海洋环境下纤维混凝土与既有混凝土的粘结性能及其计算模型

Due to the severe marine environment, the premature deterioration is of great concern. Nevertheless, for the deteriorative concrete structures repaired by normal materials, the cracking and spalling usually occur when the bond interface is subjected to the marine environment of seawater corrosion and fatigue load. To overcome these drawbacks, the high performance fiber concrete is considered to be used as the repair material. With the consideration of various parameters such as fiber volume fraction, fibers hybrid ratio, period of erosion, and characteristic parameter of fatigue, the bond behavior between fiber concrete and existing concrete subjected to the coupling environment of seawater corrosion and fatigue load will be investigated. The degradation models on the bond strength, bond-slip constitutive relation and the bond fracture toughness will be proposed by using the elastic-plastic mechanics, fracture mechanics, damage mechanics and the nonlinear finite element method (FEM). The fatigue life prediction model will also be proposed after the discussion of fatigue damage criterion and the failure mode. The degradation and damage mechanisms of the bond interface will be revealed by using the micro phase analysis technology. The expected research results can enrich the calculation theory of the bond behavior between fiber concrete and existing concrete, also can help to promote the application of fiber concrete in the retrofitting of marine concrete.

苛刻的海洋环境使混凝土结构病害问题过早产生，采用普通修补材料修复的混凝土结构在海洋环境中的海水侵蚀和疲劳荷载作用下，易出现修补粘结面的开裂及脱落等问题。为此，本项目将综合性能优异的纤维混凝土作为修补材料，以纤维体积率与不同纤维混杂比例、侵蚀时间和疲劳特征参数为试验参数，研究纤维混凝土与既有混凝土在海水侵蚀和疲劳荷载耦合作用下的粘结性能。基于弹塑性力学、断裂力学及损伤力学理论和非线性有限元数值模拟，提出粘结强度、粘结应力滑移本构关系和粘结断裂韧度退化模型；探讨粘结疲劳损伤准则和失效模式，提出粘结疲劳寿命预测模型；结合微观物相分析技术，揭示粘结界面的侵蚀劣化和损伤机理。预期成果可丰富海洋环境下纤维混凝土与既有混凝土粘结性能计算理论，推动纤维混凝土在海洋混凝土修补工程中的应用。

纤维水泥基材料具有良好的力学和耐久性能，是海洋侵蚀及复杂力学条件下的潜在修补材料。本项目提出了早强快硬纤维增强磷酸镁砂浆、高延性纤维增强磷酸镁水泥砂浆、多端钩型钢纤维增强混凝土、混杂纤维增强水泥砂浆等修补材料。本项目主要围绕以下两方面开展研究工作：（1）修补用水泥基材料的力学性能优化；（2）海洋环境下修补用水泥基材料与混凝土的粘结性能及其计算方法。具体工作如下：（1）针对早强快硬磷酸镁水泥砂浆，分析了纤维类型、纤维体积率、纳米材料替代率、水浸泡周期等参数对其力学性能的影响，提出了优化的磷酸镁水泥砂浆配合比设计和强度计算方法，验证了其良好的水稳定性，可满足海水环境下的强度要求；（2）对高延性磷酸镁水泥砂浆进行了配合比优化，使其具备较高的抗裂、能量吸收及低温硬化能力，并提出了能充分反映该材料挠度硬化特性的计算与评价方法；（3）采用新型的多端钩型钢纤维制备高性能混凝土，提出并改进了考虑基体强度和钢纤维参数的弯拉强度计算方法，为相关规程完善提供参考；（4）利用钢-PVA纤维制备了混杂纤维水泥砂浆，通过对混杂纤维水泥砂浆与混凝土粘结性能试验，提出了考虑钢-PVA纤维掺量和基体强度的粘结强度计算模型；（5）分析了粘结界面不同位置处的应力应变分布，提出了考虑粘结断裂能和粘结滑移特征的粘结滑移本构关系模型；（6）分析了海水循环下粘结界面的水化特性及微细观特征，并探讨了动静态荷载下界面粘结损伤演化及强度发展规律，完善了海洋环境下混杂纤维水泥砂浆与混凝土粘结相关的理论体系。