海洋风环境下超高性能混凝土材料及结构的性能与破坏机理

Ultra super performance concrete is an ultra high strength concrete base material with super toughness and excellent durability. This projects aims on analysis of ultra super performance steel enforced concrete under marine wind environment. Based on micro-scale research on crack propagation in concrete matrix and the corrosion property under marine environment, the chemo-thermo-mechanical coupled constitutive relation is established considering micro-damage property, and the effective damage model is obtained by energy equivalent method. By developing multi-scale computational method, the dynamic behavior of the ultra-super performance concrete under marine wind environment, including dynamic response, crack propagation, impacting damage, fatigue crack and etc. Finally, a series of experiments are conducted to calibrate and demonstrate the established coupled constitutive relation and dynamic analytical method. This research will enrich and develop the multi-scale mechanics, and provide theoretical foundation for optical design of ultra super performance concrete material and structure as well as reliability evaluation. The fruits by this project are of great value on theoretical analysis and engineering application.

超高性能混凝土（USPC）是一种具有高韧性和优异耐久性的超高强水泥基材料。本项目以海洋风环境下的超高性能钢筋混凝土材料为研究对象，首先基于细观尺度混凝土基体的裂纹分析和海洋环境腐蚀特性研究，建立考虑细观损伤特性的热-力-化学耦合本构模型，由此采用能量等效方法建立其宏观等效损伤模型；通过发展多尺度计算方法，研究超高性能混凝土在海洋风环境下的动力学行为，包括动态载荷作用下的动态响应、裂纹扩展、冲击破坏、疲劳断裂等力学性能；最后实验测试验证和修正本项目所建立的耦合本构模型和动力学分析方法。本项目的工作将丰富和发展多尺度力学，为超高强混凝土材料及其结构的优化设计，可靠性评定提供理论依据，具有重要的理论意义和工程应用价值。

超高性能混凝土（USPC）是一种具有高韧性和优异耐久性的超高强水泥基材料。本项目以海洋风环境下的超高性能钢筋混凝土材料为研究对象，对其结构破坏机理进行了系统的研究。（1）基于细观力学理论建立了超高性能混凝土轴压本构模型，构建了细观材料属性与UHPC宏观等效性能之间的对应关系，分析了钢纤维弹性模量、掺量和长径比等细观各因素对UHPC等效力学特性的影响，并设计了不同钢纤维掺量的UHPC单轴受压试验，探究了钢纤维掺量对UHPC抗压本构关系及力学性能的影响。试验结果表明：纤维掺量为2%时，其增强效果最佳；混凝土开裂时钢纤维的桥联作用显著增强了UHPC的韧性：（2）利用有限元模拟技术，研究了钢纤维体积掺量、种类和长径比对UHPC抗压本构关系和力学性能的影响，数值模拟结果表明，有限元模拟方法能准确预测 UHPC的相关力学性能，进一步地，研究了UHPC材料及其结构在受弯和单轴受压情况下的破坏行为，结果表明钢纤维掺量的提高，可以有效地减缓UHPC的受压损伤程度；（3）利用声发射技术，在细观层次上探究了UHPC内部裂纹的发展和损伤演变过程，建立了基于声发射累计能量的UHPC损伤演化模型，探究了UHPC的抗弯性能和损伤性能，定性分析了UHPC三点弯曲全过程的损伤演化与声发射参数之间的关系；（4）基于理论分析与数值模拟研究了超高性能混凝土力学和化学耦合行为，分析了氯离子侵蚀环境下超高性能混凝土的损伤破坏机理。发现靠近表面氯离子浓度的一侧，弹性模量退化明显，峰值应力起初增长较快，随后增长较为缓慢；（5）基于相场模型研究了钢纤维增强混凝土材料的断裂行为，探讨了钢纤维含量对纤维增强混凝土内在非均质性对裂纹萌生和扩展的影响，数值模拟反演了在实验中观察到局部损坏、局部裂纹分叉和裂纹弯曲现象，研究结果表明，钢纤维在一定程度上延迟了混凝土基体中的裂纹扩展，改善了混凝土的承载能力和延展性。本项目研究成果为超高强混凝土材料及其结构的优化设计，可靠性评定提供理论依据，具有重要的理论意义和工程应用价值。