海洋环境下BFRP筋海水海砂混凝土梁耐久性能研究

In view of the long-term durability problem of basalt fiber reinforced polymer (BFRP) bars reinforced seawater and sea sand concrete structures in marine structure, the properties of BFRP bars in concrete, BFRP-concrete interface and BFRP reinforced seawater and sea sand concrete beam will be studied through a comprehensive study of experimental tests, theoretical study and numerical analysis. Based on the achievement in this study, a design method of the durability of seawater and sea sand concrete beams reinforced with BFRP bars will be proposed. Firstly, the effect of alkaline environment on BFRP bars in concrete, and the equivalent relationship between actual marine immersion and laboratory acceleration on the performance of BFRP bars will be studied. Secondly, the effects of concrete cover thickness, diameter of BFRP bars and the bond length on the bond strength, failure mode and bond-slip relationship of BFRP-concrete interface will also be illustrated, and a new calculation model for the bond performance of long-term BFRP-concrete interface based on the deterioration of BFRP bars will be developed. Finally, the long-term performance of BFRP reinforced seawater and sea sand concrete beams will be further evaluated based on the degradation mechanisms of BFRP bars in concrete and BFRP-concrete interface degradations well as finite element analysis results. This study aims to provide further insights for the design and application of BFRP bars reinforced seawater and sea sand concrete structures in marine environment.

针对玄武岩纤维增强树脂基复合筋（BFRP筋）海水海砂混凝土海工结构的长期服役性能问题，本项目拟采用试验测试、理论分析与数值模拟相结合的方法，研究海水海砂混凝土内BFRP筋、BFRP筋-混凝土界面及BFRP筋海水海砂混凝土梁在海洋环境下的性能演化，提出BFRP筋海水海砂混凝土梁的耐久性设计方法。首先，研究混凝土内碱环境对BFRP筋力学性能影响，探索实际海洋暴露与实验室加速环境下BFRP筋退化的等效关系；其次，研究混凝土保护层厚度、BFRP筋直径及粘结长度对界面粘结强度、破坏模式及粘结-滑移关系的影响，建立考虑BFRP筋性能退化的BFRP筋-海水海砂混凝土界面粘结强度计算模型；最后，基于混凝土内BFRP筋及其与混凝土界面粘结退化模型，结合有限元分析与试验验证，明确BFRP筋海水海砂混凝土梁的长期性能演化规律。本研究将为BFRP筋海水海砂混凝土结构在海洋环境下的设计与应用提供理论基础与决策支撑。

纤维增强复合材料（FRP）具有优异的耐氯离子腐蚀特性，被认为是海洋结构工程中替代钢筋的理想材料，使原生态海水海砂混凝土用于工程建设成为一种可能。然而，混凝土内的强碱性环境会使FRP的长期性能退化，导致FRP增强海水海砂混凝土结构的长期服役性能差。由于氯离子、硫酸根离子侵蚀会导致混凝土内部碱环境变化，现有研究采用恒定pH值的碱溶液来模拟混凝土中FRP筋的性能退化与真实情况具有较大差异。玄武岩纤维（BFRP）筋是一种新型的环保绿色高性能无机材料，在土木工程中具有广泛的应用前景。因此，本项目采用试验测试、理论分析与数值模拟相结合的方法，研究了海水海砂混凝土内BFRP筋、BFRP筋-混凝土界面及BFRP筋海水海砂混凝土梁在海洋环境下的性能演化。首先，研究了混凝土包裹厚度对BFRP筋力学性能影响，研究证实，碱度对BFRP筋的长期性能影响较大，玄武岩纤维中的二氧化硅与混凝土发生碱骨料反应是导致BFRP筋及其与海水海砂混凝土界面长期性能退化的关键影响因素之一，基于实验结果提出了海水海砂混凝土内BFRP筋的长期性能退化模型；其次，BFRP筋-混凝土界面粘结性能，由于BFRP筋受损，BFRP筋-海水海砂混凝土界面粘结强度大幅度下降，其破坏模式由BFRP筋-海水海砂混凝土界面混凝土受剪破坏转变为BFRP筋层间剪切破坏，建立了BFRP筋-海水海砂混凝土界面粘结强度计算模型；最后，基于混凝土内BFRP筋及其与混凝土界面粘结退化模型，结合有限元分析与试验验证，明确了BFRP筋海水海砂混凝土梁的长期性能演化规律，研究了BFRP筋增强海水海砂混凝土梁的疲劳性能，提出了界面损伤计算方法。研究成果将拓展BFRP筋在土木工程领域的应用，促进有效利用我国海水海砂资源，对建设材料及相关技术具有重要的推动作用，研究成果还将为BFRP筋海水海砂混凝土结构的设计与应用提供理论基础与数据支撑，具有重要的科学与工程意义。