一种微胶囊自修复材料全应力-应变曲线的预测方法

技术领域

本发明涉及隧道与地下工程材料技术领域，尤其涉及一种微胶囊自修复材料全应力-应变曲线的预测方法及装置。

背景技术

随着现代社会向智能化的发展，被动模式下的后期维护和定期维护已不能满足现代多功能智能建筑对混凝土材料的要求。受到生物领域自我修复现象的启发，材料科学家试图生产一种可以自动修复损伤的人造自修复材料。在这些人造自修复材料中，具有自修复功能的胶结复合材料成为建筑材料领域的热点之一，具有广阔的应用前景和研究价值。

仿生自修复混凝土基于生物组织自修复机制的概念，即在伤口部位自动分泌某些物质后伤口即可修复特性。基于此理念，将含有修复剂的胶囊或玻璃管特殊成分掺入混凝土的常规成分中，从而在混凝土内部形成智能的自修复网络系统。当混凝土材料破裂时，扩展的微裂缝会迫使玻璃管或胶囊载体破裂，从而导致修补剂从载体中流出并在毛细作用力或重力作用下渗透到裂缝中，进而在固化剂和催化剂的作用下，扩展的微裂纹发生化学反应以粘贴微裂纹表面，在防止微裂纹生长的同时恢复甚至改善材料的刚度，断裂韧性和强度等特性。封装修复剂的包装技术主要有两种，分别是微胶囊法和玻璃纤维管。与含玻璃纤维管的自修复混凝土相比，含微胶囊的自修复混凝土具有很多优点：材料加工相对容易，并且在许多情况下，微胶囊可以直接与混凝土混合物混合，这使得混凝土中的微胶囊分布更均匀，它们更有可能修复更多的微裂缝；同时，当胶囊破裂时，球形微胶囊可以具有更好的修复剂释放，并且可以减少由胶囊破裂后留下的空壳所产生的应力集中；并且，在释放修复剂之后，孔壁的残余应力相对较小；微胶囊的外壳材料大多是柔软的，可以更容易地吸收裂缝，从而显示出更好的自修复效果。含微胶囊自修复混凝土的自修复能力可以通过实验手段进行验证和量化分析。然而，这些实验只能定性地证明微胶囊自修复混凝土自修复能力，而无法揭示微胶囊自修复混凝土受荷载时的多尺度损伤-修复力学机理。

目前，关于能描述微胶囊自修复混凝土受荷载时的多尺度损伤-修复力学机理的细观力学模型还相对较少。针对拉伸载荷和压缩载荷作用下，韩凯航分别提出了微胶囊自修复混凝土的两种三维微观损伤-修复力学模型。一些脆性材料如岩石、混凝土等的应力应变关系往往包括线弹性、非线性强化、应变软化等阶段。关于微胶囊自修复混凝土材料本构曲线预测方法的研究，现有的三维微观损伤-修复力学模型主要集中于外荷载达到承载极限之前的非线性弹性阶段，未能反应和预测自修复混凝土材料峰值后的软化阶段。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种微胶囊自修复材料全应力-应变曲线的预测方法及装置，以解决三维条件下现有的微观损伤-修复力学模型由于主要集中于外荷载达到承载极限之前的非线性弹性阶段，未能反应和预测水泥基材料峰值后的软化阶段的问题。

本发明提供一种微胶囊自修复材料全应力-应变曲线的预测方法，该方法包括：

判断自修复混凝土材料中是否含有微胶囊；

若否，则所述自修复混凝土材料为常规混凝土材料，计算三维条件下受拉伸荷载常规混凝土材料全应力-应变曲线；

若是，则判断所述自修复混凝土材料中微胶囊所含愈合剂固化后被修复的微裂纹表面断裂韧度荷载，若所述修复的微裂纹表面断裂韧度荷载大于等于不含微胶囊的自修复混凝土材料中微裂纹的原始断裂荷载，则所述自修复混凝土材料为含强愈合剂微胶囊自修复混凝土材料，计算三维条件下受拉伸荷载含强愈合剂微胶囊自修复混凝土材料全应力-应变曲线；若所述修复的微裂纹表面断裂韧度荷载小于不含微胶囊的自修复混凝土材料中微裂纹的原始断裂荷载，则所述自修复混凝土材料为含弱愈合剂微胶囊自修复混凝土材料，计算三维条件下受拉伸荷载含弱愈合剂微胶囊自修复混凝土材料全应力-应变曲线。

优选地，计算三维条件下受拉伸荷载常规混凝土材料全应力-应变曲线的公式为：

线弹性阶段：

非线性强化阶段：

应力跌落阶段：

应变软化阶段：

其中，ε表示混凝土试样的应变，σ表示混凝土试样的应力，ν表示混凝土试样的泊松比，n

优选地，若所述修复的微裂纹表面断裂韧度荷载大于等于不含微胶囊的自修复混凝土材料中微裂纹的原始断裂荷载，则所述自修复混凝土材料为含强愈合剂微胶囊自修复混凝土材料；若所述修复的微裂纹表面断裂韧度荷载小于不含微胶囊的自修复混凝材料土中微裂纹的原始断裂荷载，则所述自修复混凝土材料为含弱愈合剂微胶囊自修复混凝土材料，包括：

若

其中，

σ

若

其中，

σ

优选地，计算三维条件下受拉伸荷载含强愈合剂微胶囊自修复混凝土材料全应力-应变曲线的公式为：

线弹性阶段：

非线性阶段：

应力跌落阶段：

应变软化阶段：

其中，其中，ε表示混凝土试样的应变，σ表示混凝土试样的应力，ν表示混凝土试样的泊松比，n

优选地，计算三维条件下受拉伸荷载含弱愈合剂微胶囊自修复混凝土材料全应力-应变曲线的公式为：

线弹性阶段：

非线性阶段：

应力跌落阶段：

应变软化阶段：

其中，ε表示混凝土试样的应变，σ表示混凝土试样的应力，ν表示混凝土试样的泊松比，n

与现有技术相比，本发明实施例提供的一种微胶囊自修复材料全应力-应变曲线的预测方法具有如下有益效果：本发明首先判断自修复混凝土材料中是否含有微胶囊；若否，则自修复混凝土材料为常规混凝土材料，计算受拉伸荷载常规混凝土材料全应力-应变曲线；若是，则判断自修复混凝土材料中微胶囊所含愈合剂固化后被修复的微裂纹表面断裂韧度荷载，若修复的微裂纹表面断裂韧度荷载大于等于不含微胶囊的混凝土中微裂纹的原始断裂荷载，则自修复混凝土材料为含强愈合剂微胶囊自修复混凝土材料，计算三维条件下受拉伸荷载含强愈合剂微胶囊自修复混凝土材料全应力-应变曲线；若修复的微裂纹表面断裂韧度荷载小于不含微胶囊的混凝土中微裂纹的原始断裂荷载，则自修复混凝土材料为含弱愈合剂微胶囊自修复混凝土材料，计算三维条件下受拉伸荷载含弱愈合剂微胶囊自修复混凝土材料全应力-应变曲线。本发明可以计算三维应变条件下，受拉伸荷载不含微胶囊的常规混凝土材料、含强愈合剂微胶囊自修复混凝土材料、含弱愈合剂微胶囊自修复混凝土材料的全应力-应变曲线，也就是可以建立有拉伸荷载作用下有或者没有微胶囊的混凝土材料的应力-应变曲线，三维条件下可以直接反应和预测混凝土材料峰值后软化阶段的细观力学模型。

本发明还提供一种微胶囊自修复材料全应力-应变曲线的预测装置，该装置包括：

判断模块，用于判断自修复混凝土材料中是否含有微胶囊；

常规材料全应力-应变曲线模块，用于当所述自修复混凝土材料为常规混凝土材料时，计算三维条件下受拉伸荷载常规混凝土材料全应力-应变曲线；

含强愈合剂微胶囊自修复材料全应力-应变曲线模块，用于判断所述自修复混凝土材料中微胶囊所含愈合剂固化后被修复的微裂纹表面断裂韧度荷载，若所述修复的微裂纹表面断裂韧度荷载大于等于不含微胶囊的自修复混凝土材料中微裂纹的原始断裂荷载，则所述自修复混凝土材料为含强愈合剂微胶囊自修复混凝土材料，计算三维条件下受拉伸荷载含强愈合剂微胶囊自修复混凝土材料全应力-应变曲线；

含弱愈合剂微胶囊自修复材料全应力-应变曲线模块，用于判断所述自修复混凝土材料中微胶囊所含愈合剂固化后被修复的微裂纹表面断裂韧度荷载，若所述修复的微裂纹表面断裂韧度荷载小于不含微胶囊的自修复混凝土材料中微裂纹的原始断裂荷载，则所述自修复混凝土材料为含弱愈合剂微胶囊自修复混凝土材料，计算三维条件下受拉伸荷载含弱愈合剂微胶囊自修复混凝土材料全应力-应变曲线。

优选地，计算三维条件下受拉伸荷载常规混凝土材料全应力-应变曲线的公式为：

线弹性阶段：

非线性强化阶段：

应力跌落阶段：

应变软化阶段：

其中，ε表示混凝土试样的应变，σ表示混凝土试样的应力，ν表示混凝土试样的泊松比，n

优选地，计算三维条件下受拉伸荷载含强愈合剂微胶囊自修复混凝土材料全应力-应变曲线的公式为：

线弹性阶段：

非线性阶段：

应力跌落阶段：

应变软化阶段：

其中，其中，ε表示混凝土试样的应变，σ表示混凝土试样的应力，ν表示混凝土试样的泊松比，n

优选地，计算三维条件下受拉伸荷载含弱愈合剂微胶囊自修复混凝土材料全应力-应变曲线的公式为：

线弹性阶段：

非线性阶段：

应力跌落阶段：

应变软化阶段：

其中，ε表示混凝土试样的应变，σ表示混凝土试样的应力，ν表示混凝土试样的泊松比，n

与现有技术相比，本发明提供的一种微胶囊自修复材料全应力-应变曲线的预测装置的有益效果与上述技术方案所述一种微胶囊自修复材料全应力-应变曲线的预测方法的有益效果相同，在此不做赘述。

本发明还提供一种电子设备，包括总线、收发器、存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述收发器、所述存储器和所述处理器通过所述总线相连，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如上述任一项所述的一种微胶囊自修复材料全应力-应变曲线的预测方法中的步骤。

与现有技术相比，本发明提供的电子设备的有益效果与上述技术方案所述一种微胶囊自修复材料全应力-应变曲线的预测方法的有益效果相同，在此不做赘述。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明实施例所提供的一种微胶囊自修复材料全应力-应变曲线的预测方法的流程图；

图2示出了本发明实施例所提供的水泥基复合材料分类示意图；

图3示出了本发明实施例所提供的三维条件下在有拉伸荷载作用下有或没有微胶囊的混凝土的全应力-应变曲线图；

图4示出了本发明实施例所提供的一种微胶囊自修复材料全应力-应变曲线的预测装置的结构示意图。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本实施例中提到的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况。“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明，旨在以具体方式呈现相关概念，不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。

本发明实施例提供一种微胶囊自修复材料全应力-应变曲线的预测方法，图1示出了本发明实施例所提供的一种微胶囊自修复材料全应力-应变曲线的预测方法的流程图。如图1所示，该方法包括：

步骤S1：判断自修复混凝土材料中是否含有微胶囊。

应理解，自修复混凝土材料可以为水泥基复合材料，首先判断自修复混凝土材料中是否含有微胶囊。图2示出了本发明实施例所提供的水泥基复合材料分类示意图。

步骤S2：如图2所示，若自修复混凝土材料中不含有微胶囊，则自修复混凝土材料为常规混凝土材料，按照如下公式计算三维应变条件下受拉伸荷载常规混凝土材料全应力-应变曲线：

线弹性阶段：

非线性强化阶段：

应力跌落阶段：

应变软化阶段：

其中，ε表示混凝土试样的应变，σ表示混凝土试样的应力，ν表示混凝土试样的泊松比，n

步骤3：若自修复混凝土材料中含有微胶囊，则判断自修复混凝土材料中微胶囊所含愈合剂固化后被修复的微裂纹表面断裂韧度荷载。

步骤4：若

则修复的微裂纹表面断裂韧度荷载大于等于不含微胶囊的自修复混凝土材料中微裂纹的原始断裂荷载，则自修复混凝土材料为含强愈合剂微胶囊自修复混凝土材料，按如下公式计算三维应变条件下受拉伸荷载含强愈合剂微胶囊自修复混凝土材料全应力-应变曲线：

线弹性阶段：

非线性阶段：

应力跌落阶段：

应变软化阶段：

其中，其中，ε表示混凝土试样的应变，σ表示混凝土试样的应力，ν表示混凝土试样的泊松比，n

步骤5：若

则修复的微裂纹表面断裂韧度荷载小于不含微胶囊的自修复混凝土材料中微裂纹的原始断裂荷载，自修复混凝土材料为含弱愈合剂微胶囊自修复混凝土材料，按如下公式计算三维应变条件下受拉伸荷载含弱愈合剂微胶囊自修复混凝土材料全应力-应变曲线：

线弹性阶段：

非线性阶段：

应力跌落阶段：

应变软化阶段：

其中，ε表示混凝土试样的应变，σ表示混凝土试样的应力，ν表示混凝土试样的泊松比，n

本发明实施例所提供的微胶囊自修复材料全应力-应变曲线的预测方法可以进行三维条件下拉伸载荷作用下微胶囊自修复混凝土的三维微观损伤-修复力学演化行为。

具体实施案例中，杨氏模量E和泊松比ν原始材料的重量分别为34450MPa和0.2。假定弱平面和基体的断裂韧性特性为K

基于以上参数，基于本发明实施例所提供的微胶囊自修复材料全应力-应变曲线的预测方法，可以得出如图3所示的在有拉伸荷载作用下有或没有微胶囊的混凝土的全应力-应变曲线图，

本发明可以计算三维应变条件下，受拉伸荷载不含微胶囊的常规混凝土材料、含强愈合剂微胶囊自修复混凝土材料、含弱愈合剂微胶囊自修复混凝土材料的本构曲线，也就是可以建立有拉伸荷载作用下有或者没有微胶囊的混凝土材料的应力-应变曲线，进行拉伸载荷作用下微胶囊自修复混凝土的三维应变微观损伤-修复力学演化行为，通过图3所示的全应力-应变曲线可以直接反应和预测混凝土材料峰值后软化阶段的细观力学模型。

图4示出了本发明实施例所提供的微胶囊自修复材料全应力-应变曲线的预测装置的结构示意图，如图4所示，该装置包括：

判断模块1，用于判断自修复混凝土材料中是否含有微胶囊；

常规材料全应力-应变曲线模块2，用于当所述自修复混凝土材料为常规混凝土材料时，计算三维条件下受拉伸荷载常规混凝土材料全应力-应变曲线；

含强愈合剂微胶囊自修复材料全应力-应变曲线模块3，用于判断所述自修复混凝土材料中微胶囊所含愈合剂固化后被修复的微裂纹表面断裂韧度荷载，若所述修复的微裂纹表面断裂韧度荷载大于等于不含微胶囊的自修复混凝土材料中微裂纹的原始断裂荷载，则所述自修复混凝土材料为含强愈合剂微胶囊自修复混凝土材料，计算三维条件下受拉伸荷载含强愈合剂微胶囊自修复混凝土材料全应力-应变曲线；

含弱愈合剂微胶囊自修复材料全应力-应变曲线模块4，用于判断所述自修复混凝土材料中微胶囊所含愈合剂固化后被修复的微裂纹表面断裂韧度荷载，若所述修复的微裂纹表面断裂韧度荷载小于不含微胶囊的自修复混凝土材料中微裂纹的原始断裂荷载，则所述自修复混凝土材料为含弱愈合剂微胶囊自修复混凝土材料，计算三维条件下受拉伸荷载含弱愈合剂微胶囊自修复混凝土材料全应力-应变曲线。

优选地，计算三维条件下受拉伸荷载常规混凝土材料全应力-应变曲线的公式为：

线弹性阶段：

非线性强化阶段：

应力跌落阶段：

应变软化阶段：

其中，ε表示混凝土试样的应变，σ表示混凝土试样的应力，ν表示混凝土试样的泊松比，n

优选地，计算三维条件下受拉伸荷载含强愈合剂微胶囊自修复混凝土材料全应力-应变曲线的公式为：

线弹性阶段：

非线性阶段：

应力跌落阶段：

应变软化阶段：

其中，其中，ε表示混凝土试样的应变，σ表示混凝土试样的应力，ν表示混凝土试样的泊松比，n

优选地，计算三维条件下受拉伸荷载含弱愈合剂微胶囊自修复混凝土材料全应力-应变曲线的公式为：

线弹性阶段：

非线性阶段：

应力跌落阶段：

应变软化阶段：

其中，ε表示混凝土试样的应变，σ表示混凝土试样的应力，ν表示混凝土试样的泊松比，n

与现有技术相比，本发明实施例提供的一种微胶囊自修复材料全应力-应变曲线的预测装置的有益效果与上述技术方案所述一种微胶囊自修复材料全应力-应变曲线的预测方法的有益效果相同，在此不做赘述。

本发明还提供一种电子设备，包括总线、收发器、存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述收发器、所述存储器和所述处理器通过所述总线相连，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如上述所述的一种微胶囊自修复材料全应力-应变曲线的预测方法中的步骤。

与现有技术相比，本发明实施例提供的电子设备的有益效果与上述技术方案所述的一种微胶囊自修复材料全应力-应变曲线的预测方法的有益效果相同，在此不做赘述。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述所述的一种微胶囊自修复材料全应力-应变曲线的预测方法中的步骤。

与现有技术相比，本发明实施例提供的计算机可读存储介质的有益效果与上述技术方案所述一种微胶囊自修复材料全应力-应变曲线的预测方法的有益效果相同，在此不做赘述。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换的技术方案，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。