考虑混凝土内部环境的GFRP筋-混凝土界面粘结耐久性能多尺度研究

It is unavailable to predict the degradation of the bond between GFRP bar and concrete. It is attributed to the differences of relative humidity and hydroxyl concentration in the interfacial zone between accelerated conditioning and natural environment conditions. The present project aims to establish the model of relative humidity and hydroxyl concentration in the interfacial zone under the typical environment experimentally and theoretically. The degradation mechanism of the GFRP bar is investigated with the varied relative humidity and hydroxyl concentration by multi-scale experiment and simulation. The 3-dimensional finite element model of bond between GFRP bar and concrete with the ions diffusion is modelled. The effects of the micro-meso degradation of GFRP bar on the evolution of bond between GFRP bar and concrete is studied. The bond stress-slip relationship between GFRP bar and concrete is proposed. The proposed prediction method of the long-term durability for GFRP bar-concrete beam considers the influence of the degradation of the interface bond between GFRP bar and concrete. The expected research results develop the design method of the durability of the concrete structure reinforced with GFRP bar, and promote its application in the harsh environment. The project possesses a significance in both theory study and application.

针对实验室加速浸泡环境与服役混凝土结构内GFRP筋-混凝土界面区环境（即影响界面粘结退化的湿度与氢氧根浓度）有较大差异，导致无法准确预测实际服役结构的界面粘结耐久性能问题，本项目拟通过试验研究与理论分析，建立典型服役环境（海水浸泡、盐雾及湿热环境）下GFRP筋-混凝土界面区湿度与氢氧根浓度的计算模型；通过多尺度试验与模拟方法，研究不同界面区湿度、氢氧根浓度下GFRP筋微-细尺度性能劣化机理，建立GFRP筋长期性能演化模型；构建考虑离子扩散的GFRP筋-混凝土界面粘结三维有限元模型，揭示GFRP筋性能劣化对GFRP筋-混凝土界面粘结性能的影响机理，建立GFRP筋-混凝土界面粘结-滑移模型，提出实际服役环境下考虑界面粘结退化的GFRP筋增强混凝土梁的长期性能预测方法。本项目预期研究对发展GFRP筋增强混凝土结构耐久性能设计理论，推动其在恶劣环境下的工程应用，具有重要的理论意义和实用价值。

GFRP筋混凝土结构的性能有赖于良好的GFRP筋-混凝土界面粘结。玻璃纤维、树脂基体易受到碱溶液（混凝土内孔溶液）侵蚀，因此，探明碱溶液对玻璃纤维、GFRP筋以及GFRP筋-混凝土界面粘结性能的影响规律与机理，有助于进一步推动GFRP筋混凝土结构发展与应用。本项目通过物理试验、数值模拟和理论推导相结合的研究方法，研究环境温度、碱溶液pH值对玻璃纤维、GFRP筋及其与混凝土界面粘结性能的影响。研究腐蚀溶液下玻璃纤维退化规律与机理。纤维表面上浆剂分解和纤维刻蚀导致纤维力学性能退化。研究玻璃纤维劣化与GFRP筋性能演化的关系，并探寻GFRP筋长期力学性能计算公式。明确了混凝土内碱度是影响GFRP筋力学性能劣化的关键因素，玻璃纤维力学性能退化规律与GFRP筋力学性能退化一致，但玻璃纤维性能劣化比GFRP筋严重；获得了不同pH值碱溶液下GFRP筋吸湿行为，建立了以吸湿率为关键参数的GFRP筋长期层间剪切性能计算公式；研发GFRP筋耐久性提升技术。基于GFRP筋劣化机理认识，研制碳-玻璃纤维混杂筋（HFRP筋），基于阿伦乌尼斯理论预测，在4°C强碱、盐碱溶液下，HFRP筋服役寿命比GFRP筋分别可提升了28%和12倍。研究腐蚀环境下GFRP筋-/HFRP筋-混凝土界面粘结劣化规律与机理。建立了腐蚀溶液下GFPR筋-混凝土界面粘结劣化公式，并修正了现有的FRP筋-混凝土界面剪切应力-滑移模型，提高了GFRP筋-，BFRP筋-和HFRP筋-混凝土界面粘结-滑移本构模型精度。