文摘

超高性能纤维增强混凝土的弯曲响应(UHPFRC)是模拟基于晶格骨折模型。纤维被建模为分离梁与接口连接到矩阵。模拟结果与实验结果相比。偏差发生在后期阶段的应变软化阶段。但加工硬化行为和multicracking模拟中观察到的现象。纤维取向的影响,纤维含量与晶格骨折模型进行了研究。UHPFRC改进的抗弯强度和韧性纤维分布一致或纤维含量增加。该模型有可能帮助UHPFRC的材料设计,并讨论了模型的局限性。

1。介绍

超高性能纤维增强混凝土(UHPFRC)最初发明于1980年代在法国1,2]。在修订建议UHPFRC AFGC发表的法国精灵民间协会的()3),UHPFRCs被定义为材料水泥矩阵和特征的抗压强度150 MPa - 250 MPa。最常见的方法准备UHPFRC是水泥+硅灰+极低水粘合剂(w / b)比+细骨料+强塑剂+纤维(4]。纤维被添加到提高UHPFRC的延性。由于其极其优良的力学性能和耐久性,UHPFRC被视为潜在的新一代基础设施(建筑材料5]。UHPFRC越来越多的应用在世界各地,特别是在欧洲,北美,日本,韩国,澳大利亚。它已经被广泛应用于桥梁、建筑、沿海结构,结构修复、军事结构,等等4]。然而,UHPFRC材料设计指南或规范还没有完全发达的现在,抑制UHPFRC的广泛应用于基础设施建设(4,6]。

UHPFRC应用的增加,有明显的需要在发展中UHPFRC材料设计方法。一般来说,UHPFRC设计在实验室,与一系列实验测试。然而,实验将消耗时间、金钱、自然资源、能源,等等。因此,数值模拟已成为流行的预测材料的性质和可能协助材料设计7]。至于UHPFRC,其弯曲载荷下的断裂过程是非常重要的,当UHPFRC申请结构是大跨度桥梁和薄壁盾牌。提出了许多模型来模拟加载下混凝土的断裂过程,如离散裂缝模型(8,9),涂抹裂缝模型(10,11),损伤模型(12),和晶格骨折模型(13]。其中,晶格骨折模型更适合模拟UHPFRC弯曲响应的。

晶格骨折模型首先由Schlangen和van我在1990年代14]。在过去的几十年里,它已成功用于模拟混凝土断裂过程的。基于晶格骨折模型,亚斯兰等人模拟混凝土的应变软化行为下张力(15];Vervuurt混凝土的界面断裂行为研究[16];Van Vliet调查了尺寸效应在拉伸断裂的混凝土和岩石17];人透露了骨料形状对混凝土的抗压强度的影响(18];Caduff和van我分析了普通混凝土的压缩断裂行为,高性能混凝土,泡沫混凝土19];草原动物和戴维斯的corrosion-induced开裂模拟钢筋混凝土20.];蒙特罗和Schlangen模拟工程胶结复合材料的断裂过程(ECC)在单轴拉伸(21];和钱学森等人模拟混凝土断裂过程考虑混凝土在不同尺度的结构信息(13]。然而,晶格骨折的应用模型模拟纤维增强混凝土的断裂过程,特别是UHPFRC弯曲载荷下很少看到。为了帮助材料设计,在这项研究中,UHPFRC弯曲响应的模拟与晶格骨折模型;此外,纤维含量的影响和方向进行了研究和讨论。

2。晶格UHPFRC骨折模型的描述

晶格骨折模型的主要思想是取代复合梁的网络元素(21]。梁所代表的不同阶段具有不同的材料属性。程序执行晶格断裂模拟如图1。

第一步是构建晶格网络。UHPFRC被认为是由两个阶段组成,即矩阵和纤维(22]。离散纤维中嵌入矩阵。相应地,在晶格断裂模型中,纤维被实现为离散梁元素和矩阵元素的接口连接梁(21,23),如图2。网络由矩阵构造梁和节点代表UHPFRC的矩阵。自UHPFRC矩阵非常均匀,晶格节点生成网格的中心广场,这样可以构造一个统一的网络。与给定的体积分数、纤维束与给定直径和长度内生成随机分布的矩阵。随着纤维束,额外的节点生成纤维梁相交的位置在正方形网格。为了代表fiber-matrix键,界面梁生成额外的节点和晶格之间的节点。更多细节晶格网络建设对纤维增强混凝土中可以找到23]。

晶格网络建设后,所有梁的力学性能必须分配。根据以前的研究(21),矩阵和纤维束将脆弱,会失败在相应的抗拉强度、张力和界面设置梁延性和可以在紧张或压缩失败。矩阵的材料特性和纤维束可以直接与实验,获得的属性界面梁通常可以通过拟合实验结果确定的单纤维撤军测试(21,24]。

晶格骨折模型可以模拟一系列机械测试在实验室里,例如抗压测试(6),拉伸试验(13),和弯曲试验。晶格网络具有不同边界条件的设置,不同的机械测试可以模拟。

断裂过程模拟是详细描述13,23,25]。总之,断裂过程模拟的一步一步。每一步,规定的力或位移是应用于晶格网络,和梁的应力计算。束应力/强度最高的比率从晶格中移除网络,代表了裂纹扩展过程。仿真后,应力-应变响应图,裂缝模式,可以获得和裂纹扩展过程。

3所示。模拟UHPFRC弯曲响应的

3.1。比例和UHPFRC的属性

典型的弯曲响应UHPFRC 2%钢纤维是模拟的。UHPFRC的比例如表所示1。水泥、粉煤灰和硅灰作为粘结剂。河沙最大粒度的2.36毫米。强塑剂是一种液体剂的固体含量为28%。长度、直径和钢纤维的抗拉强度是13毫米,0.2毫米,分别和1800 MPa。的抗压强度和四点弯曲强度UHPFRC 90 d标准养护后156.1 MPa和34.4 MPa,分别。

3.2。晶格网络建设

由于计算效率的限制,四点弯曲试验是模拟在10毫米×10毫米×40毫米棱镜。纤维被认为是随机分布的棱镜。纤维束后生成中描述的方法(21]。模拟纤维分布和相应的晶格网络数据所示3和4。晶格网络构造方法中提到的部分2,筛孔尺寸是1毫米。矩阵束和纤维束蓝色和红色所示,分别在图4。

3.3。当地的机械性能赋值

从一般的角度来看,UHPFRC取决于矩阵的挠曲响应参数,纤维参数和fiber-matrix接口参数。这些参数也晶格骨折模型的输入。这个研究的输入参数如表所示2。的参数矩阵,得到了钢纤维与实验,和接口的参数梁安装基于实验数据(26]。矩阵和纤维被认为是线性弹性(图5(一个)),而七段塑性应力-应变响应(21)(图5 (b))申请界面元素为了获得更真实的结果。

3.4。边界条件设置

边界条件被设定后,发生在实验。四点弯曲试验是模拟,并说明如图6。在晶格网络底部的箭头指出节点是固定的,而规定的位移对顶部的箭头指向节点的每一步。梁连接这些节点是红色,如图所示6。

3.5。仿真结果

图7显示了UHPFRC的模拟载荷变形曲线。从图可以看出7(一)晶格断裂模式能给一个合理的弯曲UHPFRC的响应。加工硬化行为和可以模拟多个开裂。然而,这是不现实的,曲线开始当变形超过2.5毫米。在这个阶段,大部分的矩阵束都被破坏了,梁和纤维束和接口,具有较高的机械性能,是彼此连接,可能是轴承的负荷。因此,负载上而不是在后期阶段。在图7 (b)之前,载荷变形曲线变形强调达到0.2毫米。100年前一步,UHPFRC显示一个弹性行为。当矩阵的压力超过了基体开裂强度、UHPC矩阵的第一个裂纹发生,裂缝开始传播,直到纤维负载在步骤500年接管了这家公司。然后,第二个裂纹发生在1000步。纤维的裂纹桥接作用导致UHPFRC的加工硬化行为。在这个过程中,裂缝的数量增加,单个裂缝扩大。在步骤5000,UHPC开始失败。从矩阵,纤维开始撤出,裂缝开始本地化。

图8UHPFRC显示了裂纹模式在不同的步骤,和破碎的束蓝色所示。白色光束被梁的模拟。从图可以看出8在步骤100,UHPFRC开始破解。只有一些梁底部被打破。之后,裂缝发展,一个直裂纹形成在500步。然后,这个裂纹是由纤维桥接,裂缝在其他位置开始发生在1000步。在步骤5000,可以看到几个裂缝和UHPFRC开始失败。

3.6。实验验证

为了验证晶格骨折模型,四点弯曲试验是UHPFRC标本上执行的一个维度的40毫米×40毫米×160毫米。模拟和测量载荷变形曲线比较图9。尽管不同的样本大小是采用在仿真和实验中,它仍然可以看出,仿真和实验获得的载荷变形曲线相似的形状。的模拟曲线,负载增加非常快的弹性和应变强化的时期。测量曲线的加载缓慢发展的可能是由于夹具和样品没有完全接触开始测试。抗弯强度的UHPFRC获得仿真结果和实验结果是31.3 MPa和34.1 MPa,分别。偏差很小。最明显的区别的两条曲线发生应变软化阶段的后期。负载的模拟曲线增加仿真的结束,这是不符合现实。在仿真中,接口梁连接节点与纤维束和矩阵。还有一个机会,一个矩阵节点连接到两个或两个以上的接口横梁,这样接口和纤维束可能彼此连接并保持负载在一起,当大多数的矩阵束被打破。 The input of the tensile strength for interface and fiber beams was much higher than the matrix beam; hence, the load increased at the late stage. One of the solutions to this problem is to reduce the grid size to avoid the direct connection between interface beams. But, under this circumstance, the computation will be more expensive.

一般来说,提出晶格骨折模型确实能够模拟的挠曲响应UHPFRC失败之前,需要做和改进,消除偏差模拟载荷变形曲线的后期阶段。

4所示。纤维取向的影响和纤维UHPFRC弯曲响应的内容

4.1。纤维取向

我们承认,纤维取向肯定会影响UHPFRC的力学性能,尤其是抗弯和抗拉强度。但是,很难控制纤维取向在实验中,而不同的纤维取向可以方便地实现模拟。

在晶格断裂模型中,从理论上讲,纤维可以分布在任何期望的形式。展示潜在应用的晶格骨折模型,对齐的效果和随机分布的纤维UHPFRC的弯曲行为进行了研究。2%钢纤维中添加UHPFRC,输入和设置是一样的3。对齐纤维分布如图所示10提出了图,随机分布的纤维3。

模拟载荷变形曲线UHPFRC对齐和随机分布的纤维如图11。可以看出UHPFRC与一致分布的纤维有更高的抗弯强度比UHPFRC随机分布的纤维。此外,UHPFRC载荷变形曲线下的面积与一致分布的纤维也比UHPFRC随机分布的纤维,这隐含UHPFRC一致分布的纤维有较高的韧性。一般来说,对齐纤维分布显示UHPFRC更好的增强和增韧效果。结果如预期。

图12显示的裂缝模式UHPFRC对齐和随机分布的纤维。与UHPFRC随机分布的纤维相比,更多的裂缝发生在UHPFRC一致分布的纤维。一致分布的纤维做的更好在抑制裂纹扩展随机分布的纤维。因此,当准备UHPFRC材料,一个特定的方法可以应用于制造纤维往往是一致的分布和垂直于裂缝,以便UHPFRC的抗弯性能得到改善。

4.2。纤维含量

预计纤维含量的增加可以提高UHPFRC的抗弯强度和韧性。这也是UHPFRC的模拟结果进行了比较,研究了不同纤维的内容。其他的输入和设置也一样3。四种纤维体积分数(V_f)是研究摘要:0%,1%,2%,3%。在图13的模拟载荷变形曲线UHPFRC不同纤维含量。这是观察到的抗弯强度和韧性增加纤维含量的增加。结果也符合实验结果(26]。

UHPFRC裂缝模式与不同纤维内容如图14。纤维不呈现时,材料脆性和开发一个裂纹(图(14日))。随着纤维体积分数的增加,裂纹主要是由纤维桥接和其他裂缝产生。有更多的纤维,有更多的裂缝产生,换句话说,multicracking现象更为显著。

5。潜在的应用和局限

晶格骨折模型已经成功地用于模拟疼痛混凝土和纤维增强混凝土的单轴拉伸行为(13,21,23]。这项研究的结果表明,晶格骨折模型也能够模拟UHPFRC的挠曲响应,这是一个典型的纤维增强混凝土。除了纤维取向和纤维含量,不同变量的影响,例如,纤维强度、刚度、纤维和纤维的大小,也可以探索与晶格骨折模型。的影响矩阵组成的弯曲行为UHPFRC也可以解决在不同长度尺度与晶格骨折模型。模拟的结果可能导致UHPFRC的材料设计。

提出了仿真的一个缺陷是,需求计算时间很长,导致模拟中使用的样本大小是小得多比的实验。根据模拟的结果,它是可以接受的模拟弯曲响应的UHPFRC体积小,但它是更好地执行模拟UHPFRC用于实验的相同的大小,如果能提高计算效率。因此,完善晶格骨折模型的算法进一步改进是必要的。这个问题的另一种解决方案是开发一种方法来确定代表基本卷(牧师)大小的UHPFRC挠曲响应模拟。牧师是最小的体积,其属性是整个材料的代表。模拟弯曲响应的牧师UHPFRC代表UHPFRC的实际弯曲行为。在这种情况下,可以减少计算时间。

目前,接口的属性梁可以确定只有通过拟合实验结果。它可能会导致问题,拟合数据不能用于其他UHPFRCs信心。因此,更深入地理解矩阵之间的关系和接口属性是必要的,这可以通过模拟在一个较低的规模(纳米级或微尺度),或通过一系列实验测试。应该执行更多的模拟或实验研究纤维和基质之间的粘结强度。重要的是正确设置接口的光束参数的晶格骨折模型。

6。结束语

摘要UHPFRC弯曲响应的模拟与晶格骨折模型。矩阵的性质、纤维和界面被用作输入。加工硬化行为和multicracking现象可以观察到的模拟。模拟和测试荷载挠度曲线在一个类似的形状,除了降低晚期发生偏差。纤维取向和纤维含量的影响进行了研究与仿真。UHPFRC挠曲强度和韧性的提高与一致分布的纤维和纤维含量增加。

一般来说,晶格骨折模型已被证明是一种有效的数值模拟UHPFRC的弯曲响应的工具。参数研究将揭示各种参数和测试配置的影响,和进一步的研究可以集中在界面的确定梁UHPFRC的属性。

数据可用性

作者声明,所有的数据支持本研究的发现文章中是可用的。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

真诚的致谢是给你们光博士和给钱在代尔夫特理工大学的协助执行晶格断裂模拟。这项工作得到了国家自然科学基金(批准号51708502),中国博士后科学基金资助项目(批准号2017 m612028),建筑材料的江苏省重点实验室开放基金项目(批准号CM2018-12)。