在单调加载和循环加载作用下，钢筋增强树脂的压缩行为及其微观力学建模

《COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY》：Compressive behaviour and micromechanical modelling of steel-reinforced resin under monotonic and cyclic loading

本文通过实验和数值模拟研究了钢增强树脂（SRR）在单轴压缩、增量循环压缩及疲劳压缩下的行为，发现其具有显著的应力敏感性，刚度退化与损伤累积相关，并揭示了界面摩擦和泊松比差异对材料性能的影响。三轴测试表明，约束压力显著提升SRR的承载能力和延性，而疲劳测试显示其刚度随循环次数线性退化，最终形成复杂断裂模式。微力学模型验证了界面损伤和颗粒重排机制的主导作用。

　　SRR材料的压缩行为研究是理解和优化其在FRP-钢混合桥梁结构中的应用的关键。SRR是一种由钢颗粒嵌入树脂基体中形成的颗粒复合材料，最初被开发为锚固剂，后来被提出用于嵌入机械连接器的腔体中。这种材料在连接器中的应用面临复杂的多轴应力状态和疲劳需求，因此对其压缩和疲劳性能的研究至关重要。本研究通过实验和数值方法，系统地评估了SRR在无约束条件下的单调压缩、增量循环和高周疲劳加载下的行为，并利用三轴测试装置研究了约束对材料性能的影响。

在实验设计中，研究团队制备了直径为26.0毫米、长度为52.0毫米的圆柱形试件，其中钢颗粒的体积比例为80%，符合J444标准。试件在无约束条件下进行测试，以模拟其在实际应用中的行为。测试包括单调压缩、增量循环和高周疲劳三种加载方式，旨在全面了解材料在不同应力状态下的响应。对于三轴测试，使用了具有500千牛最大载荷和0.001千牛精度的伺服控制加载机，通过嵌入在设备中的Hoek单元施加约束压力，同时进行轴向压缩。测试过程中，每1秒记录一次轴向位移、轴向力和约束压力，并在达到1.95毫米位移限制后停止测试。

在单调压缩测试中，SRR材料表现出线性行为，直到达到约80兆帕的压缩应力，随后出现明显的峰值，之后应力逐渐下降，表明材料在达到最大压缩强度后表现出应变软化行为。这一现象反映了材料在峰值后的承载能力下降，主要由于微裂纹和局部损伤的形成。在增量循环测试中，材料同样表现出应变软化行为，且每次卸载循环后残留应变增加，进一步说明了损伤的累积过程。研究还发现，塑性应变在测试的后期显著增加，表明塑性变形和损伤的共同作用导致了非线性响应。

三轴压缩测试的结果显示，随着约束压力的增加，SRR材料的承载能力显著提高。在10兆帕、20兆帕和30兆帕的约束条件下，材料的初始刚度分别为10.5、11.3和12.1千兆帕，显示出轻微但可测的刚度增长。这些结果表明，约束压力对材料的性能有积极影响，能够延迟材料的失效，并提高其延展性。在测试中，所有试件均未发生明显断裂，而是达到一个稳定的应力平台，表明材料在约束下能够维持较高的应力水平，具有良好的稳定性。

此外，研究还发现，SRR材料在无约束条件下的疲劳行为具有明显的特征。疲劳数据表明，随着应力水平的增加，疲劳寿命显著下降，这与张力疲劳测试中观察到的斜率相似。这种陡峭的斜率提示，SRR材料在作为连接器填充材料时，存在一个疲劳极限，通过适当的连接器设计，可以将应力降低到该极限以下，从而实现无限疲劳寿命。研究还指出，材料在压缩循环下的刚度退化大约为50%，反映了其在疲劳过程中的逐步损伤积累。

在数值模拟方面，研究团队开发了微机械有限元模型，以模拟SRR材料在微观尺度上的树脂基体与钢颗粒之间的相互作用。模型考虑了界面损伤、摩擦和粘结失效，成功再现了材料的非线性行为，并揭示了拉伸和压缩过程中不同的泊松比响应。这些模型提供了对材料刚度演变、失效机制以及拉伸与压缩行为差异的深入理解。在无约束条件下，模型预测的泊松比在拉伸时约为0.124，而在压缩时则显著提高至0.425，反映了材料在不同应力状态下的响应差异。

通过这些实验和模拟，研究团队不仅揭示了SRR材料在不同约束条件下的性能变化，还为实际工程应用提供了理论支持。研究结果表明，SRR材料在约束条件下表现出更高的承载能力和延展性，这对其在桥梁结构中的应用具有重要意义。未来的工作可以进一步探讨SRR材料在约束条件下的疲劳行为，以及其在不同多轴应力状态下的表现。此外，考虑材料中颗粒聚集的影响，以及其对损伤演化的影响，也是未来研究的重要方向。这些研究有助于更全面地理解SRR材料的性能，为结构设计和材料优化提供科学依据。