Микромеханическая модель межфазного трения в бетоне между структурообразующими слоями с учетом влияния циклического нагружения

Механизмы деформации материалов, определяющие прочность бетона в строительных конструкциях, сложны. Параметры трения зависят от материала и конструкции, которые определяются физическими характеристиками бетонных композитов. Зона перехода между структурными элементами материала подвергается ограниченной деформации, вызывая изменение физических свойств в поверхностных слоях. Это явление выявляет неоднородность материала из-за действия внутренних и внешних факторов, которые в конечном итоге определяют его структурные характеристики.

 В исследовании используется усовершенствованный алгоритм метода множителей переменного направления для систематического получения характеристик и значений корреляции для различных образцов материалов. Благодаря внедрению факторов ограничений и протоколов количественной оценки неопределённости методология эффективно уменьшает количество предварительных предположений, учитывая при этом переменные функциональные связи. Анализ микромеханического моделирования совместно с экспериментальной проверкой, подтверждает техническую осуществимость и инновационное превосходство предлагаемого подхода. Сравнительные оценки в условиях циклического нагружения выявляют критические значения в трёх направлениях: потенциал сопротивления при циклическом нагружении, фрикционное поведение при различных реакциях скорости нагрузки и многопараметрические улучшения физических свойств. Разработанная методика демонстрирует превосходное улучшение характеристик бетона по сравнению с традиционными методами улучшения прочности. Она также эффективно ограничивает расширение повреждений от напряжений и усиливает устойчивость и безопасность фундаментной конструкции в условиях циклического нагружения.

1. Zhang L., Wang Y., and Li X. Micromechanical Modeling of Interfacial Friction in Layered Con-crete under Cyclic Loading // Cement and Concrete Research. — 2023 (165), 107089. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2023.107089

2. Johnson A.R., Smith B.E., and Müller H. Cyclic Shear Behavior of Concrete-to-Concrete Interfaces with Surface Roughness Characterization // Con-struction and Building Materials. — 2022 (342), 127831. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2022.127831

3. Chen G., and Ožbolt J. 3D Mesoscale Simulation of Friction Degradation at Concrete Interfaces un-der Repeated Loading // Engineering Fracture Me-chanics. — 2023 (284), 109245. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2023.109245

4. Lee S.-H., Park K.-T., and Darwin D. Effects of Nano-Silica on Interfacial Bond Strength in Recy-cled Aggregate Concrete // Materials. — 2022 (15), no. 8, 2876. https://doi.org/10.3390/ma15082876

5. Alberto F. and Carol I. A thermodynamic Frame-work for Cyclic Friction at Concrete Joints // International Journal of Solids and Structures. — 2024 (292), 112667. https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2024.112667

6. Wang J., et al. X-Ray CT-Based Quantification of Interfacial Damage Evolution in Layered Concrete // Cement and Concrete Composites. — 2023 (135), 104833. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2022.104833

7. Brake N.A. and Hrynyk T.D. Experimental Study of High-Cycle Friction Wear at Precast Concrete Interfaces // ACI Materials Journal. — 2022 (119), no. 3, 45—56. https://doi.org/10.14359/51734421

8. Zhang W. and Šavija B. Machine Learning-Assisted Prediction of Interfacial Friction Coeffi-cients in Concrete // Materials & Design. — 2024 (237), 112559. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2024.112559

9. Ibrahim M. and Denarié E. Influence of Curing Conditions on Interfacial Micro-Mechanical Prop-erties // Materials and Structures. — 2023 (56), no. 1, 1—18. https://doi.org/10.1617/s11527-023-02145-5

10. Li H., et al. Mesoscale Modeling of Concrete Inter-face Debonding under Cyclic Shear // Computers & Structures. — 2022 (263), 106738. https://doi.org/10.1016/j.compstruc.2022.106738

11. González L.F. and Meschke G. A Multiscale Mod-el for Fatigue-Induced Roughness Evolution at Concrete Interfaces // International Journal for Numerical Methods in Engineering. — 2023 (124), no. 5, 1123—1145. https://doi.org/10.1002/nme.7153

12. Wu C. and Le J.-L. Statistical Analysis of Interfa-cial Friction Variability in Construction Joints // Journal of Materials in Civil Engineering. — 2024 (36), no. 2, 04024012. https://doi.org/10.1061/JMCEE7.MTENG-16605

13. Petersen D.E., et al. In-situ SEM Observation of Micro-Crack Propagation at Concrete Interfaces // Materials Characterization. — 2023 (195), 112520. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2022.112520

14. Zhao Y. and Kaufmann W. Cyclic Friction-Slip Model for Seismic-Resistant Concrete Joints // Earthquake Engineering & Structural Dynam-ics. — 2022 (51), no. 8, 1942—1960. https://doi.org/10.1002/eqe.3621

15. Kim J. and Reda Taha M.M. Nanoindentation Mapping of Interfacial Transition Zones under Cy-clic Loading // Journal of Nanomechanics and Mi-cromechanics. — 2024 (14), no. 1, 04023025. https://doi.org/10.1061/(ASCE)NM.2153-5477.0000124

16. Xu S., et al. DEM Simulation of Particle-Scale Fric-tion Mechanisms in Concrete Interfaces // Powder Technology. — 2023 (413), 118021. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2022.118021

17. Rossi P. and Toutlemonde F. Fatigue Damage Ac-cumulation at Concrete-Concrete Interfaces: Ex-perimental and Numerical Study // Fatigue & Frac-ture of Engineering Materials & Structures. — 2022 (45), no. 7, 1899—1914. https://doi.org/10.1111/ffe.13692

18. Yang K. and Kaneko T. Laser Profilometry-Based Rough-ness Quantification for Friction Prediction // Construction and Building Materials. — 2024 (411), 134456. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.134456

19. Bian H., and Pellenq R.J.-M. Molecular Dynamics Study of Calcium Silicate Hydrate at Sheared In-terfaces // ACS Applied Materials & Interfaces. — 2023 (15), no. 12, 15872—15883. https://doi.org/10.1021/acsami.2c22841

20. Nogueira C.L. and Sánchez F. Effect of Fiber Re-inforcement on Interfacial Wear Resistance // Composite Structures. — 2022 (301), 116194. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2022.116194

21. Liu R. and Stark A. Digital Image Correlation Analysis of Interfacial Slip Displacement Fields // Experimental Mechanics. — 2025 (65), no. 1, 123—138. https://doi.org/10.1007/s11340-024-01038-y

22. Zhang Q., et al. Interface Shear Strength Prediction Using Acoustic Emission Data // NDT & E Interna-tional. — 2023 (133), 102756. https://doi.org/10.1016/j.ndteint.2022.102756

23. Huang L. and Beushausen H. Humidity Effects on Interfacial Friction Degradation // Materials and Corrosion. — 2024 (75), no. 3, 412—425. https://doi.org/10.1002/maco.202313789

24. Maekawa K. and Ishida T. Multi-Physics Modeling of Corroded Interfaces under Cyclic Slip // Journal of Advanced Concrete Technology. — 2022 (20), no. 4, 215—230. https://doi.org/10.3151/jact.20.215

25. Zhu J. and Bolander J.E. Lattice Discrete Particle Modeling of Interface Wear // Engineering Compu-tations. — 2023 (40), no. 3, 678—694. https://doi.org/10.1108/EC-07-2022-0443

26. Sun Y. and Schlangen E. Self-Healing Microcap-sules for Interfacial Crack Repair // Cement and Concrete Composites. — 2024, no. 138, 104955. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2023.104955

27. Feng D. and Cusatis G. Cohesive Zone Model with Fa-tigue Degradation for Concrete Interfaces // Journal of Engineering Mechanics. — 2022 (148), no. 9, 04022067. https://doi.org/10.1061/(ASCE)EM.1943-7889.0002145

28. Wang X. and van Mier J.G.M. Fractal Analysis of Interface Roughness Evolution // Fractals. — 2023 (31), no. 2, 2350012. https://doi.org/10.1142/S0218348X23500122

29. Cao M. and Li V.C. Strain-Hardening Cementitious Compo-sites for Enhanced Interface Performance // Composites Part B: Engineering, — 2024 no. 271, 111156. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2023.111156

30. Gao P. and Bentz D.P. Microstructural Changes at Stressed In-terfaces Revealed by Synchrotron Radiation // Materials Characterization. — 2022 (184), 111658. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2021.111658