荷载与环境耦合作用下FRP-混凝土界面退化机理的多尺度研究

Externally bonding fiber reinforced polymer (FRP) has been applied to strengthen and/or retrofit concrete structures with the great economic and environmental benefits, such as: cost saving, shortened construction period and free of environmental pollution caused by demolition. The FRP-concrete interface is critical to the integrity of FRP strengthened concrete system. However, the interface is under the coupled effect of various loading and environmental factors in service, and the deterioration mechanism of interface is still not clear and its durability is difficult to assess. These problems hinder the performance evaluation and service life prediction of FRP strengthened concrete elements. In order to tackle above issues, a series of research work is comprehensively conducted as follows. Firstly, the macroscale creep and fracture behaviors of FRP-concrete interface under the coupled effect of loading and coastal environmental factors are experimentally studied. Then, the multi-scale physical deterioration and chemical corrosion mechanisms of FRP-concrete interface behind the coupling effect are revealed through molecular dynamics simulation in microscale and experimental characterization in mesoscale. Finally, the deterioration model of interfacial fracture energy under the coupled effect is built, and the corresponding interfacial failure criterion is proposed. The research work in this project is of great theoretical and engineering practical significance for evaluating the service performance of FRP strengthened concrete elements in coastal environment, improving its degradation resistance, refining its durability assessment method, as well as ensuring the safety of FRP strengthened structures.

外贴纤维增强复合材料（FRP）加固维护混凝土结构有利于节约成本、缩短工期和避免拆除引起的环境污染，具有可观的经济和环境效益。FRP-混凝土粘结界面对FRP加固混凝土结构完整性至关重要，然而在服役过程中，界面受到荷载与环境等多重因素耦合作用，退化机理尚未明确，界面耐久性难以评估，成为制约FRP加固混凝土构件耐久性评价及服役寿命预测的瓶颈。针对以上问题，本项目展开以下研究：考虑荷载与滨海环境多因素耦合，试验研究FRP-混凝土界面在耦合作用下的宏观徐变和断裂性能；借助微观分子动力学模拟及纳米压痕等手段，探索界面在多损伤因素耦合作用下物理退化与化学腐蚀的多尺度机理；建立耦合作用下FRP-混凝土界面退化模型，并提出对应的界面失效准则。该研究对于评估真实滨海环境下FRP-混凝土界面退化程度，提高其耐腐蚀退化能力，完善其耐久性评估方法，保障FRP加固结构的安全具有重要的理论意义和工程应用价值。

纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer，FRP）因其轻质高强的性能，被广泛应用于建筑加固工程中。然而，以树脂为基体的纤维增强复合材料，在海洋环境中容易吸水发生膨胀裂解，导致结构提前失效。真实海洋服役环境中，荷载及环境等多重因素的侵蚀作用会加速FRP加固混凝土结构的劣化。目前，FRP加固混凝土结构中界面的退化机理尚未明确，海洋服役环境下FRP-混凝土界面和FRP加固混凝土构件的性能退化规律仍有待探索。为此，本项目做了以下几个方面研究。本研究设计了FRP-混凝土双剪试件持载装置，研究了荷载与海洋环境多因素耦合作用下FRP-混凝土界面的宏观徐变和断裂性能，分析了界面徐变性能受多因素（荷载、环境因素）影响的基本规律，并对耦合作用后的FRP-混凝土界面样品进行剥离、剪切断裂实验，明确了多侵蚀因素对界面断裂性能及破坏模式的变化规律。结果表明，在耦合作用下，FRP-混凝土界面的破坏模式受荷载水平和服役温度影响，高水平持续荷载及高温会放大结构的缺陷，降低基体的强度；水的存在进一步加速劣化，造成FRP与混凝土之间的粘结强度大幅降低。利用微观分子动力学模拟及微观测试技术，研究了FRP-混凝土界面在多因素耦合作用下界面微观力学性能、粘结性能的变化以及界面区域分子链运动规律，揭示了多侵蚀因素作用下界面的物理退化及化学腐蚀机理。研究发现，潮湿环境下，界面区域的水分子破坏了水化硅酸钙（C-S-H）与环氧树脂之间的相互作用，减少了Ca-O-Ca团簇的形成，且树脂与基底之间的氢键被环氧树脂-水之间的氢键取代，损害了混凝土和环氧树脂在界面间的粘附力。结合分子动力学与微-宏观实验结果，建立了耦合作用下FRP-混凝土界面退化模型，并提出了对应的界面失效准则。本研究有助于量化真实滨海环境下FRP-混凝土界面退化程度，揭示其性能退化规律；并可以针对不同性能退化机理采取对应措施提高FRP加固结构耐久性，延长加固结构服役寿命。