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珊瑚混凝土在非均匀被动约束应力作用下的力学响应研究

申报人：魏明菲 申报日期：2024-06-01

基本情况

2024年批次
珊瑚混凝土在非均匀被动约束应力作用下的力学响应研究 学生申报
创新训练项目
工学
土木类
学生来源于教师科研项目选题
一年期
在岛礁工程的建设中，使用珊瑚碎屑和海水制备成珊瑚混凝土代替传统混凝土，不仅可以解决原材料短缺和物资运输困难问题，还可以降低岛礁建设周期和建设成本。研究表明，珊瑚混凝土抗裂和抗冲击性能较差，且内部蕴含的大量氯离子会严重影响构件的耐久性，这使得珊瑚混凝土无法广泛应用于海洋建设工程中。若使用耐腐蚀材料（FRP、铝合金）约束珊瑚混凝土构件，可以提高珊瑚混凝土构件承载力和耐久性。对于 FRP 和铝合金约束珊瑚混凝土这类构件，受约束核心混凝土的强度和应力-应变关系是其分析、设计和应用的关键技术问题。并且这类构件核心混凝土受到约束是被动约束，不同于主动约束混凝土，也就无法使用分析主动约束混凝土的方法来分析被动式约束混凝土。 研究FRP/铝合金约束构件力学性能的传统方法是通过约束圆形截面构件，此类构件承受轴心荷载时受到的约束是均匀约束。然而，实际工程中约束构件的截面形式多为矩形，构件受到的约束也是非均匀的；圆形截面构件承受偏心荷载时所受的约束也是非均匀的。因此，有必要针对非均匀被动式约束珊瑚混凝土的力学性能，进行系统性的研究。
曾参与完成大创结题一项，参与互联网+比赛等
广西教育厅，碳纤维珊瑚混凝土多轴力学性能及本构关系研究，已结题，主持。
广西壮族自治区科学技术厅，绿色高韧性不锈钢-聚丙烯混杂纤维碱激发珊瑚混凝土的制备及本构关系研究，在研，主持。 
指导教师将对本项目研发要求、技术要求和资金要求等方面全面支持。 
区级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
魏明菲 土木工程学院 智能建造 2022 统筹规划
张文轩 土木工程学院 土木工程 2022 材料撰写
王一飞 土木工程学院 土木工程 2021 材料撰写
陈良宇 土木工程学院 土木工程 2021 材料撰写
欧阳嘉俊 土木工程学院 智能建造 2022 材料撰写

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
刘兵 土木工程学院 否

立项依据

混凝土是岛礁工程基础建设工程中的一种重要材料之一，然而，在远离大陆的岛礁上缺乏传统混凝土所需的砂石、淡水等原材料，如果从大陆运输则会存在建设成本高、建设周期长、能耗大等问题。使用可以就地取材的珊瑚骨料和海水拌养而成的珊瑚混凝土（Coral Concrete）成为了传统混凝土的理想替代品；研究发现，使用海水和珊瑚骨料拌制混凝土是可行，但是需要控制其氯离子含量，确保其强度和耐久性。研究发现，可以利用耐腐蚀材料（FRP、铝合金管）包裹珊瑚混凝土制成约束珊瑚混凝土构件，有效提高珊瑚混凝土构件的承载力和耐久性，这使得珊瑚混凝土能够适应恶劣的海洋和岛礁建设工程。
对于FRP/铝合金约束珊瑚混凝土构件，其核心混凝土受到的约束为被动约束，不同于主动约束构件。约束珊瑚混凝土在被动式约束作用下的强度和本构关系必然和传统混凝土存在明显差异。核心混凝土的强度和应力-应变关系等力学性能响应是结构分析、设计和应用的关键。已有主动约束混凝土的本构关系，不适用于研究被动式约束珊瑚混凝土构件的分析和设计。实际工程中约束构件的截面形式多为矩形，构件受到的约束也是非均匀的；圆形截面构件承受偏心荷载时所受的约束也是非均匀的。为使得FRP/铝合金约束珊瑚混凝土能够广泛应用于岛礁建设中，本项目针对非均匀被动式约束珊瑚混凝土的强度和力学性能，进行系统性地研究，旨在准确模拟其力学响应。 
(1)研究非均匀被动式约束珊瑚混凝土强度及应力应变关系：
采用新型被动约束装置，以约束刚度比和混凝土强度等级为试验变量，进行非均匀被动约束单调加载和重复加载试验，获取试件的破坏过程、破坏形态、约束应力场，获取轴向应力-轴向应变曲线、侧向应变-轴向应变曲线。
(2)分析非均匀约束状态下试件力学性能的影响因素：
通过分析研究试件的非均匀被动约束增强机理、损伤演化规律、约束应力场演化规律、刚度退化规律和塑性应变演化等规律；同时，分析珊瑚混凝土强度等级、约束刚度大小、约束刚度比对非均匀被动式约束珊瑚混凝土破坏形态、强度、变形和应力-应变曲线的影响规律。
(3)分析均匀和非均匀被动式约束的差异：
结合指导教师课题组已有的均匀约束珊瑚混凝土研究数据，对比两种应力状态下约束珊瑚混凝土构件力学响应的差异。  
早在第二次世界大战期间和之后，建造了大量以珊瑚为基础的混凝土道路、机场和其他建筑物。它们建立在西太平洋的岛屿上，即中途岛、夸贾林岛和埃尼威托克岛等 [1]。研究表明，当常规骨料存在缺陷时，可将珊瑚骨料与混凝土混合使用，用海水替代淡水、使用珊瑚骨料制成的珊瑚混凝土，被用于防波堤、沙堤、护岸、挡土墙、人行道和建筑地基的建设，它甚至被用于紧急修复岛礁工程[1]。随着海洋资源的开发和建设，将珊瑚混凝土广泛应用到远海岛屿上的岛礁工程的建设中，具有十分重要的工程价值和战略意义。
已有学者对珊瑚混凝土的基本力学性能和耐久性等展开了研究，如抗压强度、抗拉强度、应力应变关系和抗氯离子渗透性等[2-17]。研究表明：相比于普通混凝土，珊瑚混凝土的抗裂、耐久、和抗冲击等性能较差[18-21]。然而珊瑚混凝土主要应用于海洋岛礁的基础设施、道路、防护等建设工程中，这些工程对珊瑚混凝土的抗冲击性、抗渗性和耐久性等有较高的要求；在以往的研究中，主要通过掺入碳纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维等[22-26]、矿粉和硅灰等矿物掺合料[27-30]以及改善珊瑚骨料特性[31-33]等措施提升珊瑚混凝土的力学性能；鉴于珊瑚混凝土中富集的氯离子会对构件中钢材产生强腐蚀作用，严重影响结构的耐久性[34, 35]，近年来，研究人员利用耐腐蚀材料（FRP、铝合金管）包裹珊瑚混凝土制成约束珊瑚混凝土构件，可以有效地提高珊瑚混凝土构件的承载力和耐久性[36-40]。
在 FRP/铝合金约束混凝土中，不能直接使用主动式约束混凝土本构关系。因此，为了预测非均匀被动约束条件下混凝土的力学性能，需要建立非均匀被动约束珊瑚混凝土的本构模型。并且，混凝土是一种静水压力敏感性材料，具有应力路径相关性，在主动式约束和被动式约束这两种不同应力路径下的应力-应变本构关系是不同的[41]。当前的混凝土真三轴试验机和常规三轴试验机不能进行被动式约束试验，传统的约束材料直接包裹试件的试验方法又不能模拟非均匀被动约束应力状态。
综上，在被动式约束珊瑚混凝土研究方面，目前的研究资料还比较少，仅有 Wang等[36, 42]采用约束材料直接包裹试件的传统试验方法对 FRP 约束珊瑚混凝土开展了少量研究。在非均匀被动式约束珊瑚混凝土强度和本构关系研究方面则尚属空白。所以，为了加快岛礁建设、推进约束珊瑚混凝土构件的工程应用，有必要对非均匀被动式约束珊瑚混凝土力学响应，进行系统地研究。 
本项目使用新型被动约束装置开展非均匀被动式约束珊瑚混凝土真三轴试验（代替通过主动约束本构关系转换或者FRP圆柱体试验建立本构关系的方法），通过分析各因素对强度的影响规律，建立强度准则，并在此基础上建立弹塑性本构模型，最后结合有限元分析软件和参数优化软件取得模型的最佳参数，研究手段具有创新。
试验和理论分析相结合的方法，研究非均匀被动式约束珊瑚混凝土强度和弹塑性损伤本构模型，通过被动三轴试验直接模拟了构件在非均匀约束应力状态下的力学响应，研究成果具有深远意义。 
1、技术路线如图1所示
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图1 技术路线图
2、拟解决的问题
（1）组装被动约束装置，更换约束反力杆，调试被动约束装置使其可以完成非均匀被动式三轴压缩试验，并准确采集试验数据。
（2）阅读相关文献，理解建立弹塑性损伤本构模型所需要的试验参数。
3、预期成果
（1）通过非均匀被动式珊瑚混凝土三轴压缩试验，分析约束珊瑚混凝土强度和本构关系，建立强度准则和弹塑性本构模型；最后，编写用于有限元分析的材料子程序；
（2）构建主动式和被动式约束珊瑚土力学响应差异的转换准则；
（3）撰写项目结题报告书一份。 
准备阶段（2024.5-2024.6）
2024.5-2024.6
 组建创新小组，并确定分工
 撰写项目研究方案和实验详细计划书
2024.6-2024.7
 向相关老师及其研究生学习，交流，总结经验
 申请实验室及购买材料
 进行资料搜集与整合，组织小组成员学习研究，增强小组成员对该项目研究内容的了解和认识
 进行阶段性记录与总结
实验阶段（2024.7-2024.11）
 进行珊瑚混凝土试件的浇筑与养护
 进行阶段性记录和总结
 校准被动约束试验装置，并完成非均匀三轴压缩试验
 整理并处理实验数据，对实验结果进行分析，得出最终结论
 进行阶段性记录和总结
撰写阶段（2024..11-2025.4）
 进行论文撰写，完成初稿
 进行阶段性记录和总结
 修改论文初稿，完成定稿 
设计该研究方案之前，课题组采用FRP布、铝合金管和新型被动约束装置约束珊瑚混凝土，并进行了均匀被动约束试验，研究了试件在均匀被动约束下的强度和本构关系；本研究建立在以上研究的基础之上，更换新型被动约束装置中的约束返力杆，即可开展非均匀被动式约束珊瑚混凝土相关的实验和研究。 
已具备的条件
指导老师课题组已经完成了均匀被动式约束珊瑚混凝土力学响应的研究，为本项目的研究提供了试验条件和分析试验数据的方法。同时，项目申报小组成员对此项目进行了充分的研究和资料收集。
缺少的条件和解决方法：
(1)非均匀约束和端部约束效应可能造成的试验误差，通过施加减摩措施减小端部约束效应。
(2) 缺少适用于非均匀被动式约束混凝土材料的本构模型；结合弹塑性力学和损伤力学，结合材料的损伤演化规律，建立弹塑性损伤本构模型。 

经费预算

开支科目 预算经费（元） 主要用途 阶段下达经费计划（元）
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 10000.00 无 6600.00 3400.00
1. 业务费 4000.00 无 2900.00 1100.00
（1）计算、分析、测试费 500.00 结构计算、分析等 300.00 200.00
（2）能源动力费 1000.00 试验过程中需要的电费以及液压试验机液压油的更换费。 600.00 400.00
（3）会议、差旅费 0.00 无 0.00 0.00
（4）文献检索费 500.00 文献资料收集、检索 300.00 200.00
（5）论文出版费 2000.00 论文发表费用 1700.00 300.00
2. 仪器设备购置费 2000.00 模型制作与测试设备 1000.00 1000.00
3. 实验装置试制费 2000.00 结构性能进行测试 1200.00 800.00
4. 材料费 2000.00 相关材料购买 1500.00 500.00
结束

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