生物质绿色复合材料-混凝土组合结构的力学性能与设计方法研究

This project aims to study the mechanical properties and design methods of bio-based fiber reinforced plastic (bio-FRP) and concrete composite structures, which are caused by the large amount of non-renewable resources consumed by civil engineering structures. Firstly, the bio-FRP composites are prepared by the rosin resin and flax fiber. The preparation and modification methods, mechanical properties, durability under the hygrothermal and freeze-thaw cycle condition of bio-FRP composites are investigated. Then, the interfacial microstructural model between flax fiber and rosin resin are established. Secondly, aiming at the unique nonlinear stress-strain relationship of the rosin resin, flax fiber and bio-FRP composites, the mechanical properties, failure mode failure and ultimate strength of the bio-FRP and concrete composite structures are researched. The bond-slip model between the bio-FRP composites and concrete are established, and finally, the design and analysis methods of bio-FRP and concrete composite structures are proposed. The research achievements of this project will lay the theoretical and design foundations of the bio-FRP composites in the civil engineering. There have some important scientific significance and practical values to develop the green and sustainable structures.

针对土木工程结构消耗大量不可再生资源而严重影响社会可持续发展的问题，本项目拟研究生物质绿色复合材料与混凝土组合结构的力学性能与设计方法。首先，以松香树脂和亚麻纤维制备生物质绿色复合材料，研究生物质绿色复合材料的制备及改性工艺、力学性能、湿热以及冻融循环下的耐久性能，建立亚麻纤维与松香树脂的界面细观力学模型，揭示纳米颗粒材料对亚麻纤维单丝力学性能及其与松香树脂界面粘结性能的影响机理；然后，针对生物质材料（松香树脂、亚麻纤维）以及生物质绿色复合材料独特的非线性应力-应变关系，研究生物质绿色复合材料-混凝土组合结构的力学性能、破坏失效模式和极限强度，建立生物质绿色复合材料-混凝土界面粘结滑移力学模型，提出生物质绿色复合材料-混凝土组合结构的设计与分析方法。本项目的研究成果将为生物质绿色复合材料在土木工程中的应用奠定坚实的理论与设计基础，对发展绿色可持续土木工程结构具有重要的科学意义和实用价值。

针对土木工程结构消耗大量不可再生资源而严重影响社会可持续发展的问题，本项目拟研究生物质绿色复合材料与混凝土组合结构的力学性能与设计方法。首先，以松香树脂和亚麻纤维制备生物质绿色复合材料，研究生物质绿色复合材料的制备及改性工艺、力学性能、湿热以及冻融循环下的耐久性能，建立亚麻纤维与松香树脂的界面细观力学模型，揭示纳米颗粒材料对亚麻纤维单丝力学性能及其与松香树脂界面粘结性能的影响机理；然后，针对生物质材料（松香树脂、亚麻纤维）以及生物质绿色复合材料独特的非线性应力-应变关系，研究生物质绿色复合材料-混凝土组合结构的力学性能、破坏失效模式和极限强度，建立生物质绿色复合材料-混凝土界面粘结滑移力学模型，提出生物质绿色复合材料-混凝土组合结构的设计与分析方法。研究结果表明，表面接枝纳米TiO2方法有效地改善了亚麻纤维单丝的力学性能及其与松香树脂的界面粘结性能，纳米TiO2的最优接枝含量为2.34%左右；表面接枝纳米TiO2降低了亚麻纤维表面的缺陷程度，同时在亚麻纤维与环氧树脂之间形成了纳米增强环氧树脂复合材料层，充分发挥了纳米TiO2的增强作用；亚麻纤维表面接枝处理方法能提高亚麻纤维复合材料的力学和界面性能，且亚麻纤维复合材料的性能与处理方法和制备工艺参数有密切的关系，如亚麻纤维布表面纳米TiO2的最优接枝含量为2.34%，亚麻纤维的纳米接枝改性（如纳米TiO2接枝）是制备高性能亚麻纤维复合材料的有效途径；亚麻纤维布加固后，钢筋混凝土梁的承载力与跨中极限挠度大幅度提高，且纳米TiO2接枝改性亚麻纤维布的增强效果大于未改性的亚麻纤维布；加固后钢筋混凝土梁的抗剪承载力与亚麻纤维布的配箍率有良好的线性关系，且能够准确计算亚麻纤维布加固钢筋混凝土梁的抗剪承载力。本项目的研究成果将为生物质绿色复合材料在土木工程中的应用奠定坚实的理论与设计基础，对发展绿色可持续土木工程结构具有重要的科学意义和实用价值。