海洋环境下FRP筋海砂混凝土结构性能劣化机理及其耐久性计算研究

Corrodible steels and increasingly depleted river sand resources cannot efficiently support the rapid development of marine engineering. The combination of corrosion-resistant fiber reinforced composite (FRP) bars and abundant sea sands can provide an ideal solution to the above problem. However, the long-term durability of this new combination is still unclear. To break this bottleneck, Durability tests combining short-term acceleration with natural exposure, and predictive analysis are adopted in this project. The aim is to reveal the microscopic degradation mechanism of FRP bars reinforced sea-sand concrete structures in the marine environment and to establish a durability calculation method based on the marine corrosion environment zoning concept. The research focuses on three aspects: 1) Experimental study on the degradation law and the deterioration mechanism of FRP bars reinforced sea-sand concrete structure in the marine environment; 2) Research on the accurate long-term performance prediction model of FRP bar itself and its bond with sea-sand concrete considering the influence of “multi-factor”; 3) Study on the durability calculation of FRP bars reinforced sea-sand concrete structure based on the marine corrosion environment zoning concept. The research results of this project can contribute to the accelerated application of the new FRP bars reinforced sea-sand concrete structure and the improvement of the corrosion resistance of the world's marine infrastructure.

易腐蚀的钢材和日益枯竭的河砂资源无法高效支撑海洋工程的快速发展，将耐腐蚀纤维增强复合材料（FRP）筋与储量丰富的海砂组合使用可为上述问题的解决提供一条理想途径，但目前对该新型组合形式的长期耐久性能还认识不清。为突破这一瓶颈，本项目采取短期加速-自然暴露一体化耐久性试验研究和预测分析研究相结合的方法，力求揭示FRP筋海砂混凝土结构在海洋环境下的微细观劣化机理，并建立基于海洋腐蚀环境分区理念的耐久性计算方法。研究聚焦于三个方面：1）海洋环境下FRP筋海砂混凝土结构性能退化规律及劣化机理试验研究；2）考虑“多因素”影响的FRP筋及其与海砂混凝土黏结长期性能精准预测模型研究；3）基于海洋腐蚀环境分区理念的FRP筋海砂混凝土结构耐久性计算研究。项目研究成果可为FRP筋海砂混凝土新结构形式的加速应用和世界海洋基础设施耐腐蚀性能的提升做出贡献。

钢材腐蚀是影响基础设施耐久性的最主要因素之一，已经成为世界性难题。据统计，美国90%钢筋混凝土海港设施寿命仅为7-25年，每年损失约6000亿。纤维增强复合材料（FRP）是被公认为能够合理替代钢材，提升结构耐久性能的材料。此外，近年来，我国沿海发达地区的河沙资源日益紧缺，全球正面临沙子短缺危机！我国具有储量丰富的海砂资源，发展“新型FRP海砂混凝土结构”对经济社会发展具有重要意义。本项目系统研究揭示了海洋环境下FRP筋海砂混凝土结构耐久性劣化机理；研发了内掺废弃FRP短棒和废弃玻璃骨料的两类新型低碳海砂混凝土材料，并揭示了低碳海砂混凝土与FRP管/筋组合应用的受力机理；建立了FRP筋海砂混凝土结构性能提升新方法。.研究表明，对于BFRP筋作为受拉纵筋的全FRP配筋梁，由于破坏模式的转变，海水浸泡环境下的极限承载力出现了较为明显的退化，在9个月龄期时，极限承载力为对比组的79%；采用CFRP筋作为受拉纵筋的全FRP配筋梁，其在海水浸泡环境下的损伤程度要明显大于海水干湿循环环境下，在9个月浸泡龄期组，承载力降为对比组的70%；SFCB梁的长期性能表现的最为稳定，在9个月浸泡龄期下，由于SFCB力学性能的退化，极限承载力最多出现了11%的降低；随着玻璃骨料替代率的增加，海砂混凝土的抗压强度逐渐降低。与普通碎石混凝土相比，用100%玻璃骨料配制的海砂混凝土的抗压强度降低了38%，但仍大于30 MPa。采用U型UHPC永久模壳可以提升试验梁的开裂荷载、极限荷载、极限位移和耗能能力。其中，对于开裂荷载和耗能能力的提升相对来说更为显著一些，分别为70%和24%。岛礁及其周围海域蕴藏着丰富的渔业、旅游、港口及矿产等资源，我国广阔海域的岛礁工程建设需求迫切。“新型FRP海砂混凝土”组合应用的新模式将突破海洋环境下基础设施建设原材料匮乏和服役期耐久性差的瓶颈问题，有力支撑未来我国沿海基础设施、岛礁基础设施的建设。