单聚丙烯纤维拉拔界面变形的细观力学分析

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.240560

华南理工大学学报(自然科学版) ›› 2025, Vol. 53 ›› Issue (12): 161-171.doi: 10.12141/j.issn.1000-565X.240560

单聚丙烯纤维拉拔界面变形的细观力学分析

毕玉洁¹, 毛灵涛¹^,², 刘海洲³, 刘娇娇¹, 刘逸凡⁴

^1.中国矿业大学（北京）力学与土木工程学院，北京 100083
^2.中国矿业大学（北京）煤炭精细勘探与智能开发全国重点实验室，北京 100083
^3.中国科学院深圳先进技术研究院，广东深圳 518055
^4.中国建筑第七工程局有限公司，河南郑州 450000

收稿日期:2024-11-21 出版日期:2025-12-25 发布日期:2025-02-28
通信作者: 毛灵涛（1974—），男，博士，教授，主要从事实验力学、图像处理与分析等研究。 E-mail:mlt@cumtb.edu.cn
作者简介:毕玉洁（1986—），女，博士生，工程师，主要从事聚丙烯纤维混凝土细观力学性能研究。E-mail： 280833463@qq.com
基金资助:
国家重点研发计划项目(2022YFC2904102)

Microscopic Mechanical Analysis of Interface Deformation During Pull-Out of Single Polypropylene Fiber

BI Yujie¹, MAO Lingtao¹^,², LIU Haizhou³, LIU Jiaojiao¹, LIU Yifan⁴

^1.School of Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing 100083，China
^2.State Key Laboratory for Fine Exploration and Intelligent Development of Coal Resources，China University of Mining and Technology，Beijing 100083，China
^3.Shenzhen Institutes of Advanced Technology，Chinese Academy of Sciences，Shenzhen 518055，Guangdong，China
^4.China Construction Seventh Engineering Division Corp. ，Ltd. ，Zhengzhou 450000，Henan，China

Received:2024-11-21 Online:2025-12-25 Published:2025-02-28
Contact: 毛灵涛（1974—），男，博士，教授，主要从事实验力学、图像处理与分析等研究。 E-mail:mlt@cumtb.edu.cn
About author:毕玉洁（1986—），女，博士生，工程师，主要从事聚丙烯纤维混凝土细观力学性能研究。E-mail： 280833463@qq.com
Supported by:
the National Key Research and Development Program of China(2022YFC2904102)

摘要/Abstract

摘要：

为研究聚丙烯纤维与混凝土界面的粘结力学特性，通过单纤维拉拔细观力学试验与数值模拟对界面的脱粘过程进行了分析。采用微CT与自行研制的单纤维拉拔装置建立了单纤维拉拔原位扫描观测系统，对压痕型单根聚丙烯纤维从砂浆基体中拔出的过程进行了原位扫描观测；结合力学正则化全局数字体图像相关法，获得了纤维与基体界面的变形场，由纤维与基体间共用节点的相对位移量化了界面的脱粘；基于CT图像建立了反映纤维和基体真实形状的三维细观数值模型，模拟分析了单纤维的拉拔过程。结果表明：拉力-位移曲线在峰值后呈现出与压痕纤维几何形状特点相关的多峰特征，由数字体图像相关法测量和数值模拟所得的界面应变场均呈现出与压痕纤维几何形状特点相关的应变集中现象，表明纤维的周期性压痕增强了拉拔过程中纤维与基体之间的摩擦和咬合力；界面处相对位移在纤维嵌入端部最大，沿纤维方向减小，在水平方向上，相对位移的变化规律与纤维的几何形状具有相关性；在垂直方向上，相对位移反映出拉力达到峰值荷载前纤维与基体已完全脱粘。

关键词: 聚丙烯纤维混凝土, 界面脱粘, 数字体图像相关法, 三维变形场测量

Abstract:

To investigate the bonding mechanical properties between polypropylene fiber and concrete interface, this study analyzed the debonding process of the interface through single fiber pull-out microscopic mechanical experiments and numerical simulations. An in-situ scanning observation system was established using micro CT and a self-developed single fiber drawing device to observe the process of pulling out a single polypropylene fiber with indentation from the mortar matrix. The deformation fields of the interface between fiber and matrix was obtained with mechanically regularized global digital volume correlation, and the interface debonding was quantified by calcula-ting the relative displacement of the shared nodes between the fiber and the matrix. A 3D microscopic numerical model reflecting the true shape of fibers and matrix was established based on CT images, and the single fiber dra-wing process was simulated and analyzed. The results show that the force-displacement curves display multi-peak fluctuations corresponding to the fiber geometry after the peak. The strain fields at interfaces measured by digital volume correlation and numerical simulation show a strain concentration phenomenon related to the geometric shape of the indentation fiber, indicating that the periodic indentation of the fiber increases mechanical interlocking and friction forces between the fiber and the matrix during pullout. The relative displacement at the interface is greatest and decreases along the fiber’s axial direction. In the horizontal direction, the variation of relative displacement was correlated with the geometric shape of the fiber. The relative displacement in the vertical direction reflected that the fiber and matrix have completely debonded before the pullout force reaches the peak load.

Key words: polypropylene fiber reinforced concrete, interface debonding, digital volume correlation method, measurement of three-dimensional deformation field

中图分类号:

毕玉洁, 毛灵涛, 刘海洲, 刘娇娇, 刘逸凡. 单聚丙烯纤维拉拔界面变形的细观力学分析[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2025, 53(12): 161-171.

BI Yujie, MAO Lingtao, LIU Haizhou, LIU Jiaojiao, LIU Yifan. Microscopic Mechanical Analysis of Interface Deformation During Pull-Out of Single Polypropylene Fiber[J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2025, 53(12): 161-171.

图/表 15

图1

表1

图2

图3

图4

图5

图6

图7

图8

图9

图10

图11

图12

表2

图13

参考文献 25

[1]	鲁根．刘店矿岩巷喷射钢纤维混凝土支护技术试验［J］．煤炭工程，2010（1）：32-33.
	LU Gen ．Experimental study on spray steel fiber concrete support technology for Liudian mine rock lane［J］．Coal Engineering，2010（1）：32-33.
[2]	庞建勇，徐道富．聚丙烯纤维混凝土喷层支护技术及其在顾桥矿区的应用［J］．岩石力学与工程学报，2007，26（5）：1073-1077.
	PANG Jianyong， XU Daofu ．Support technology of polypropylene fiber concrete shotcrete layer and its application to Guqiao coal mine［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007，26（5）：1073-1077.
[3]	王圣保，王世杰．喷射纤维混凝土在灾后建筑加固中的应用［J］．建筑科学，2010，26（S2）：59-62.
	WANG Sheng-bao， WANG Shi-jie ．Application of fiber-concrete spraying in reinforcing building after damaged［J］．Building Science，2010，26（S2）：59-62.
[4]	单俊鸿，周明凯，张美强．聚丙烯纤维混凝土在路桥中的应用［J］．新型建筑材料，2004（8）：20-22.
	SHAN Junhong， ZHOU Mingkai， ZHANG Meiqiang. Application of polypropylene fiber reinforced concrete in roads and bridges［J］．New Building Materials，2004（8）：20-22.
[5]	SHAN J H， ZHOU M， LI B X，et al ．Application of polypropylene fiber concrete in bridge deck pavement［J］．Environmental Ecology and Technology of Concrete，2006，302/303：418-423.
[6]	CHEN Y， CEN G P， CUI Y H ．Comparative study on the effect of synthetic fiber on the preparation and durability of airport pavement concrete［J］．Construction and Building Materials，2018，184：34-44.
[7]	马骉，胡长顺，路学敏，等．UTW路面用混凝土试验研究［J］．公路交通科技，2003，20（6）：8-12.
	MA Biao， HU Chang-shun， LU Xue-min，et al ．Experimental study of concrete for ultra-thin whitetopping pavement［J］．Journal of Highway and Transportation Research and Development，2003，20（6）：8-12.
[8]	HUSSAIN I，ALI B， AKHTAR T，et al ．Comparison of mechanical properties of concrete and design thickness of pavement with different types of fiber-reinforcements （steel，glass，and polypropylene）［J］．Case Studies in Construction Materials，2020，13：e00429/1-10.
[9]	郭进军，韩菊红，卢燕．混合腐蚀环境下改性混凝土的力学性能［J］．建筑材料学报，2013，16（2）：330-334.
	GUO Jin-jun， HAN Ju-hong， LU Yan ．Mechanical properties of modified concrete exposed to composite corrosive environment［J］．Journal of Building Materials，2013，16（2）：330-334.
[10]	张秉宗，贡力，杜强业，等．西北盐渍干寒地区聚丙烯纤维混凝土耐久性损伤试验研究［J］．材料导报，2022，36（17）：108-114.
	ZHANG Bingzong， GONG Li， DU Qiangye，et al ．Experimental investigation on durability damage of polypropylene fiber reinforced concrete in saline and dry cold region of northwest china［J］．Materials Reports，2022，36（17）：108-114.
[11]	鲁海波，张广泰，刘诗拓，等．盐渍土环境下聚丙烯纤维混凝土柱抗震性能［J］．浙江大学学报（工学版），2023，57（1）：111-121.
	LU Hai-bo， ZHANG Guang-tai， LIU Shi-tuo，et al ．Seismic behavior of polypropylene fiber concrete column in saline soil environment［J］．Journal of Zhejiang University （Engineering Science），2023，57（1）：111-121.
[12]	苏丽，牛荻涛，黄大观，等．海洋环境中玄武岩/聚丙烯纤维增强混凝土氯离子扩散性能［J］．建筑材料学报，2022，25（1）：44-53.
	SU Li， NIU Di-tao， HUANG Da-guan，et al ．Chloride diffusion performance of basalt/polypropylene fiber reinforced concrete in marine environment［J］．Journal of Building Materials，2022，25（1）：44-53.
[13]	LIANG C， ZHAO P Q， ZOU H H，et al ．Introducing fiber to enhance the mechanical properties and durabi-lity of polymer-modified cement-based coating［J］．Construction and Building Materials，2023，372：130842/1-11.
[14]	LI Q B， DONG Z Y ．Some developments on meso-mechanics of fiber-reinforced quasi-brittle composites［J］．Advances in Mechanics，2001，31：555-582.
[15]	RUTGER V， PRISCO M， VANDEWALLE L ．Short-term and creep pull-out behavior of polypropylene macrofibers at varying embedded lengths and angles from a concrete matrix［J］．Construction and Building Mate-rials，2017，147：858-864.
[16]	SIGRÜNER M， MUSCAT D， STRÜBBE N. Investigation on pull-out behavior and interface critical para-meters of polymer fibers embedded in concrete and their correlation with particular fiber properties［J］．Journal of Applied Polymer Science，2021，138（28）：e50745/1-12.
[17]	WÖLFEL E， BRÜNIG H， CUROSU I，et al ．Dynamic single-fiber pull-out of polypropylene fibers produced with different mechanical and surface properties for concrete reinforcement［J］．Materials，2021，14（4）：722-921.
[18]	李长辉，陈雪芳，张献民，等．合成粗聚丙烯纤维与水泥砂浆界面黏结力学性能［J］．复合材料学报，2023，40（4）：2427-2440.
	LI Changhui， CHEN Xuefang， ZHANG Xianmin，et al ．Interface mechanical bonding properties between coarse synthetic polypropylene fiber and cement mortar［J］．Acta Materiae Compositae Sinica，2023，40（4）：2427-2440.
[19]	FLANSBJER M， PORTAL N W， HALL S，et al ．Analysis of failure modes in fiber reinforced concrete using X-ray tomography and digital volume correlation［J］．Proceedings，2018，2（8）：401/1-6.
[20]	JÄNICKE G， VINTACHE A， SMANIOTTO B，et al ．Debonding analysis via digital volume correlation during in-situ pull-out tests on fractal fibers［J］．Composites Part C：Open Access，2022，9：100302/1-19.
[21]	LECLERC H， PERIE J N， ROUX S，et al ．Voxel-scale digital volume correlation［J］．Experimental Mechanics，2011，51（4）：479-490.
[22]	LIU H Z， FRANCOIS H ．Quantifying 3D crack propagation in nodular graphite cast iron using advanced digital volume correlation and X-ray computed tomography［J］．Engineering Fracture Mechanics，2024，296：109824/1-19.
[23]	一种用于工业CT原位拉拔试验的加载装置：CN213842852U［P］．
[24]	毛灵涛，朱鑫鑫，安里千，等．数字标记点图像相关法在模型实验中的应用［J］．辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2013，32（10）：1367-1373.
	MAO Lingtao， ZHU Xinxin， AN Liqian，et al ．Application of digital target marker image correlation method in model experiment［J］．Journal of Liaoning Technical University （Natural Science），2013，32（10）：1367-1373.
[25]	SCHINDELIN J， ARGANDA-CARRERAS I， FRISE E，et al ．Fiji：an open-source platform for biological-image analysis［J］．Nature Methods，2012，9（7）：676-682.

材料	密度/（g·cm^-3）	断裂强度/MPa	抗压强度/MPa	断裂伸长率/%	弹性模量/GPa	泊松比
纤维	0.91	715		14	7.20	0.35
基体			29		29.47	0.16

参数	数值
弹性刚度/（N∙mm^-3）	9
最大牵引应力/MPa	0.7
最大分离位移/mm	0.5
指数参数	6
摩擦系数	0.02

单聚丙烯纤维拉拔界面变形的细观力学分析

Microscopic Mechanical Analysis of Interface Deformation During Pull-Out of Single Polypropylene Fiber

RichHTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 15

参考文献 25

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	王童, 马玉朋, 赵阳. 基于拟合归元函数的车用玄纤复合材料热性能的快速预测[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2025, 53(12): 172-182.
[2]	吕晓静, 温禹铭, 王小英, 胡健. 改性壳聚糖/锂皂石抗菌材料的制备及应用[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2025, 53(8): 158-166.
[3]	陈港, 敖杰, 贺莹莹, 王淳玉, 张成. 纳米纤维素基气凝胶的染料吸附性能研究[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2025, 53(8): 149-157.
[4]	刘平安, 林宝舜, 丁会玲, 等. 细菌纤维素基CNFs/ZnO吸波材料的制备及性能[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2024, 52(8): 138-145.
[5]	何家鹏, 张津毓, 陈章兴, 等. 拉挤工艺单向玻纤复合材料的疲劳衰减特性[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2024, 52(1): 62-71.
[6]	亓昌, 丁晨, 刘海涛, 等. 弧形双箭头蜂窝面内压缩性能试验与仿真[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2023, 51(1): 61-68.
[7]	张桂珍刘洋严明保. PEO基固态聚合物电解质膜的免溶剂熔融制备及性能[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2022, 50(8): 119-127.
[8]	郑宏宇, 郁宇琪, 许迪鑫, 等. BFRP螺旋条带内约束海水海砂混凝土圆柱的轴压性能[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2022, 50(5): 96-108.
[9]	李静, 韩淑镁, 李文君, 等. 以水性丙烯酸树脂为基质的低居里点PTC材料[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2021, 49(9): 80-87.
[10]	钟明峰, 程海鑫, 张志杰, 等. 辐射制冷纳米复合纤维的制备与应用[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2021, 49(9): 95-100.
[11]	薛江红, 姚思诗, 金福松, 等. 多脱层复合材料层合板的固有频率计算[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2021, 49(5): 92-101.
[12]	陈明东韩光泽. 碳纳米管结构参数对其介电性能的影响[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2021, 49(4): 74-79,89.
[13]	黄珍媛, 程斌, 赵亚萌, 等. 短切碳纤维增强尼龙 66 平板抗冲击性能研究[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2020, 48(5): 118-124.
[14]	王达李娜钟明峰张志杰. Zn2+掺杂CaCuTi4O12的颜色及近红外反射性能[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2019, 47(12): 86-91.
[15]	盛银莹郑鹏张治国李卫. 熔融盐法制备CuCl2-石墨层间化合物及形成机理研究[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2019, 47(12): 99-105.