纤维混凝土在弯曲下的微观力学上的耐久性研究摘要基于细观力学耐久性模型来预测薄层水泥基复合材料的弯曲性能增强的成品和未精制的纤维素纤维的复合材料进行了测试，在干，湿，和加速老化（碳化）。

该模型是基于断裂力学的直接链接的材料结构的变化导致的环境恶化工艺复合材料弯曲力学性能。

该模型被用来作为一种工具来定量评价纤维素纤维基体界面的微观参数，很难测量的实验。

合理的协议被发现在复合材料弯曲力学性能和纤维失效模式模型的预测与实验确定的趋势（拔出或断裂）作为一个功能的环境。

这支持了所提出的细观力学模型参数的有效性。

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关键词：微观力学；耐久性；复合材料；弯曲强度；建模石棉纤维的纤维水泥广泛应用业为薄水泥复合加固直到研究表明，暴露于石棉引起的肺癌，石棉，和人类间皮瘤[ 1 ]。

使用石棉停止，引发了广泛的替代研究光纤系统。

对替代纤维的要求高性能，高加工性，和在富碱胶凝材料的环境耐久性。

纤维素纤维实现了第一个要求。

纤维素纤维本质上是强大的，和细化（或机械打浆）的纤维素纤维，大大提高了其加工的必要，如果复合材料是使用Hatschek生产方法研制成功[ 2，4 ]–。

然而，当纤维素纤维增强水泥复合材料暴露于户外环境中，复合材料的性能和力学性能变化，这意味着耐久性差[ 5 ]。

微观结构研究的复合材料用扫描电子显微镜观察发现，在纤维素纤维结构和纤维母体接触面积通过改变环境[ 6 ]影响–8。

本文重点研究确定在物质的变化干精制和未精制的纤维素纤维复合材料暴露于水后加速年龄结构（碳信息）环境和连接这些变化对复合材料机械性能通过细观力学耐久性模型。

复合材料结构的划分为三个方面：纤维，基体和纤维基体界面，过渡区。

细观力学参数是用来描述材料的结构强度的光纤参数，刚度，长度和直径，刚度，韧性矩阵参数，和初始裂纹尺寸和fibermatrix界面摩擦和相互作用参数化学键与吸收系数。

一条弯曲的细观力学模型，使用这些输入参数来预测复合材料的力学性能[ 9 ]。

量化基于细观力学参数变化的环境效应将使该模型可用于预测复合材料的耐久性。

这种预测是可能的如果细观力学参数可以测量实验。

然而，纤维素纤维基体界面参数不能被直接测量，因为纤维太小。

单纤维拔出技术不能用。

因此，该模型将作为一个工具来估计债券的纤维素纤维水泥基体的影响这种债券的环境。

基于断裂力学的细观力学模型用于预测复合材料的力学性能将描述。

特别强调的是理论上的迪威乐邮件：PJAK”工程。

密歇根大学。

教育。

*通讯作者。

荷兰国际集团（SB-D）公认的纤维复合材料的关系本构关系[9-11]。

然后，微机械建模参数将被定义和环境对纤维相关的参数和上纤维- 基质相互作用参数的影响将被确定。

核查用于纤维素纤维复合材料的微机械性能建模得到：1.如果仿照弯曲的机械性能有同样的幅度，并按照相同的趋势，在实验获得的干，湿，并老化环境弯曲的机械性能，并2.如果模型正确地预测纤维素的模式纤维含量不合格，折叠，或破裂。

1.弯曲造型：纤维素水泥耐久性纤维素纤维增强薄板水泥基复合材料通过当弯曲开裂加载失败。

复合失败的一个现实的描述由断裂力学提供利用力的平衡和变形协调分析[9]。

在负载下，边缘开裂的张力侧形式薄片的（图1）。

纤维桥接横跨的影响裂缝飞机将使用光纤桥接描述应力与裂纹开口（SB-D）的关系。

纤维素复合材料的耐久性是通过识别在理论上评估影响变化的环境（干，湿，或老化的）对纤维，基质和界面性质，或者作为一个整体，SB-D 关系。

这些变化影响了复合材料的抗弯机械性能和它们的负荷- 弯曲特性。

1.1。

细观力学模型的理论概念强加初始裂纹（预先存在的裂纹状缺陷）从板的下均匀拉伸侧传播弯矩到板（图1）的压侧。

这个单一裂缝分析由耦合方程的理事说明。

（1）和（2）。

裂纹扩展时产生的应力时，在裂纹尖端，Ktip，强度因子等于水泥基质，公里的断裂韧性：（1）其中K技巧是外加力矩M功能，裂纹长度a，板形状，并且在纤维桥接应力与裂纹张开关系。

它是嘉，由于施加载荷应力强度因子，和KB，负应力强度因子的总和，由于纤维桥接应力（附录A）。

式。

（2）是基于涉及平衡负荷（SM由于挠曲负荷）卡氏定理的裂缝开口曲线D（X）。

（2）其中G（）是一个权重函数，它表示一个单元的力贡献裂纹尖端应力强度因子（附录A），D（x）是裂缝开口轮廓，SM（X9）是弯曲应力引起的外部负载M和SB（四（X9））的桥接应力与裂纹张开与来自光束的拉伸侧测量X的关系。

E和w为复合材料的弹性模量和梁深度分别。

该耦合方程。

（1）和（2）必须数值求解[10]。

对于每个施加的增量裂纹长度a，该平衡负载M被计算，得到复合材料的力学属性。

比例（LOP），或复合材料的限制第一打击力量，是进行当复合弯曲应力初始缺陷传播。

断裂模量（MOR）是指复合材料的最大弯曲应力。

用于复合随机分布的不连续体积分数V纤维男，李等人。

[12]表明，该在复合式SB-D的关系。

（3）可以通过平均只有那些个别纤维的贡献来预测穿过裂缝面：（3）其中L女，DF，和f是纤维长度，纤维直径，以及不压井系数，分别与P（z）和P（u）的重心是和角的概率密度函数。

P（D）是单纤荷载位移关系的排列的纤维。

为均匀的二维纤维分布，P（u）的52 / P和P（Z）5 2 / LF。

环境恶化的影响进程通过SB-D的关系，P（D）EFU，用纤维，基质和纤维基质相互作用的微机械参数来计算的机械部分进入。

该纤维桥接应力与裂纹开口（SB-D）的关系是输入到方程。

（1）和（2）。

另一个（但一致的）模型被用来从一个三点弯曲载荷- 挠度模拟预测复合挠曲韧性。

复合材料弯曲韧性（IMOR）是下的载荷- 挠度曲线高达MOR区域。

IMOR预测是必要的耐久性的建模，因为劣化处理可以显著影响复合韧性[4,13]。

当桥接纤维通过一个等效桥接应力分布在每个平衡状态改为该板或薄片，该复合材料可被视为线性弹性体。

唯一的载荷弯曲载荷和纤维诱发施加牵引力于裂纹的表面上。

该支持充当位移约束。

叠加原理适用，所以负荷点挠度D可如等式来获得。

（4）（图2）：其中，DNO裂纹未开裂板挠度和Dcrack是裂纹板挠度（附录B）。

负载，裂纹长度，和纤维桥接应力可以在每个平衡来获得从微机械模型步骤。

的载荷- 挠度然后可以生成曲线。

1.2。

细观力学模型参数使用微观力学为基础的模式，复合弯曲性能由纤维基质系统[9]的11微机械性质进行说明。

这些纤维，基质，和光纤矩阵互动性治理纤维如何弥合裂痕。

因此，它们起到了关键的作用控制所述板的弯曲响应。

试样的几何形状（厚度，间距和宽度）也输入参数。

微机械建模参数被定义如下：光纤参数：L楼纤维长度（mm）ð女，纤维直径（mm）Ë楼纤维刚度（GPA）s福，纤维强度（MPa）V女，纤维体积含有率（％）。

矩阵参数：Ë米，基体硬度（GPA）千米，矩阵断裂韧性（兆帕√m）C，初始缺陷尺寸（mm）。

纤维基质相互作用参数：吨O，界面摩擦债券（兆帕）摹D，界面化学脱粘能量（焦耳/平方米）楼光纤冷落系数。

试件的几何参数：S，弯曲样本范围（毫米）B，挠曲试样厚度（mm）瓦特，挠曲试样宽度（毫米）。

纤维素水泥2.实验测试纤维素纤维增强薄板水泥基复合材料（VF 5 10％）通过使用压滤机技术（200 3 78 36立方毫米生产）在实验室。

水与水泥之比为0.25。

纤维素纤维的二维然该复合内DOM取向。

两个精致（150no裂缝+ΔcrackCSF）和未精制的（700 CSF）的牛皮纸制浆辐射松纤维素纤维被使用。

复合材料（28天空气治愈）在三点弯曲以146毫米的跨度进行测试为20mm /干湿条件下分。

潮湿的条件被定义为在复合体浸没在水中24至36小时之前的测试。

此外，加快老年标本测试风干检查的30碳化衰老的作用周期。

碳化循环已示出以模拟长期自然风化的准确对纤维素复合材料的影响[5]。

一24小时的碳化周期如下：在208C淹没在水中8小时在烘箱中在808C1小时在208C中的饱和CO在炉5小时2环境在烘箱中在808C 9 H1小时冷却下来，从808C至208C [5]。

实验挠曲载荷- 挠度曲线的复合材料被示于图3A和4A的精致和粗纤维复合材料，分别为。

模型预测（图3B和4B）将在后面的部分中进行讨论。

在复合材料的力学性能的环保趋势可以总结：LOP年龄。

LOPdry。

LOPwet，MORaged $MOR干燥。

的Morwet和IMORaged，IMORdry，IMORwet。

同样，纤维素纤维失效模式与变化的环境条件：占主导地位的破裂对老年人，组合拉拔/破裂的干燥，湿撤军。

干，湿复合材料不合格多个开裂，而年龄复合材料的失败，一个裂纹。

这些趋势，无论持有是否纤维素纤维进行了细化或粗。

3.确定微型机械的模型的参数纤维素纤维和基质微参数提取从文献中，但纤维素纤维基质interfaciarameters不可用。

他们没有被实验确定，由于长辐射松的不可用性纤维素纤维的单纤拔出测试。

因此，该模型可以作为其估计的有用工具。

所估计的界面建模参数（于，钆，和f）是有影响力的预测环境依赖性复合弯曲机械性能（LOP，MOR和IMOR）。

同样，他们确定的纤维素纤维故障模式，破裂或拔出。

3.1。

纤维素纤维参数纤维素是一种中空的天然有机亲水木质纤维周围的纤维复合管同心分层组成。

当在张力加载，所述纤维素纤维的截面积降低[14]。

纤维特性，结构，和机械加强能力是高度可变的，这取决于木材纤维源和制浆[15]的方法。

细观力学模型的参数被选为代表的干精制牛皮纸的平均属性值制浆辐射松的纤维素纤维（表1）。

它们是基于测量值（LF和DF）和文献综述（SFU和EF）[4,16]。

高度精制的纤维素纤维（150 CSF）有长度为0.1至7mm，平均为2.5毫米变化。

同样地，纤维直径，平均显著变化30毫米的价值。

纤维素纤维在湿拉伸试验环境显示纤维刚度的损失，而纤维相比，干强度不发生变化，但在纤维确实遇到更大的扩展[16]。

老化后，纤维素纤维石化和失败的脆性方式;纤维刚度和强度已推测增加[6]。

对于造型简单，纤维强度保持不变，无论的环境。

未精制的纤维素纤维（700 CSF）有改进的机械性能（表1）。

精致会使纤维长度减小，纤维强度降低，因为外部原纤化，和纤维刚度降低由于内部原纤化，使纤维更适形的[2]。

3.2。

纤维素纤维基质相互作用参数纤维素纤维- 基质界面粘结，反映在的纤维素纤维失败在复合材料中的改变的模式图。

4.（A）实验测试，未精制的纤维素复合材料。

（B）为蓝本不登大雅之堂纤维素复合材料。

表1精致不登大雅之堂纤维素微机械模型参数干，湿，并老化环境断裂面，随环境（干，湿，并岁）。

纤维素纤维与水泥基材的粘结被摩擦和化学性质，通过摩擦量化键（至）和化学脱胶能源（GD）[3,9]。