FRP筋海水珊瑚骨料混凝土力学性能与耐久性能研究

If the fresh water, conventional fine and coarse aggregates and steel bars are replaced by sea water, coral aggregates and FRP bars in island construction, a new type of concrete structure can be introduced, which may reduce the construction cost. Studies should be carried out on the durability of coral concrete under the marine environment, short-term and long-term bond performance between FRP bar and coral concrete, and structural design method to meet the demand of engineering construction. In this project, the durability of coral concrete will first be studied experimentally, and the variation of physical and mechanical parameters with the time and environmental condition will be determined. Then the short- and long-term bond performance and interfacial failure mechanism between FRP bar and coral concrete will be analyzed, and the boundary effect on the interfacial parameters and their variation with the time and environmental condition will be determined. Based on the above obtained results, non-linear analysis of FRP bar reinforced coral concrete beams will be performed by considering the bond-slip at the FRP-coral concrete interface. The validity of the obtained results will be verified by test. Moreover, the preliminary design method for the structural member will be provided. The study in this project will solve main scientific and engineering problems in FRP bar reinforced coral concrete under marine environment, and provide solid theoretical fundament on the application of the new structures in practice.

海岛工程建设中若采用海水代替淡水、珊瑚骨料代替传统粗细骨料、FRP筋代替钢筋，可以发展出一种全新的混凝土结构，并具有降低海岛工程造价的优异性能。该结构中混凝土材料在长期海洋环境下的耐久性能、FRP筋与混凝土之间的短期与长期粘结性能及构件的设计方法均需要研究以符合工程建设的要求。本项目拟首先通过试验对海水珊瑚骨料混凝土材料耐久性能开展研究，确定其物理力学参数随时间和环境条件变化的演变规律。其次，拟通过试验并结合非线性断裂理论分析FRP筋与珊瑚骨料混凝土之间的短期与长期粘结性能和界面破坏机理，明确界面粘结参数的边界效应及其随时间和环境条件变化的演变规律。利用上述研究成果开展考虑界面粘结滑移的FRP筋珊瑚骨料混凝土受弯构件非线性分析，并结合试验进行验证，初步提出该种构件的设计方法。上述研究的完成，将解决海洋环境下FRP筋珊瑚骨料混凝土的主要科学和工程问题，为该新型结构的使用提供坚实的理论基础。

随着我国深远海岛礁建设的不断推进，原材料的远途运输问题日益凸显。若采用海水代替淡水、珊瑚骨料代替传统粗细骨料、FRP筋代替钢筋，从而发展出一种全新的混凝土结构，并具有降低海岛工程造价的优异性能。该结构中混凝土材料在长期海洋环境下的耐久性能、FRP筋与混凝土之间的短期与长期粘结性能及构件的设计方法亟待研究，以符合工程建设的要求。鉴于此，本项目围绕海水珊瑚骨料混凝土，对其基本力学性能、断裂性能、与FRP筋粘结性能以及FRP筋混凝土梁抗弯性能开展工作。首先，通过试验分析了不同环境、不同龄期条件下珊瑚骨料混凝土的抗压性能、抗拉性能、抗渗能力以及收缩特性，并在此基础上确定了珊瑚骨料混凝土合理配合比。其次，明确了不同环境、不同龄期条件下珊瑚骨料混凝土的断裂机理。基于边界效应理论，考虑了材料的非均匀性与非连续性，确定了珊瑚骨料混凝土真实的拉伸强度、断裂韧度和断裂能。第三，通过试验研究了不同环境、不同龄期条件下FRP筋与珊瑚骨料混凝土粘结性能，分析了筋材种类、表面类型、粘结长度等因素的影响，明确了界面粘结破坏机理。进而，考虑界面区域的非均匀性与非连续性，提出了确定界面真实粘结强度与断裂能的计算模型。最后，结合试验对FRP筋混凝土梁抗弯破坏全过程的分析，提出了区域约束技术在受压区混凝土中的应用。结果表明，正常环境下60d后珊瑚骨料混凝土性能趋于稳定。海水浸泡与潮汐环境下，混凝土抗压强度与弹性模型呈现一定程度下降，但拉伸强度、断裂韧度与断裂能均有所提高。海水浸泡条件下FRP筋与珊瑚骨料混凝土粘结强度在180d内呈上升趋势，但潮汐环境下界面粘结性能降低。此外，将区域约束技术应用于FRP筋混凝土梁中，显著提高了梁的承载能力，且破坏形式实现了由脆性破坏转变为延性破坏。本项目已完成的工作将解决海洋环境下FRP筋珊瑚骨料混凝土的主要科学和工程问题，为该新型结构在实际工程中的安全服役提供坚实的理论基础。