件的界面厚度越大，其受荷载作用而发生破坏时做的功越多，其韧度越大，韧性也越好. 文献[14]认为这主要是由于界面厚度的增加使得界面剪应力的分散作用增大，避免了界面在某一局部出现应力集中，从而使试件获得更好韧性的结果.

图8 声发射-位移-荷载曲线Fig.8 (Color online) AE count and displacement and load curves

图9 不同界面厚度试件的韧性和声发射耗散总能量Fig.9 (Color online) Total energy released in AE and toughness of different interface thickness

结 语

本研究考虑三维状态下界面、混凝土基体及双丝三相材料的物理力学性质的细观非均匀性，研究了不同界面厚度下双丝拉拔混凝土的声发射演化过程及其应力分布，对界面相增强试件整体宏观力学性能的机理进行了探讨，认为：① 界面的厚度与复合材料的宏观性能存在一定的联系；② 试件的界面厚度越大，界面出现宏观损伤的时间越晚，双丝脱黏滑移的时间也越晚；③ 界面的厚度越大，界面传递应力的能力越强，平均界面剪切强度也越大； ④ 适当增加界面的厚度有利于提高双丝试件的拉拔强度和韧性.

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【中文责编：坪梓；英文责编：之聿】

Influenceofinterfacethicknessontwinfiberpull-outtestofconcrete

ZhangYafang,GaoZhao,LiuHao,andHeJuan

FacultyofCivilEngineering,GuangzhouUniversity,Guangzhou510006,GuangdongProvince,P.R.China

Meso-level heterogeneous distribution of interface mechanical parameters is investigated. Numerical models for twin fibers pull-out test are created by using3D finite element method. Influence of interface thickness on damage pattern and mechanical properties is studied on twin fibers pull-out test specimens. By applying load with displacement control, load-displacement curves, acoustic emission (AE) accumulative curves and interface shear stress distribution curves of twin fibers and concrete matrix specimen are plotted. The damage pattern and AE pattern of pull-out test specimen vary along with the interface strength. The thicker the interface is, the higher the interface capacity for transferring stress and high shear strength. The splitting of fibers could happen later than the specimen with thin interface. In addition, appropriate thick interface benefits the improved peak load and toughness.

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

2017-04-06；Accepted：2017-07-05

Professor Zhang Yafang．E-mail: zhangyafang2004@163.com

TB 333

：Adoi：10.3724/SP.J.1249.2017.05476

Foundation：National Natural Science Foundation of China (51678170, 51278136); Guangzhou Science and Technology Project (15180005)

：Zhang Yafang，Gao Zhao，Liu Hao，et al．Influence of interface thickness on twin fiber pull-out test of concrete[J]. Journal of Shenzhen University Science and Engineering, 2017, 34(5): 476-481.(in Chinese)

国家自然科学基金资助项目(51678170，51278136)；广州市科技创新平台资助项目(15180005)

张亚芳(1966—)，女，广州大学教授、博士．研究方向：纤维增强混凝土及细观力学研究．E-mail：zhangyafang2004@163.com

引文：张亚芳，高 照，刘 浩，等．界面厚度对双丝拉拔混凝土力学性能的影响[J]. 深圳大学学报理工版，2017，34(5)：476-481.