碱骨料反应作用下界面过渡区演化及其诱导混凝土宏观力学特性劣化

The study of the mechanical degradation of concrete caused by the alkali-silica reaction (ASR) is a lastingly standing issue for reasonably estimating and evaluating the stability and the safety of concrete structures. The interphase zone as an important microstructure in concrete, whose properties is closely related to the ASR, has crucial effect on the overall mechanical properties of concrete. For this end, this project will firstly describe the evolution of the microstructure characteristics of interphase zone during the process of ASR by microscope techniques, and establish an interface mathematical model by the micromechanical method and the geometric replacement scheme which describes the microstructure characteristics of interphase zone. Secondly, on this basis, the mathematical model describing the effective interface-effects properties of concrete will be established by the nonlinear micromechanical method. In the same time, in the framework of the eXtended Finite Element Method (XFEM), the corresponding program will be compiled. Consequently, these obtained results will be used for describing the relationship between the ASR and the mechanical degradation properties of concrete. Finally, through mechanical properties tests of concrete, the inversion analysis will be applied to determining material parameters and verifying the rationality analysis of these established mathematical model. Accordingly, this research will enhance the understanding of the mechanism of the mechanical properties degradation of concrete in alkaline corrosion environment, improve the safety of concrete structures and avoid potential disasters.

碱骨料反应作用下混凝土力学特性劣化规律是碱环境条件下混凝土结构长期稳定性、安全性评估等科学研究的重要内容之一。混凝土界面过渡层作为混凝土重要的微观结构，其力学特性与碱骨料反应密切相关，并对混凝土宏观力学特性有着至关重要的影响。为此，项目首先将基于材料微观特征观测技术，探究碱骨料反应过程中界面过渡区微观结构变化规律，并运用细观力学均匀化方法和几何替代方法，建立描述微观特征的界面过渡区力学特性模型，揭示碱骨料反应过程中界面过渡力学特性演化规律；其次，在此基础上，运用非线性细观力学均匀化方法建立混凝土宏观特性界面效应理论模型，同时在扩展有限元框架下编译相应的计算程序，从而阐明碱骨料反作用下混凝土力学特性质劣化的内在机制；最后，通过力学性能实验研究，进行反演分析确定模型参数并进行模型合理性分析。项目研究成果将有助于加深对碱环境下混凝土力学特性劣化机制的理解，从而提高混凝土结构安全和避免工程灾害。

碱骨料反应作用下混凝土力学特性劣化是碱环境条件下混凝土结构长期稳定性、安全性评估等科学研究的重要内容之一，也是海洋环境作用下港口、海岸及近海混凝土结构工程最重要的病害问题之一。混凝土材料是典型的复合材料，界面过渡层作为混凝土重要的微观结构，并对混凝土宏观力学特性有着至关重要的影响。因此，本项目围绕混凝土材料界面效应问题，结合理论和数值方法展开了比较系统的研究工作，具体研究内容主要包括三部分：（1）混凝土材料界面腐蚀损伤模型。本项目基于几何替代思想，通过严格的数学推导，建立了界面腐蚀损伤模型，阐述了界面模型参数与界面过渡区几何特性的相互关系。（2）复合材料界面效应理论建模。本项目基于能量等价进行非完美界面的等效替代，运用细观力学均匀化方法给出混凝土界面腐蚀损伤下的宏观力学解析形式，描述了界面腐蚀损伤对混凝土材料宏观特性影响规律。同时，对钢筋混凝土等复合材料，研究团队结合Shear-lag基本假设，开展短纤维复合材料非完美界面对复合材料位移场和应力场影响的解析研究。（3）复合材料界面效应数值仿真。扩展有限元方法对界面问题几何网格划分没有依赖性，很好的处理几何形状比较特殊的问题，因此在扩展有限元方法框架下，我们对复合材料宏观特性界面效应进行数值模拟。同时，为了提高计算效率和保证计算精度，只对界面和裂纹区域进行网格加密，并结合扩展有限元方法和多尺度方法，进行复合材料界面失效和裂纹扩展数值仿真研究。研究团队基于用Matlab和python编译语言成果研发了界面失效和裂纹扩展计算程序，并成功的应用于模拟混凝土等复合材料宏观特性劣化行为。这三部分工作进一步完善了复合材料界面特性的理论模型和界面效应数值模拟方法，为混凝土等复合材料耐久性研究提供了必要的支持。在这项目的支持下，研究团队在国际期刊上发表SCI论文7篇，另外在审4篇；获省部级二等奖1项（排名第三）。