海工预应力混凝土结构耐久性能提升技术与设计理论研究

It has important economic and strategic significance to enhance the durability of marine pre-stressed concrete due to its wide application range and harsh service environment. However, the relative systematic research on this topic is less up till the present moment. Based on the theory of system holism and the basis of existing research results of the applicant and our team, the following research work will be conducted to enhance the overall durability, which will take into account the characteristics of marine pre-stressed concrete structure materials. Using the Nano materials as the main modified materials, the preparation and testing methods for new types of repair materials (such as internal curing, self-healing, and corrosion inhibition steel bar et al. ), which is suitable for the maintenance and repair of marine pre-stressed structures (such as anti-chloride ion erosion), was investigated. Based on the theory of micro mechanics and morphology, the forming mechanism and influencing factors will be discussed. The theory and methods for improving the overall durability of marine pre-stressed concrete structures (such as high strength concrete and steel bar (especially pre-stressed reinforcement) et al.) and the whole structure will be investigated. The life cycle management framework for maintaining and improving the durability of marine pre-stressed structures will be constructed. Combined with the typical case of the proposed Lianyungang port, the application of the method to enhance the durability of the project will be studied. The expected results will provide reference for the improvement of concrete(RC/PC) structure durability theory.

海工预应力混凝土结构应用范围广，使用环境恶劣，提升其耐久性能，具有重要的经济与战略意义。目前相关的系统研究鲜有报道。本课题拟基于系统整体论的理念，在申请人及其团队已有研究成果的基础上，综合考虑海工预应力混凝土结构组成材料的各自功能特点，围绕其整体耐久性能的提升，拟着重开展以下研究工作：以纳米材料为主要改性材料，开展适合海工预应力结构特点（如抗氯离子侵蚀等）的新型修复材料（包括内养护、自修复、钢筋阻锈等材料）的制备工艺与试验方法研究；以细观力学、形态学等理论为基础，探讨其耐久性能提升的形成机理、影响因素；探索海工预应力混凝土结构的组成材料（高强混凝土、钢筋（尤其是预应力筋）等）及整体结构耐久性能提升的设计理论与方法；构建海工预应力结构耐久性能维护与提升的全寿命管理框架；结合连云港港口工程等典型案例，开展其耐久性能提升设计方法的应用研究。预期的相关成果将为混凝土结构耐久性理论的完善提供参考。

本项目基于系统整体论的理念，综合考虑海工预应力结构组成材料的各自功能特点，以纳米材料为主要改性材料，围绕其整体耐久性能的提升，开展适合海工预应力混凝土结构特点（如抗氯离子侵蚀等）的修复材料（包括内养护剂、自修复剂、阻锈剂等，以下简称修复材料）的制备工艺、试验方法及机理分析，主要研究成果如下：1）探索了纳米材料改性SAP内养护技术对海工预应力混凝土力学性能及耐久性能的影响机理；2）提出了适用于海工预应力混凝土结构的微胶囊、纳米改性渗透结晶材料以及微生物诱导碳酸钙沉淀三种自修复技术；3）探讨了迁移型阻锈剂材料在海工混凝土中的迁移性能、阻锈性能以及防护机理；4）系统研究了石墨烯纳米片和氧化石墨烯对水泥基材料的水化作用、力学性能以及耐久性能的影响；5）选取机制砂、再生骨料等特殊原材制备海工混凝土，通过纳米改性技术提升其力学性能、工作性能及耐久性能；6）借助微观测试、细观模拟、宏观试验手段，系统探讨了修复材料对海工预应力混凝土耐久性能提升的形成机理及影响因素；7）基于海工预应力混凝土结构劣化机理，建立了不同阶段的腐蚀模型及耐久性极限状态方程；建立了海工混凝土结构维护管理框架，主要包括了耐久性评估、耐久性指标的检测以及维护策略；建立了以耐久性指标作为二级指标的双层模糊综合评价模型，并通过模糊层次分析法得到权重，进而对维护框架进行优化，为海工预应力混凝土耐久性能提升寻求最优方案奠定基础；8）以连云港码头实际工程为例，结合课题组长期检测数据以及国内外文献，得到符合连云港码头环境的腐蚀起始阶段的模型参数的统计特性。对连云港码头实例进行了定性的耐久性评估，与实际检测的外观状况相符，验证了多层次模糊综合评价模型的可用性以及维护管理框架的实用性。通过此项目研究工作，课题组共培养了4位博士生、19位硕士；发表学术论文24篇（含录用7篇），其中SCI检索2篇、EI检索2篇；申请专利6项，其中发明专利1项，授权实用新型专利5项。在此项目牵引下成功申报了国家自然科学基金项目1项、市厅级科技计划项目1项，项目主持人获中国产研学合作创新奖1项。