混凝土界面特性与力学性能的细观数值分析

将混凝土等效为由骨料、水泥砂浆及二者间的界面所构成的三相复合材料,利用蒙特卡罗方法建立混凝土随机骨料模型。采用线性应力裂缝宽度关系来表征混凝土材料的各相软化力学行为,利用扩展有限元法对单轴拉伸条件下混凝土材料的界面特性与力学性能进行数值分析。分析结果表明,随着界面强度提高,混凝土强度、断裂能和延性增大,破坏模式由单一贯通裂纹向多条非贯通裂纹过渡;混凝土弹性模量随界面弹性模量的增加而增大;界面厚度减小时,混凝土材料的强度、弹性模量、断裂能增加,界面厚度对混凝土力学性能弱化作用变小。     

氯盐干湿循环作用下CFRP混凝土界面黏结性能研究

为了考察碳纤维复合材料(carbon fiber reinforced polymer, CFRP)与混凝土结构在氯盐干湿循环作用下界面黏结强度,开展不同干湿循环周期下混凝土的弹性模量、抗压强度和CFRP混凝土单剪试件界面黏结性能的腐蚀劣化试验研究。通过模拟氯盐的干湿循环作用和自主设计的单剪试验稳定装置,对混凝土基体的腐蚀劣化性能和界面的有效黏结长度进行研究,基于Popovics方程分别对不同腐蚀周期的界面黏结应力-滑移关系和界面断裂能进行研究。在此基础上,分析干湿循环作用下CFRP-混凝土界面黏结强度的劣化机理,并建立界面的时变黏结强度计算模型。结果表明,随着干湿循环周期的增长混凝土基体的弹性模量整体变化不大,而抗压强度则呈现出先增大后减小的趋势,最终腐蚀120 d后较未腐蚀混凝土抗压强度降11.2%;界面的有效黏结长度从未腐蚀的120 mm降低到腐蚀120 d后的72 mm,界面的断裂能也大幅下降。基于Popovics方程得到的腐蚀环境下CFRP混凝土界面黏结应力-滑移关系可揭示界面黏结强度劣化机理,建立的界面时变黏结强度模型有效,可应用于不同干湿循环作用下CFRP混凝土界面黏结强度的计算。     

GRC模板与混凝土界面黏结性能试验研究

通过设计8种类型的复合试件并进行推出剪切试验,研究不同混凝土强度、不同混凝土类型、不同GRC模板厚度以及GRC模板表面是否带肋等因素对GRC模板与混凝土界面黏结性能的影响。研究结果表明:随着中间混凝土强度的提高,复合试件的界面黏结强度增大,刚度变大,表现出更好的塑性变形能力;中间采用自密实混凝土对复合试件的界面黏结强度影响不大,但削弱了试件的变形能力;随着GRC模板厚度的增大,复合试件的界面黏结强度有一定的提高,但厚度超过一定范围后,复合试件由塑性破坏转化为脆性破坏;GRC模板加肋能显著提高复合试件的界面黏结强度,但变形能力降低,且只存在弹性变形阶段。通过对试验数据进行回归分析,提出了此类复合试件的界面黏结强度计算式。     

黏结树脂对复材-混凝土界面疲劳性能影响的试验研究

采用不同种类的黏结树脂制作复材-混凝土双面剪切试件,保持混凝土强度、复材粘贴层数和黏结长度等参数不变,仅将黏结树脂种类作为变化参数,进行疲劳荷载下复材-混凝土界面性能试验。比较疲劳荷载下试件破坏模式、荷载-滑移、复材应变分布、界面黏结-滑移关系等受力指标,分析黏结树脂性能对复材-混凝土界面疲劳受力行为的影响。试验结果表明,在同等疲劳荷载水平下,相比其他树脂,采用柔软树脂的试件平均疲劳寿命相对更高,界面黏结强度、刚度、界面断裂能更大、延性更好;通过液体橡胶对普通树脂进行增韧改性,能够有效改善界面的疲劳受力性能,提高疲劳寿命。     

钢纤维掺量对活性粉末混凝土断裂性能的影响

采用三点抗弯试验,研究了不同钢纤维掺量对活性粉末混凝土（RPC）抗断裂性能的影响;通过扫描电镜（SEM）对钢纤维与RPC基体的黏结情况进行了研究;通过拉拔试验得到了钢纤维与RPC基体的界面黏结强度.结果表明：对于素RPC,其脆性大,断裂能值低,蒸养使其脆性增加;掺加钢纤维后,蒸养可改善钢纤维与RPC基体的界面过渡区,增加界面黏结强度,使钢纤维被拔出需要消耗更多的能量,从而提高了RPC的抗断裂性能,与钢纤维掺量为1%（体积分数）相比,当其掺量为2%时,蒸养对提高RPC抗断裂性能的作用不显著.     

高延性地聚合物与既有混凝土界面的黏结性能

对65个高延性地聚合物（HDGC）与既有混凝土的黏结试件进行了斜剪试验,研究了界面黏结角度、既有混凝土强度、HDGC延伸率和界面粗糙度对其界面黏结性能的影响,并基于Mohr-Coulomb屈服准则进行塑性极限分析,建立了破坏应力与界面黏结角度、内聚力和内摩擦角的计算式.结果表明：界面黏结角度对试件的失效模式起主要控制作用,界面黏结角度越大,试件的界面黏结强度越小;当既有混凝土强度提高时,试件的界面黏结强度略有降低;当HDGC延伸率为6.77%时,试件的界面黏结强度最大;随着界面粗糙度的增大,试件的界面黏结强度逐渐提高,但提高幅度呈降低趋势;建立的计算式计算结果与试验结果吻合较好.     

ECC-混凝土黏结界面断裂试验研究

采用双材料楔入劈拉试件,研究了超高韧性水泥基复合材料(ECC)与混凝土黏结界面的断裂性能,讨论了最粗糙面、次粗糙面和光滑面3种界面粗糙度对界面破坏模式及断裂韧度的影响;结合界面力学理论,分析了裂缝偏折破坏与界面破坏的发生及界面粗糙度对裂缝偏折的影响.结果表明:对于最粗糙和次粗糙界面试件,以骨料-ECC黏结界面破坏及小角度偏折界面破坏为主,而光滑界面试件以界面破坏为主;提高黏结界面粗糙度可以使黏结界面的强度有一定程度的提高,并且界面裂缝在加载过程中易于偏向ECC,可实现ECC的裂缝捕捉,因此,当黏结界面受力状况不明确时,应尽量提高ECC-混凝土界面粗糙度,避免发生界面破坏,从而最大地发挥ECC效用.     

UHPC-NSC界面黏结性能的评价方法

采用超高性能混凝土（UHPC）修复普通混凝土（NSC）基体时可以获得优异的界面黏结强度，其值甚至高于基体强度，导致界面性能测试时容易发生基体失效，从而不能准确评价界面性能及其影响因素.针对上述问题，提出了基体约束加强的方法，将失效位置控制在修复界面，测得了真实的UHPC-NSC界面黏结强度，分析了基体强度和修复面粗糙度对界面性能的影响与机理，克服了传统测试方法的评价结果过于保守且难以反映粗糙度等影响因素的不足.UHPC-NSC界面较NSC-NSC界面更加致密，界面过渡区的钙硅比更低，宽度和孔隙率分别降低了91%和70%.     

BFRP增强复合水泥板与混凝土 界面黏结性能试验研究

通过设计6种类型的复合试件进行推出剪切试验,研究混凝土强度、混凝土种类及复合水泥板厚度等因素对BFRP增强复合水泥板与混凝土界面黏结性能的影响。研究结果表明:随着混凝土强度的提高,复合试件的界面黏结强度明显增强,并且复合试件表现出更为显著的塑性变形特征;复合试件中间采用自密实混凝土与采用普通混凝土相比,复合试件的界面黏结强度基本相似,但复合试件的刚度有略微提高,变形能力有所降低;随着BFRP增强复合水泥板厚度的增大,复合试件的界面黏结强度有明显提高,但当复合水泥的厚度超过一定范围后,复合试件的破坏形式由塑性破坏转变为脆性破坏。     

3D打印混凝土硬化后断裂机理试验研究

为了研究3D打印混凝土硬化后的断裂机理，针对常规浇筑混凝土和三种不同打印路径混凝土，开展了劈裂抗拉强度和三点弯试验，利用声发射技术监测了断裂过程。结果表明：打印混凝土的劈裂抗拉强度、抗弯强度、延性和断裂能均小于常规浇筑混凝土；当平行于荷载方向上条间界面（水平条带之间界面）数量增加时，断裂面上材料完整性被削弱的程度愈大，劈裂抗拉强度、抗弯强度、延性和断裂能愈小；打印混凝土内部界面对微裂缝的开裂模式有影响，随着材料完整性削弱程度的增大，剪切裂缝数量占比愈大；通过衰减系数反映微观断裂与打印混凝土宏观断裂力学性能之间的关系，发现随着剪切微裂缝数量占比衰减系数的增加，抗弯强度、延性、断裂能衰减系数减小，两者近似呈线性关系。     

角钢混凝土黏结滑移性能试验与数值模拟

为研究角钢混凝土界面黏结性能,以黏结长度、保护层厚度、混凝土强度为变化参数,设计了9个角钢混凝土试件。获取了加载端的荷载-滑移曲线,分析了各参数对极限黏结强度的影响; 提出了黏结界面极限黏结强度计算公式并与试验结果进行对比,两者吻合较好; 基于界面库仑摩擦准则和重启动分析技术建立了精细化有限元模型,实现了对黏结界面逐步剥离过程的准确模拟。基于研究参数提出了传递长度的计算公式,并与数值模拟进行了对比,证明了该公式的适用性。结果表明:角钢的肢尖具有强烈的致裂作用,推出过程中裂缝的发展将显著降低黏结强度; 极限黏结强度随混凝土强度提高和保护层厚度的增大而提高,但随黏结长度的增大近似呈线性降低趋势; 加载端荷载-滑移曲线包括化学胶结段、上升段、下降段和残余段4个阶段,各阶段界面黏结机理和黏结应力的组成均不相同; 黏结界面的破损从加载端向自由端逐步扩展,扩散过程中黏结应力的传递长度保持不变。     

冻融与初始裂缝对钢筋混凝土黏结强度的影响

海水寒冷地区的钢筋混凝土结构受到冻融循环与氯离子侵蚀的耦合作用,且混凝土结构通常是带裂缝工作。侵蚀与冻融循环容易造成钢筋与带有初始裂缝的混凝土之间的黏结性能退化。通过试验室模拟环境,对36个钢筋混凝土拔出试件经历300次冻融循环交替100次海水浸泡后,研究不同宽度初始横向裂缝和不同钢筋直径对钢筋与混凝土之间黏结性能的影响。结果表明,钢筋与混凝土的黏结强度随着初始裂缝宽度的增大而降低,且随着钢筋直径的增大而降低;随着钢筋直径加大,初始裂缝宽度对试件黏结强度的影响削弱。与无初始裂缝试件的黏结强度相比,初始裂缝宽度为0.19mm时,钢筋直径为10、14、18mm试件的黏结强度分别降低34.1%、26.7%、20.7%。     

波纹型钢纤维-混杂纤维混凝土界面黏结性能

考虑钢-聚丙烯混杂纤维体积分数、波纹型钢纤维埋置深度和混凝土基体强度等因素,设计制作了21组混杂纤维混凝土拉拔试件,通过拉拔试验研究了波纹型钢纤维与混杂纤维混凝土基体的界面黏结性能.基于实测的钢纤维拉拔力-滑移曲线,分析了上述因素对波纹型钢纤维最大黏结力和拉拔功的影响规律,阐明了界面黏结机理.结果表明:当波纹型钢纤维体积分数为1.50%、聚丙烯纤维体积分数为0.05%时,界面黏结性能最佳;界面黏结力随着基体强度的提高而提高;增大钢纤维的埋置深度,界面黏结强度提高,但当埋置深度大于8mm时,界面黏结强度随着埋置深度的增加而减小.     

钢筋与钢纤维混凝土黏结强度计算方法研究

根据钢纤维混凝土具有较大变形和裂缝扩展能力的特点,建立了钢纤维混凝土环向伸长的表达式。在此基础上,将弹性力学理论、虚拟裂缝理论与钢纤维混凝土软化模型相结合,提出了钢筋与钢纤维混凝土黏结强度的计算方法,并进行了试验验证,同时分析了相对保护层厚度(混凝土保护层厚度与钢筋直径之比)、裂缝数量和钢筋直径对相对黏结强度(黏结强度与钢纤维混凝土抗拉强度之比)的影响。结果表明,钢筋与钢纤维混凝土相对黏结强度处于塑性状态解和部分开裂弹性状态解之间;钢纤维体积率在0.5%~1.5%时,随着黏结试件相对保护层厚度的增大和裂缝数量的增多,相对黏结强度增大;随着钢筋直径的增大,相对黏结强度减小。但当裂缝数量大于5或钢筋直径大于32 mm,裂缝数量和钢筋直径的变化对相对黏结强度的影响较小。     

硫酸盐环境下CFRP加固顺序对混凝土梁界面黏结性能影响

提出了先粘贴CFRP后硫酸盐腐蚀以及先硫酸盐腐蚀后粘贴CFRP两种加固顺序,开展了64块CFRP-混凝土试件的双剪试验,分析了CFRP粘贴顺序、粘贴长度、粘贴宽度对混凝土界面破坏模态、抗压强度、剥离荷载、黏结强度、界面能、黏结应力-滑移曲线的影响,并基于硫酸盐环境影响系数建立了CFRP-混凝土界面黏结强度模型。试验结果表明,硫酸盐环境下,环氧树脂胶体能较好的保护混凝土黏结区域;随着硫酸盐腐蚀时间的延长,界面的剥离荷载、黏结强度均呈下降趋势,腐蚀至123 d时,下降最为严重,而对于界面断裂能,腐蚀至123 d时,下降幅度反而降低;CFRP黏结长度为65 mm下的界面黏结强度最大,随着黏结长度的增加,CFRP-混凝土界面的黏结性能逐渐降低;硫酸盐环境影响系数的提出可为恶劣环境的分类提供科学依据。     

混凝土-环氧树脂粘结界面的断裂模拟

在混凝土加固工程中,常采用环氧树脂等混凝土灌浆材料进行混凝土裂缝修复,会形成混凝土与环氧树脂的粘结界面。界面的强度影响结合材料强度,对界面性能的研究至关重要。基于ABAQUS采用内聚力单元和扩展有限元单元分别模拟界面断裂与混凝土断裂,以此研究含界面的混凝土断裂问题。讨论了界面粘结强度、混凝土抗拉强度、混凝土断裂能对含界面的楔入劈拉试件受力性能的影响。模拟结果表明,不仅数值分析结果与实验结果吻合较好,而且还能表现界面的损伤、断裂破坏过程,能够预测构件的承载力,有助于界面的优化设计。     

黏结层数对芳纶纤维-混凝土界面性能的影响

采用试验研究芳纶纤维布（AFRP）黏结层数对AFRP-混凝土界面性能的影响。研究了纤维布黏结层数分别为1层、2层和3层时，界面剥离承载力，纤维片材表面应变以及界面黏结剪应力情况。试验结果表明：随着AFRP黏结层数的增加，AFRP-混凝土界面剥离承载力增大，AFRP-混凝土界面有效黏结长度提高，AFRP-混凝土界面黏结剪应力提高。可见增加芳纶纤维布黏结层数，对AFRP-混凝土界面剥离承载力以及界面剥离延性破坏有利。     

植筋参数对UHPC-石材界面抗剪性能的影响研究

在桥梁结构的加固工程中，植筋是最常用的界面连接增强措施。为明晰UHPC加固石砌结构植筋界面的力学性能，通过30个UHPC-石材组合试件推出试验，研究不同界面植筋率、植筋深度和植筋间距对UHPC-石材界面抗剪性能的影响，分析不同植筋参数下组合试件的裂缝开展及分布情况和荷载 滑移曲线特征。结果表明：①未植筋UHPC-石材组合试件的破坏模式均为脆性破坏，而植筋试件则主要表现为以界面滑移和石材局部劈裂为主要特征的延性破坏模式，石材表面裂缝形态均呈现“八”字形的斜向裂缝；②当植筋率小于0.29%时，组合试件的界面抗剪强度和延性随植筋率的增大而逐级提升，植筋率为0.09%、0.19%和0.29%的抗剪强度分别是未植筋组合试件的1.54倍、1.98倍和2.66倍；当植筋率继续增大时，UHPC-石材界面强度却出现降低的趋势；③植筋深度和植筋间距对组合试件界面抗剪强度影响较小，而对UHPC-石材界面延性影响较大；④基于试验结果和有限元分析，建议UHPC加固石砌体结构中带肋钢筋的最大锚固长度为10d(d为钢筋公称直径)，植筋间距取50～100mm较为合理；考虑安全和经济等因素，建议UHPC与石材的界面最优植筋率为0.29%，而UHPC加固层厚度以50mm为宜。     

型钢高强混凝土界面黏结传力机理及影响因素分析

为了揭示型钢高强混凝土界面黏结传力机理,以混凝土强度、横向配箍率、保护层厚度、型钢锚固长度和抗剪件设置部位为变化参数,设计12个试件进行静力推出试验,观察试件的受力破坏过程及裂缝发展形态,获取各试件加载端和自由端的荷载-滑移全过程曲线,基于试验结果对型钢高强混凝土界面黏结传力机理进行了详细阐述,并对各变化参数的影响规律进行了深入分析,最后对型钢高强混凝土界面黏结强度计算方法进行了探讨,并提出其实用计算方法。研究结果表明：适当增大截面的横向配箍率和混凝土保护层厚度,能有效提高型钢高强混凝土的界面黏结强度;当型钢锚固长度满足一定值后,增大锚固长度对提高极限黏结强度并不明显;对高强混凝土而言,随着混凝土强度等级的提高,界面极限黏结强度却有所降低;通过设置抗剪件的方法能有效提高界面黏结传力性能;型钢高强混凝土界面黏结传力的组成中,化学胶结力占比重最大,摩擦力次之,机械咬合力最小。     

FRP板-混凝土湿黏结界面性能的试验研究与数值模拟

在FRP板与现浇混凝土界面(简称湿黏结界面)黏结性能拉伸双面剪切试验基础上,通过对试验得到的FRP应变进行差分运算,得到黏结剪应力与滑移量,并在现有理论模型的基础上提出湿黏结界面剪应力-滑移本构关系。在此基础上,采用ANSYS有限元软件对FRP板-混凝土湿黏结界面性能进行了数值模拟,通过设置弹簧单元模拟湿黏结界面的整体受力性能,并将分析结果与试验数据进行比较。结果表明:湿黏结和干黏结界面的有效黏结长度几乎相同。试验测得的湿黏结界面的平均剪切黏结强度约为干黏结平均剪切黏结强度的1/2～2/3倍,而有限元分析结果为0.6倍;试验测得的湿黏结的断裂能仅为干黏结断裂能的0.3～0.45倍之间,而有限元分析结果为0.4倍。可见,所提出的基于有限元的数值模拟方法能够较好地模拟湿黏结界面的力学性能。