非水反应类高聚物注浆材料强度机理的多尺度模拟与试验研究

The performance of polymer materials is determined by the diversity and multi-scale nature of their internal structure. However, the research on the mechanical properties of polymer materials mostly focuses on macroscopic experiments and macroscopic numerical simulations, and there are few microscopic or nanoscopic experimental and numerical simulation studies on non-water-reacting polymer grouting materials. In this project, the multi-scale experimental and multi-scale numerical simulation methods are combined to study the strength mechanism and mechanical properties of non-water-reacting polymer grouting materials. The nano-scale material parameters experiments are carried on to measure the intrinsic mechanical properties of the microstructure, whose purpose is to get the accurate material parameters of polymer grouting materials, and further establish a parameter database for non-water-reacting polymer grouting materials. The molecular dynamics and finite element method is employed to model polymer grouting materials at different scales, which will be compared with and verified by the experimental results. Through building the connection between material macroscopic performance and its microstructure, the goal of this project is to obtain an accurate and reasonable multi-scale mechanical model of non-water-reacting polymer grouting materials. The expected results can provide scientific reference and guidance for the study of the strength mechanism and mechanical properties of non-water-reacting polymer grouting materials and the subsequent possible material development and design.

高聚物材料有效性能复杂多样是由其内部结构的多样性和多重尺度特征决定的。但是，目前高聚物材料的力学性能研究多集中于宏观实验和宏观数值模拟，细观、纳观试验和数值模拟研究较少。本课题拟采用多尺度试验和多尺度数值模拟相结合的方法对非水反应类高聚物注浆材料的强度机理和力学性能进行研究：采用纳米尺度材料参数试验探测材料微结构的力学本质特性，从而得到高聚物注浆材料准确的材料性能参数，并建立高聚物注浆材料的参数数据库；采用分子动力学和有限元方法，建立高聚物注浆材料在不同尺度的数值模型，明确材料宏观性能同其细观结构之间的关系，并将数值模拟结果与试验结果进行对比分析，验证数值模型的合理性和正确性，最终得出准确合理的高聚物注浆材料的多尺度力学模型。预期结果可为高聚物注浆材料的性能评估和力学性质研究以及后续可能的材料设计和开发提供理论指导和科学依据。

高聚物注浆材料被广泛应用于基础设施应急抢险加固和修复工程中，工作环境受力复杂，其服役性能被广泛关注。高聚物注浆材料多尺度特征显著，然而其力学性能研究多集中于宏观实验和数值模拟，微细观机理研究较少。本项目通过多尺度试验和多尺度数值模拟相结合的方法对非水反应类高聚物注浆材料的物理力学性能进行研究，得出了不同工程应用环境中其多尺度力学表征和强度机理：研制了高聚物注浆材料宏观力学性能试件成型模具，得出了不同工况下的高聚物注浆材料宏观力学性能和变形规律，建立了相应的以密度为自变量的力学本构模型；观测了细观尺度泡孔形态，得出了相应密度下泡孔尺寸、结构和分布规律，提取了细观泡孔结构的统计特征量，提出了非均匀泡孔细观建模方法，确定了代表体积元的合适尺寸，建立了细观泡孔模型；测试了高聚物注浆材料的元素组成、分子键数量和微观弹性模量，明确了不同交联度下的官能团种类数量和分子链形式，建立微观尺度分子交联和封闭泡孔模型，得出了交联反应中的交联度和体积的变化规律，获得了基于非放射位移的泡孔压缩变形特征和应力应变关系。最终，通过与不同尺度的试验和数值模拟分析，建立了多尺度力学模型，揭示了宏观力学性能与微观结构的响应和影响机理，为高聚物注浆材料的性能评估以及材料设计和开发提供了理论指导和科学依据。