地下工程混凝土结构施工期性能形成机理

无论基础设施或是民用建筑的地下工程，多数采用现浇混凝土方式施做结构。这类混凝土结构在施工期的早期开裂、差异变形、甚至坍塌等现象表明，混凝土结构性能的形成除与混凝土材料自身水化特性外，还与结构早期持荷和环境的动态效应有关联；此外，地下工程混凝土结构的早期损伤对其长期性能也有影响。项目拟通过混凝土结构早期持荷试验，研究结构混凝土材料的早期徐变、强度、局部劈裂损伤等力学性能形成的时变过程；拟通过测试地下结构混凝土性能形成期间，地层和大气的热边界作用、水环境下的渗流边界、以及扩散边界作用，研究这些作用所致混凝土结构内部效应及对混凝土早期物理-化学性能形成的影响。探寻结构早期持荷和复杂环境作用下混凝土早期性能形成机理的研究，不仅有利于制定混凝土结构施工期的性能控制方法，还可为有效认识地下结构长期性能演化提供依据。

项目研究围绕地下工程混凝土结构施工期的性能形成过程，重点早龄期开展混凝土持荷下的物理力学性能试验研究和现浇混凝土结构温度-湿度-应力耦合场宏观模型的理论研究，并结合重大工程建设进行应用研究。在早龄期持荷下的力学性能形成方面，通过室温环境混凝土试件持荷条件下的主动约束收缩试验、新旧混凝土接触试验、GFRP混凝土粘结试验、钢混组合结构构件试验等，分析了混凝土早龄期约束应力形成机理，建立了混凝土早龄期边界约束时变规律，获得了混凝土持荷条件下的力学性能演化规律；进行了混凝土早龄期常应力及变应力持荷条件下的徐变试验，建立了混凝土早龄期基本徐变模型，推导了早龄期混凝土的粘弹性本构模型，应用于超高层建筑施工期、深基坑典型超长混凝土支撑结构、沉管隧道管节预制等早龄期持荷变形发展规律的分析，试验研究还扩展至高温持荷条件，得到了自密实混凝土高温力学性能退化机理及高温本构关系。在早龄期持荷下的物理渗透性能方面，研制了受荷混凝土试件渗透性试验装置和水压劈裂试验装置，在分析配筋混凝土试件表面渗透特征基础上提出了结构混凝土渗透指数定义，测试了配筋率对混凝土渗透指数的影响，给出了拉伸荷载与渗透指数的关系；充分考虑了历史数据的不稳定性，以贝叶斯框架为基础建立了随机累积损伤模型，以定量的评估地下结构持荷服役期的渗透性能及其变化。建立了早龄期混凝土结构温度-湿度-应力多物理场的宏观弱耦合模型，编写了有势场有限差分及向量场有限元计算联解式的数值分析程序，高效地分析计算混凝土早期物理场演化规律，应用于港珠澳大桥沉管隧道等大型工程的施工组织设计，与试验数据及工程监测数据的对比验证了模型的有效性和可靠性。与奥地利维也纳理工大学Mang院士学科组的合作，探寻了发展为多场强耦合的途径。研究进一步扩展到微细观尺度，通过差热分析、环境电镜扫描、水银压入法、以及μ-CT等材料微观结构试验手段，测试混凝土早龄期水化过程中的物相变化和孔隙分布，建立了早龄期混凝土的微观4-D（含时间演化）几何模型，并表征其宏观渗透性能的之间的联系，以建立多场条件下早龄期混凝土的多尺度模型。共申请专利19项（已授权10项）；主编上海市地方规范1部、中国工程建设标准化协会标准1部；已经发表学术论文32篇，其中国际学术期刊论文13篇（SCI收录）；在审国际学术期刊论文11篇（SCI收录），获得教育部科技进步一等奖1项，上海市科技进步一等奖1项。