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超高强超高延性海水海砂混凝土压剪复合受力性能研究

申报人：文亭 申报日期：2025-01-08

基本情况

2025年批次
超高强超高延性海水海砂混凝土压剪复合受力性能研究 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
当前，海洋工程蓬勃发展，传统材料难适配复杂工况，该研究应运而生。本项目专注于超高强超高延性海水海砂混凝土（UHSHDC - SWSS），通过实验与理论分析，探究其在压剪复合受力时的力学特性，团队将制备创新型混凝土，精准把控海水海砂等原料，经系列试验，剖析其在压剪复合受力时的力学响应。预期成果是得出性能规律、优化配比，填补理论空白，为跨海大桥、海上风电等工程筑牢安全根基，兼具科研创新与广阔商业应用前景。
参与2023年国家自然基金：AC-SAP-MgO协同耦合分时抑缩UHPC物化驱动力及调控机理研究
主持
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
文亭 土木工程学院 土木工程 2023 试验进度安排、试验工作、项目结题报告书撰写及相关信息处理
何凤姣 外国语学院 英语 2023 实验数据记录、试验阶段报告的总结书写
李东阳 土木工程学院 土木工程 2023 材料采购、试验工作、试验数据处理及分析
覃莉芹 土木工程学院 土木工程 2023 试验工作、试验具体问题 解决
韦航之 土木工程学院 土木工程 2023 试验工作、试验方案设计

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
明阳 土木工程学院 否

立项依据

随着海洋资源开发的持续升温，海洋工程基础设施建设愈发密集，从跨海大桥、海上风电平台到滨海港口建筑，它们长期经受恶劣海洋环境与复杂荷载的双重考验。超高强超高延性海水海砂混凝土（UHSHDC - SWSS）作为新兴建筑材料，拥有抵御海水侵蚀、承载能力强、变形能力佳等特质，但其在压剪复合受力状态下的性能尚未被充分挖掘，本研究目的正基于此展开。
首要目的在于精准掌握 UHSHDC - SWSS 的力学响应规律。压剪复合受力贴近海洋工程结构的真实受力场景，像跨海大桥桥墩，既要承载上部结构竖向压力，还会遭受风浪、水流带来的水平剪力。在压剪复合力作用下，UHSHDC - SWSS 内部微裂缝萌生、扩展、贯通的过程极为复杂，受纤维掺量、基体强度、骨料特性多因素制约。通过系统实验与数值模拟，测定材料在不同压剪比例、加载速率下的应力应变演变进程，绘制详尽的力学性能曲线，构建能精准预测其力学行为的模型，填补理论空白，为后续工程设计人员核算结构强度、刚度提供可靠依据，告别经验主义的粗糙估算。
再者，考量海洋环境耦合作用是不可或缺的一环。海水富含氯离子、镁离子，受潮汐干湿交替影响，会加剧混凝土劣化。本研究模拟海洋环境侵蚀后，对 UHSHDC - SWSS 开展压剪测试，量化环境侵蚀对材料力学性能折损程度，得出环境影响系数，确保设计出的海洋结构在全寿命周期内安全稳固，规避因忽视环境因素导致的过早失效风险。
总之,本研究通过建立专业的压剪复合加载试验平台,深入探究超高强超高延性海水海砂混凝土压剪复合受力性能 ,为工程设计提供了重要的力学依据。后续我们还将进一步优化试验方案,为材料的性能提升和应用推广提供更全面的支撑。 
本研究围绕超高强超高延性海水海砂混凝土（UHSHDC-SWSS）压剪复合受力性能展开，核心研究内容涵盖以下几方面：
1.压剪复合受力试验：
搭建专业压剪复合加载试验平台，模拟不同应力水平、加载路径的工况，测量和分析试件从开始加载直至破坏全程的应力应变数据、位移变化数据，捕捉裂缝萌生、扩展的形态与规律。研究不同纤维掺量、水胶比等关键因素如何影响材料在压剪状态下的峰值应力、应变能、延性系数，通过绘制详细的应力-应变曲线,从而得出了不同因素对压剪符合受力实验的影响规律。
2.损伤演化与失效机理：
借助声发射、数字图像相关技术（DIC），能够精确地施加预设的压剪应力组合，实时监测压剪过程中内部损伤累积，并实时记录试件的力学响应，定位损伤源，追踪损伤发展轨迹。分析在复杂应力下，微裂缝汇聚、贯通的机制，我们可进一步了解材料在压剪复合应力状态下的损伤机制，探究材料从局部损伤到整体失效的演变逻辑，明确关键薄弱环节，为优化材料韧性提供支撑。
3.耦合环境影响评估：
为模拟海洋真实环境，将试件置于特制的环境箱中，模拟海水侵蚀、干湿循环、氯盐腐蚀的复合作用。进行预处理之后再施加压剪荷载，测试试件压剪性能，与未受环境影响的试件对比压剪承载能力、变形性能等指标，衡量环境作用对 UHSHDC - SWSS 压剪性能的削弱程度。本研究选取超高强超高延性海水海砂混凝土(UHSHDC-SWSS) 作为研究对象,通过模拟海洋环境的预处理,测试其压剪性能的变化规律,为材料在恶劣海洋环境下的长期耐久性设计提供重要依据。 
随着海洋开发的逐步深入，海洋工程基础设施如跨海大桥、海上风电平台等建设规模持续扩大。超高强超高延性海水海砂混凝土（UHSHDC - SWSS）因其利用海水海砂作为原材料，兼具高强度与高延性优势，在海洋工程领域展现出巨大的应用潜力。对其压剪复合受力性能的研究，关乎这类工程结构的安全性与耐久性，吸引了全球科研人员的目光。
早在20世纪70年代，国外就开始关注海砂在混凝土中的应用。初期主要聚焦于海砂混凝土的基本力学性能，彼时由于技术局限，研究多围绕普通强度海砂混凝土开展 。通过李田雨等[1]发现未经处理的海砂因含氯离子，会严重影筋锈蚀[2]，从而间接削弱混凝土结构的长期承载能力[3]。这一阶段，尚未涉及UHSHDC - SWSS以及压剪复合受力的概念，但为后续研究奠定了基础，让行业意识到海砂应用的关键问题在于耐久性[4]。
90年代起，纤维增强混凝土技术兴起，为提升海砂混凝土性能带来曙光，海外专家研究不同类型纤维对海砂混凝土性能的改良效果[5]。在钢纤维方面[6]，选用不同长径比、表面纹理的钢纤维加入海砂混凝土体系，发现长径比适中且表面经过刻痕处理的钢纤维，能与海砂混凝土基体形成更为稳固的机械咬合作用。相关成果详细刊载于《Cement and Concrete Composites》的系列研究报告中。聚丙烯纤维[7]也备受关注，其具有质轻、耐腐蚀、高分散性优势。科研人员精准把控聚丙烯纤维的掺量，一般在0.6-1.2kg/m³之间，此时聚丙烯纤维能均匀分布于海砂混凝土内，起到桥联作用[8]。
与此同时，部分学者初步触及压剪复合受力研究[9]，利用改良后的双向加载装置，对纤维增强海砂混凝土试件施加轴压与剪应力。相较于传统单轴加载试验，这类双向加载试验[10]更为复杂精细，需同步调控竖向与水平向两个方向的加载速率与荷载大小以模拟海洋结构实际遭受的复杂应力环境。在复合受力下，纤维增强海砂混凝土的裂缝发展模式有别于单一受力，不再是简单的直线型扩展，而是呈现多方向、交错式延伸，不过受限于当时技术与理论储备，尚未深入剖析内部损伤机制。
进入21世纪，先进测试技术与数值模拟手段蓬勃发展，推动了UHSHDC-SWSS压剪复合受力性能研究[11]迈向深入。欧洲多个科研机构联合开展大型项目，借助高精度应变片、声发射传感器，精准捕捉试件在压剪过程中的微裂缝萌生、扩展信号 。相关数据发表于《Engineering Structures》，研究表明，在特定纤维掺量下，UHSHDC-SWSS的压剪峰值应力比普通混凝土提升近一倍。数值模拟方面，有限元软件被广泛运用，美国科研团队基于ABAQUS建立多尺度模型，考虑纤维与基体的界面粘结，模拟结果与实验高度吻合，清晰展现内部应力分布，揭示了压剪作用下应力集中区域的形成规律。
国内对海水海砂混凝土的研究[12,13]起步稍晚，早期多借鉴国外成果，重点解决海砂中氯离子处理技术[14,15]，以满足基本工程应用需求。部分高校实验室开始引进国外纤维增强混凝土理念[9]，尝试自制小尺寸海砂混凝土试件，测试其抗压、抗剪等常规力学性能，为后续深入研究储备技术经验，但针对UHSHDC-SWSS及压剪复合受力还处于认知积累阶段。
近十年，国内科研力量奋起直追，取得诸多自主创新成果。武汉科技大学等高校团队专注于UHSHDC-SWSS的材料优化，研发独特的配合比，提升其强度与延性[10]。海水海砂混凝土早期抗压强度的增长速度大于普通混凝土，但后期抗压强度的增长速度低于普通混凝土。在压剪复合受力实验上，哈尔滨工业大学搭建了国内先进的多功能加载系统，开展系统实验，分析不同加载速率、应力比下材料的破坏形态，发现慢速加载时材料延性发挥更充分，为工程抗震设计提供参考。
当下，国内开启产学研深度融合模式，企业积极参与到UHSHDC-SWSS的研究中。中交、中建等大型基建企业联合高校，开展实际工程试点应用。如某沿海城市的小型跨海通道项目，部分桥段试用了UHSHDC-SWSS，在施工过程中监测材料的实时受力、变形，收集一手数据反馈科研端，加速科研成果向实用技术转化，探索适合国情的海洋工程建设新方案。未来，UHSHDC-SWSS压剪复合受力性能研究将深度融合材料学、力学、海洋环境科学与计算机科学等多学科知识。从分子动力学模拟纤维-基体界面反应，到基于大数据、人工智能预测长期环境下结构的受力安全，跨学科手段助力攻克复杂难题，挖掘材料更深层次性能。环保理念驱动下，一方面进一步优化材料配比[17]，减少水泥用量，降低碳排放[18,19]；另一方面提升其耐久性，延长海洋结构服役寿命，实现全寿命周期的绿色可持续发展，使UHSHDC-SWSS在“双碳”目标下更具竞争力[20]。借助智能传感器、物联网技术，对采用UHSHDC-SWSS的海洋工程结构进行全寿命实时监测，不仅监测受力、变形，还跟踪内部损伤演化，配合大数据分析，实现精准运维，在结构出现潜在风险前提前预警、修复。随着对材料性能理解加深，将创新设计出更多适配UHSHDC-SWSS的新型海洋结构体系，如深海浮式复合结构、大跨径跨海拱桥等，拓宽其应用边界，引领海洋工程迈向新的设计建造范式。 
创新点：1.材料适配优化：摒弃传统混凝土局限，针对性调配海水海砂比例，协同适配纤维、外加剂，解锁超高强与高延性兼具的独特性能，为压剪复合受力工况提供稳固材料基础 。
2. 精准模拟技术：搭建多维度、高精度压剪复合加载系统，模拟海洋结构真实受力路径，配合数字图像相关、声发射监测，实现受力全程可视化、损伤动态追踪，数据更贴合实际。
项目特色：南海岛礁远离大陆，如采用传统混凝土，砂、石、淡水等主要建筑材料均要从大陆运输，这会面临能耗高、成本高、施工周期长等问题。因此，超高超强海水海砂混凝土为加快祖国的海洋建设提供了无限可能。利用就地取材的海水海砂，节省大量材料运输成本，也降低对淡水资源、天然砂的依赖。同时，通过优化材料配比提升性能，减少后期频繁维修成本，让项目兼具经济与环保效益。项目扎根海洋工程现实难题，海上风电、跨海大桥等设施长期受海水腐蚀与复杂应力，传统混凝土难以招架。超高强超高延性海水海砂混凝土的压剪研究，专为攻克这类恶劣工况而生，提供适配性强、耐用的材料解决方案。 

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拟解决的问题：1.材料性能适配：解决如何调配海水海砂、胶凝材料与纤维，让混凝土兼具超高强、高延性，满足压剪复合受力需求。

2.受力机制不明：剖析在竖向压力与水平剪力共同作用下，材料内部应力传递、裂缝开展的复杂机制，填补理论空白。

3.环境耦合难题：攻克海洋环境侵蚀、干湿循环后，混凝土压剪性能衰减规律难量化的问题，保障工程长期安全。
4.数值模拟偏差：校准现有数值模型，减少模拟与实际压剪试验结果的差异，精准预测工程表现。
预期成果：
1.形成一套完整的UHSHDC-SWSS压剪复合受力性能数据库。
2.发表1-2篇学术论文至相关专业期刊。
3.申请1项发明专利，为后续产学研合作打基础。 
1. 准备阶段（2025.4-2026.6）
2025年04月-2025年5月
 撰写课题研究方案，试验详细计划书。
 组建课题组，确定课题组各成员分工，召开立题会议，落实课题研究情况。
2025年5月-2025年6月
 跟导师及有经验的同学学习和实践，总结经验。
 申请实验室及采购材料。
 进行资料搜集和整理，组织课题研究人员学习研究，增强对本课题研究内容的了解与认识。
 进行阶段性记录和总结。
2. 试验阶段（2025.6-2026.10）
2025年6月-2025年8月
 进行超高强超高延性海水海砂混凝土试件的浇筑与养护，并对流动性进行初步观察。
 进行阶段性记录和总结。
2025年8月-2025年10月
 进行超高强超高延性海水海砂混凝土试件力学性能测试，记录并整理数据。
 进行阶段性记录和总结。
3. 撰写阶段（2026.1-2026.4）
2026年01月-2026年02月
 整理并处理实验数据，对实验结果进行分析，得出最终结论。
 进行论文的撰写，完成初稿。
 进行阶段性记录和总结。
2026年02月-202年04月
 修改论文初稿，完成定稿 
1. 与本项目有关的研究积累和已取得的成绩
a.项目研究具备扎实的研究基础：项目申请者自入学阶段开始就参与超高强超高延性海水海砂混凝土相关项目研究，具备一定的科研能力。已经对相关专业的基础知识进行了系统的学习，阅读了一定量的相关文献及著作，基本掌握了所需的基本知识，对本试验研究的内容有了整体了解。目前已对具体相关的基本试验操作过程已有基本了解并能独立的进行作试验和理论研究工作。
b.综上所述，本项目具有良好的可行性，已有的科研条件和良好的研究基础能保证本项目研究计划的完成。 
（1）已具备的条件：
本项目具备良好的科研条件：本项目依托于桂林理工大学土木与建筑学院开展研究工作，实验设备完善，科研条件良好。
（2）尚缺少的条件以及解决方法：
a.缺少超高强超高延性海水海砂混凝土相关知识和技术。针对这一问题，可以进行学习和培训，参加各类行业交流会议、讲座等以积累更多相关知识；
b.缺少大规模生产实践经验。为了弥补实践领域中缺失的经验，在进行实验室内研究时可以尽可能地接近真实生产环境，确保所研究的技术方案得到更好的验证；
c.资金等方面的问题。如果遇到研究经费缺口问题，可以通过申请科研项目、争取学校或其他机构的支持等途径解决。 

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 研究项目 6150.00 3850.00
1. 业务费 4100.00 无支持和促进研究项目的进行 2150.00 1950.00
（1）计算、分析、测试费 900.00 超高强超高延性海水海砂混凝土本构关系研究 550.00 350.00
（2）能源动力费 1000.00 实验设备的运行与维护 500.00 500.00
（3）会议、差旅费 0.00 无 0.00 0.00
（4）文献检索费 200.00 获取相关文献资料 100.00 100.00
（5）论文出版费 2000.00 研究成果论文发表 1000.00 1000.00
2. 仪器设备购置费 0.00 无 0.00 0.00
3. 实验装置试制费 1000.00 进行实验装置的研发和制作 500.00 500.00
4. 材料费 4900.00 购买海水海砂等相关材料 3500.00 1400.00
结束

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