亚麻纤维复合材料混凝土组合结构性能与设计方法研究

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，本项目拟研究绿色亚麻植物纤维复合材料与混凝土组合结构的性能与设计方法。首先，研究亚麻纤维增强环氧树脂复合材料的制备工艺、力学与耐久性能（加速试验和自然环境），揭示其土木环境下的长期性能退化规律与机理，给出实验室加速耐久性能与自然环境下耐久性能的等效关系及其分析方法；针对亚麻纤维复合材料独特的非线性应力-应变关系，研究亚麻纤维复合材料-混凝土组合梁/组合桥墩的极限强度、破坏失效模式和耐久性能，建立亚麻纤维复合材料-混凝土界面的粘结滑移力学模型，提出评价与预测亚麻纤维复合材料-混凝土组合梁/组合桥墩长期服役性能的加速试验方法，研究亚麻纤维复合材料-混凝土组合梁/组合桥墩的强度计算公式和极限状态失效准则，并给出上述两种组合构件的设计方法。本项目将为绿色植物纤维复合材料在土木工程领域的创新性应用奠定理论与设计基础。

本项目系统研究了绿色亚麻纤维复合材料与混凝土组合结构的性能与设计方法。首先，基于植物纤维复合材料力学性能较低、耐湿热性能较差等问题，研究了通过对植物纤维改性、树脂纳米填充等方法提高植物纤维复合材料力学性能及其与耐湿热性能的方法与机理，创新性地提出并实现了在植物纤维表面接枝各种纳米粒子，通过表面接枝有效提高了植物纤维的拉伸性能、纤维-树脂粘结性能及耐湿热性能；树脂基体填充碳纳米管等也可以有效提高复合材料的力学性能。其次，系统研究了植物纤维复合材料在湿热环境、浸泡环境及交变湿热环境下的长期性能演化规律，结果表明，植物纤维复合材料吸水率高（如浸泡下饱和吸水率能够达到10%），并导致其性能快速退化，其中，植物纤维复合材料的模量对湿热性能更为敏感。大量水分的吸收导致纤维-树脂界面脱粘是导致植物纤维复合材料耐湿热性能差的主要因素。最后，利用植物纤维制备了植物纤维复合材料-混凝土柱（墩）及植物纤维复合材料-混凝土梁，系统研究了其力学性能及其破坏模式，研究表明，植物纤维复合材料能够与混凝土柱/梁共同作用，其力学性能得到大幅度提高，特别是植物学纤维复合材料具有非线性特征，其组合梁柱具有不同于传统纤维复合材料-混凝土构件的特殊力学性能，如亚麻纤维布-混凝土柱具有更大的抗压变形。.尽管本项目的研究表明，植物纤维复合材料能够用于与混凝土的组合构件（如梁柱），但为进一步实现植物纤维复合材料在土木工程结构中的应用，需要通过纤维、树脂改性等手段，大幅度提高植物纤维复合材料的耐湿热性能，以满足土木工程结构面临的恶劣服役环境要求。