钢纤维混凝土界面应力传递及脱粘过程的细观力学研究

论文摘要

纤维增强复合材料中的应力是通过纤维和基体之间的界面进行传递的,界面区域的力学性能及界面的应力传递过程,对整个复合材料的宏观力学性能都会产生重要影响。因此,纤维增强复合材料的界面问题是工程中十分关注的问题。本论文以纤维混凝土复合材料为研究对象,通过对其界面力学行为进行细观层次的研究,分析了纤维对基体增强、增韧、阻裂机理,研究界面附近的应力、应变规律,为纤维混凝土界面力学模型建立提供有价值的实验数据。采用三维数字光弹性实验应力分析方法,对直线形及异形端钩钢纤维与树脂基界面残余应力分布进行了测试。实验结果表明:在单纤维与基体界面的埋入端及埋入末端附近出现界面残余剪应力的极值,纤维增强复合材料中界面残余应力传递主要集中在纤维的埋入端及埋入末端附近。对在拉拔荷载和热残余应力联合作用下直线形单丝钢纤维拔出树脂基复合材料界面剪应力进行了研究。实验结果表明:力、热荷载作用下纤维界面剪应力呈抛物线分布,单丝埋入端附近是应力的主要传递区域,最先达到危险应力,出现界面脱粘破坏,然后剪应力沿纤维埋入长度由纤维埋入端附近向埋入末端逐渐传递。研究了在拉拔荷载和热残余应力共同作用下,异形钢纤维拔出树脂基复合材料界面剪应力传递行为。实验结果表明:纤维埋入端附近是主要的应力传递区域,最先达到危险应力而出现界面脱粘破坏。在界面脱粘之前,剪应力峰值随荷载增加由纤维埋入端附近沿纤维向内部传递,在异形纤维弯折段受到阻碍而传递停滞。随荷载增加界面开始脱粘时,剪应力可以传递到异形纤维弯折段。采用数字图像相关方法和单纤维拉拔试验相结合的实验方法,直接测量了直线形和异形钢纤维从混凝土基体中拉拔过程中全场及界面应变分布及演化规律。实验结果表明:微细观上的应变局部化导致纤维界面剪切破坏的局部化现象,这种界面脱粘破坏逐次发生、发展和转移的应变局部化现象在时间和空间上是呈明显的相互间隔特征。采用MARC有限元计算程序,模拟光弹实验条件下,直线形和端钩形纤维界面残余剪应力及热、力载荷共同作用下纤维界面剪应力沿纤维长度分布,与实验结果进行了对比,并探讨了纤维长度、直径对界面剪应力的影响。分析结果表明:改变增强纤维长度和直径对界面残余剪应力影响不大;拉拔荷载和热残余应力联合作用下,改变增强纤维长度,对界面剪应力影响不大,但纤维直径的变化会影响到界面起始脱粘开裂的位置。改变增强纤维长度,对端钩形纤维直线段界面剪应力影响不大,但会减缓弯折段应力集中程度;改变端钩形纤维直径,对界面剪应力影响较大,端钩形纤维直径越小,纤维界面剪应力越大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 本论文研究内容、意义
• 1.2 国内外复合材料界面研究的现状分析
• 1.2.1 界面应力传递理论的研究
• 1.2.2 界面层的应力传递模型
• 1.2.3 异型纤维拉拔模型
• 1.3 纤维复合材料界面力学性能实验方法
• 1.3.1 单根纤维拔出实验
• 1.3.2 单纤维复合材料断裂实验
• 1.3.3 微脱粘方法
• 1.3.4 压出法
• 1.4 纤维界面残余应力的研究
• 1.5 光弹性法的发展及应用
• 1.5.1 光弹性法的发展
• 1.5.2 光弹性法在土木工程中的应用
• 1.5.3 光弹性法在界面研究中的应用
• 1.6 数字图像相关方法的发展及应用
• 1.6.1 数字图像相关方法的发展
• 1.6.2 数字图像相关方法在土木工程中的应用
• 1.6.3 数字图像相关方法在界面力学测试中的应用
• 1.7 纤维复合材料界面力学研究存在的问题及发展趋势
• 1.7.1 存在的问题
• 1.7.2 发展趋势
• 1.8 本文研究工作
• 第二章 纤维/树脂界面应力测量的数字光弹性法
• 2.1 光弹性法基本原理
• 2.1.1 应力光学定律
• 2.1.2 等差线和等倾线
• 2.1.3 剪应力计算
• 2.1.4 模型与原型应力转换
• 2.1.5 三维光弹性冻结切片法
• 2.2 数字光弹性法
• 2.2.1 正交圆偏振场的单色光相移算法
• 2.2.2 白光平面偏振场的彩色相移算法
• 2.2.3 第一主应力方向
• 2.2.4 数据采集系统
• 2.2.5 实验验证
• 2.3 纤维界面光弹性实验
• 2.3.1 模型制作
• 2.3.2 纤维界面典型光弹性图案
• 第三章 纤维/树脂界面的应力传递过程
• 3.1 界面热残余应力
• 3.1.1 直线形纤维
• 3.1.2 端钩形纤维
• 3.2 力、热载荷作用下的界面应力传递过程
• 3.2.1 直线形纤维
• 3.2.2 端钩形纤维
• 3.3 纤维拉拔脱粘机制探讨
• 3.4 界面热残余剪应力的影响
• 3.5 小结
• 第四章 钢纤维/混凝土界面应变的数字图像相关实验研究
• 4.1 数字图像相关测量方法的基本原理
• 4.1.1 物体表面位移的表征
• 4.1.2 图像匹配
• 4.1.3 搜索算法
• 4.2 钢纤维拉拔测试
• 4.2.1 半模试件制备
• 4.2.2 试验装置
• 4.2.3 测试过程
• 第五章 钢纤维/混凝土界面脱粘破坏的应变局部化机制
• 5.1 直线形钢纤维的全场应变分析
• 5.1.1 纤维拉拔脱粘过程
• 5.1.2 全场应变分析
• 5.2 直线形钢纤维的界面应变分析
• 5.2.1 界面应变分布
• 5.2.2 界面脱粘破坏的应变局部化微观机制
• 5.2.3 界面附近孔洞周围应变分析
• 5.3 端钩形钢纤维的全场应变分析
• 5.3.1 纤维拉拔脱粘过程
• 5.3.2 全场应变分析
• 5.4 端钩形钢纤维界面应变分析
• 5.4.1 界面应变分布
• 5.4.2 端钩形纤维端部弯钩的增强作用机制
• 5.5 小结
• 第六章 纤维/基体界面应力的有限元分析
• 6.1 纤维拉拔测试的有限元计算模型
• 6.2 直线形纤维界面残余应力有限元分析
• 6.2.1 界面残余剪应力
• 6.2.2 纤维埋入长度对界面残余剪应力的影响
• 6.2.3 纤维直径对界面残余剪应力的影响
• 6.3 拉拔荷载和热残余应力共同作用下直线形纤维界面应力有限元分析
• 6.3.1 不同荷载时的界面剪应力分布
• 6.3.2 纤维埋入长度对界面剪应力的影响
• 6.3.3 纤维直径对界面剪应力的影响
• 6.4 端钩形纤维界面残余应力有限元分析
• 6.4.1 界面残余剪应力
• 6.4.2 纤维埋入长度对界面残余剪应力的影响
• 6.4.3 纤维直径对界面残余剪应力的影响
• 6.5 拉拔荷载和热残余应力共同作用下端钩形纤维界面应力有限元分析
• 6.5.1 不同荷载时界面剪应力分布
• 6.5.2 纤维埋入长度对界面剪应力的影响
• 6.5.3 纤维直径对界面剪应力的影响
• 6.6 小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在读期间取得地科研成果