FRP约束再生骨料混凝土力学性能研究

Demolition and reconstruction of degraded infrastructures result in a huge amount of solid wastes annually worldwide, of which waste and/or old concretes form a very large proportion. Consequently, making use of recycled concrete aggregates (RCA) to produce recycled aggregate concrete (RAC) for use in new construction has become a hot research top in recent years. However,the mechanical and durability behavior of RAC is usually inferior to the corresponding normal concrete due to the existence of weak interfacial transition zones and damages within the RAC. Against this background, this research project will study the mechanical behavior and applications of fiber-reinforced polymer (FRP) confined RAC. Due to the advantages of FRP such as high strength and good corrosion resistance, FRP confined RAC usually would have significantly higher strength and deformation capacity, and improved durability compared to its normal concrete counterpart. Experimental studies, numerical investigations and theoretical analyses will be deployed to investigate the behavior of the FRP confined RAC at different (i.e. material, specimen and structure) levels and mutiscale (mesoscale and macroscale), based on which the effects of particle size distribution of aggregates, replacement ratio of RCA, specimen section shape, specimen size etc. on the mechanical behavior of FRP confined RAC will be clarified. Based on the experiential and numerical results, a stress-strain model capable of considering the effects of these parameters will be developed, which will in turn be used to develop analysis and design methods of structures using FRP confined RAC. The project will lead to new knowledge in the field of FRP confined concrete, and greatly promote the use of RAC in construction, and thus is of great research significance with significant economical, social and environmental merits.

已劣化基础设施的拆除或重建每年会产生大量固体废弃物，而废旧混凝土是其中的主要成分。研究利用废旧混凝土的再生混凝土已经成为近年来土木工程领域的热点之一。由于再生混凝土内存在薄弱界面及损伤，其力学性能及耐久性一般弱于对应普通混凝土。本项目将研究纤维增强复合材料(复材)约束再生混凝土的力学性能。由于复材具有高强、耐腐蚀等优点，复材约束再生混凝土具有较好的强度、变形能力以及耐久性。本项目将结合试验研究、数值模拟及理论分析，对复材约束再生混凝土的力学性能展开多层次（材料、试件、结构）、多尺度（细观、宏观）研究，探明一系列参数，如骨料级配、再生骨料取代率，试件截面形状、尺寸等对其力学性能的影响，提出考虑上述因素的复材约束再生混凝土应力-应变模型，发展复材约束再生混凝土结构的分析方法与设计理论。本项目的研究不仅将拓宽约束混凝土理论，还将促进再生混凝土的应用范围，具有巨大的经济效益、社会意义及环保价值。

已劣化基础设施的拆除或重建每年会产生大量建筑固体废弃物，这些固体废弃物不仅占用工农业生产用地，而且可能污染环境。因此，高效利用建筑固体废物对经济可持续发展及环境保护均具有重要意义。在此背景下，本项目采用试验研究、数值模拟与理论分析相结合的研究方法，从材料、试件及结构三个层次对复材约束再生骨料混凝土的力学性能开展了深入的研究。主要研究内容包括：1）再生混凝土配合比优化及基本力学性能研究；2）复材约束再生骨料混凝土柱轴压力学性能研究；3）复材约束再生骨料混凝土柱轴压性能尺寸效应研究；4）复材约束再生骨料混凝土柱抗震性能研究；5）受压复材约束再生混凝土三维有限元分析；6）复材约束再生混凝土柱的应力-应变关系，分析方法及设计理论研究。此外还研究了复材约束再生砖骨料（砖块体、砖粉）混凝土及复材约束再生玻璃骨料混凝土的力学性能。本项目的研究结果显示：与复材约束普通混凝土类似，复材约束可以显著提升再生骨料混凝土（包括再生砖骨料混凝土、再生玻璃骨料混凝土）的受压力学性能（强度与变形能力）; 在考虑再生骨料取代率对再生混凝力学性能（强度、弹摸、泊松比等）影响后，可以利用现有复材约束混凝土的本构关系、分析方法及有限元模型来分析复材约束再生混凝土构件。本项目的研究结果还表明：相同约束刚度条件下，构件尺寸对复材约束再生混凝土圆柱轴压力学性能影响较小（无明显尺寸效应，与复材约束普通混凝土圆柱类似），但是复材约束再生混凝土方柱比复材约束普通混凝土方柱有更加明显的尺寸效应，这主要是因为再生混凝土存在薄弱界面及内在损伤；相比复材约束普通混凝土柱，复材约束再生混凝土柱虽然承载力略微降低，但是其变形能力及抗震性能得到了增强，这主要是由于再生混凝土内部存在更为分散的破坏面。本项目的研究表明：复材约束是实现再生骨料混凝土受压力学性能提升的有效方法；在实际工程中应用复材约束再生混凝土柱（如用于桥墩）是高度可行的。