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超高强超高延性海水海砂混凝土在非均匀被动约束应力作用下的力学响应

申报人:李嘉恒 申报日期:2025-01-09

基本情况

2025年批次
超高强超高延性海水海砂混凝土在非均匀被动约束应力作用下的力学响应 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
本项目致力于研究超高强超高延性海水海砂混凝土在非均匀被动约束应力作用下的力学响应。通过精心设计的试验方案,探究该材料在复杂应力状态下的力学性能演变规律,包括强度、延性及变形特性等。项目将结合先进的测试技术与理论分析,揭示非均匀约束应力对海水海砂混凝土力学响应的影响机制,研究成果有望推动海洋工程结构设计的创新与发展。
国家自然科学基金委,区域联合基金重点项目,U22A20244,面向岛礁建设的超高性能海水海砂混凝土及新型结构体系研发,2023.01-2026.12,255万元,在研,参加。

广西壮族自治区科学技术厅,广西科技重大专项子课题,桂科AA22068073-3,海砂环境下钢筋混凝土服役性能和施工方法适应性研究,2022.04至2025.03,230万,在研,参加。 
1.主要为项目团队的研究背景和研究设计提供方向性的指导,在难点和重点部分进行把关,帮助项目团队解决项目的难点。
2.主要为项目团队的实践创造条件,根据项目团队的实际需求,可以为项目团队协调实地考察方面的工作。 
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
李嘉恒 土木工程学院 智能建造 2023 进行项目分工及信息处理
唐海 土木工程学院 土木工程 2023 实验数据记录及报告撰写
胡斌 土木工程学院 土木工程 2022 试验工作方案设计
黎秋月 土木工程学院 土木工程 2023 试验工作及问题解决
贾黎明 土木工程学院 智能建造 2023 材料采购及数据处理分析

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

立项依据

国家鼓励研究和开发新型建筑材料,以替代传统的建筑材料,避免对环境的破坏。超高强超高延性海水海砂混凝土(下面简称“海水海砂混凝土”)作为一种新型建筑材料,具有广阔的应用前景。
1. 探索海水海砂混凝土的力学性能及其复杂应力状态下的行为:本研究着重于超高强度、超高延性海水海砂混凝土在非均匀被动约束应力作用下的力学响应。探索在复杂应力状态下的力学行为具有重要意义,因为工程结构常常处于多变的应力环境中,尤其是在海洋和极端气候条件下。通过对这一力学行为的深入分析,可以为该材料在实际应用中的性能预测和设计提供科学依据,确保其在复杂工程环境下的稳定性和可靠性。这一研究将揭示海水海砂混凝土在不同应力作用下的表现,为进一步提升其抗压、抗拉及韧性等关键性能提供理论支持。
2.推动海水海砂混凝土的应用:海水海砂混凝土作为一种环保、经济的建筑材料,具有广阔的应用前景。本研究将推动海水海砂混凝土在海洋工程、海岸防护等领域的广泛应用,降低对传统淡水和河砂资源的依赖,减少对环境的破坏。
3.提升工程结构的安全性:在海洋工程和海岸防护等领域,工程结构的安全性至关重要。超高强超高延性海水海砂混凝土的研究和应用,将有助于提高这些领域工程结构的安全性和耐久性,减少安全事故的发生。
4.促进技术创新和产业升级:本研究将推动相关技术的创新和发展,如混凝土制备技术、施工技术以及监测技术等。这些技术创新将进一步提升超高强高延性海水海砂混凝土的应用范围和性能水平,促进建筑产业的升级和发展。
综上所述,本研究不仅符合国家的环保、海洋资源开发和建筑安全等政策导向,还将为超高强超高延性海水海砂混凝土在海洋工程、海岸防护等领域的应用提供有力的技术支持和保障,推动相关产业的创新和发展。 
本项目是在制作超高强超高延性海水海砂混凝土试样的基础上,探索在受到非均匀被动约束应力作用时的力学性能、变形特性、破坏模式以及影响因素,并提出相应的优化措施,包括但不限于:该混凝土的基本力学性能研究、非均匀被动约束应力的施加与模拟方法、力学响应的测试与分析、影响因素的探讨以及优化措施的研究等,为工程实践提供理论支持和指导。主要过程为:
1.海水海砂混凝土的基本性能研究
对海水海砂混凝土的基本力学性能进行测试,包括抗压强度、抗拉强度、抗弯强度等。研究海水海砂混凝土的微观结构和组成,分析其对力学性能的影响。
2.非均匀被动约束应力的施加与模拟
设计合理的试验装置和方法,以实现对海水海砂混凝土的非均匀被动约束应力的施加,如温度变化。采用数值模拟方法,对非均匀被动约束应力进行模拟和分析,以更好地理解其对混凝土力学响应的影响。
3.力学响应的测试与分析
在非均匀被动约束应力作用下,对海水海砂混凝土的力学响应进行测试,包括应力-应变关系、变形模式、破坏形态等。分析非均匀被动约束应力对海水海砂混凝土力学响应的影响机制,探讨其内在的力学原理。
4.工程应用与前景展望
探讨海水海砂混凝土在非均匀被动约束应力作用下的力学响应在工程中的应用前景和潜在价值,并分析其在海洋工程、近海工程等领域的具体应用案例,为工程实践提供指导和参考。 
1.抗压强度
混凝土的抗压强度决定了混凝土的强度等级,对于混凝土在工程中的应用至关重要。因此,在用海水海砂混凝土代替河水河砂混凝土使用时,抗压强度的变化是必须要考虑的因素,国内外的许多学者针对海水海砂混凝土的抗压强度做了大量的研究。研究表明[3-5]海水和海砂可以加快水泥水化,从而提高混凝土的早期抗压强度。这是由于海水、海砂中的氯离子与水泥水解后的Ca(OH)2反应生成CaCl2,加速水泥的早期水化[22];另外相对于淡水,C-S-H凝胶在海水的水泥浆中结构更加致密,这也有利于海水拌和的混凝土早期抗压强度的提高[6]。而实邢丽等[21]研究认为海水、海砂中的盐结晶和贝壳可能会抑制水泥的水化,并发现海水海砂混凝土的早期抗压强度相对于普通素混凝土降低约20%。秦斌[8]则研究认为海水和海砂中的盐分以及海砂的砂质对混凝土的抗压强度影响不大,在相同配合比下海水海砂混凝土和普通混凝土抗压强度高度接近。在不考虑钢筋腐蚀的情况下可以替代河水河砂混凝土在建筑中的使用。
2.抗拉强度
关于海水海砂混凝土的抗拉强度,一些研究表明海水海砂对混凝土抗拉强度有负面影响[10-12],而也有研究表明海水海砂有助于提升混凝土的抗拉强度[18~19]。秦斌[8]研究发现海水海砂混凝土劈拉强度仅比同等级普通混凝土提高约2.3%,并且随着混凝土强度等级的提高,海水海砂混凝土劈拉强度提升幅度减小。而苏红艳等[15]研究发现海水海砂混凝土的劈裂抗拉强度略低于普通混凝土,与同等级混凝土相比降低幅度为4%~12%,并且掺入钢纤维可以提高其劈裂抗拉强度。结果上的差异可能由于各地区海水和海砂品质的不同,但偏差不大。
3.抗折强度
针对海水海砂混凝土的抗折强度,许多学者研究表明其抗折强度低于常规混凝土[12,16,17],或与常规混凝土相近[16~17]。李田雨[4]等研究发现海水海砂混凝土的抗折强度与温度有关 在同等养护条件下海水海砂混凝土28d抗折强度比普通混凝土低25.4%,而通过热水养护海水海砂混凝土28d 抗折强度提高23.1%,提高养护温度可以有改善海水海砂混凝土抗折强度降低的问题。
4.单轴受压应力-应变关系
海水海砂混凝土的单轴受压应力-应变关系能够为混凝土结构的承载力和变形提供参考。陈宗平等[7]通过海砂混凝土单轴受压应力-应变全曲线试验探究了海砂率对其影响,总体上海砂混凝土应力-应变曲线与普通混凝士类似,而特征参数不同。同一率下,海水海砂混凝土峰值应力高于淡水海砂混凝土峰值应力约11%~26%,峰值应变增加约6%~11%。周登飞[15]研究后也得出相似结论,但在峰值应力上意见相左,研究得出海水海砂混凝土的峰值应变低于普通混凝士,并认为海水、海砂在水化反应中生成的盐会填充水泥浆的孔隙,降低混凝土的可变形性。Teng 等[14]人研究了海砂种类、拌合及养护用水的类型对超高性能海水海砂混凝土的应力-应变曲线的影响,研究表明海水、海砂的使用会降低混凝土的弹性模量,而轴向和环向峰值应变有所提高。
根据对上述文献的研究分析,可以得出以下结论:(1)与河水河砂混凝土相比,海水海砂中的盐类与砂质等成分对海水海砂混凝土的抗压强度有一定的影响。在合理的配合比下,海水海砂混凝土具有优越的抗压性能,可代替普通混凝土。(2)海水海砂成分差异会对混凝土抗拉强度产生积极或者消极的影响,但影响程度不大。(3)海水海砂混凝土抗折强度低于或接近普通混凝土,可以通过改善养护条件以及掺加纤维来提高。(4)海砂混凝土应力-应变曲线与普通混凝土类似,而特征参数不同,这可能是由于海水、海砂中氯盐作用的结果。目前,对海水海砂混凝土的研究还是偏少,特别是对其动态力学性能以及复杂条件下的力学性能分析。未来,应加大其各方面的研究,从而推广海水海砂混凝土的使用,缓解如今内陆河水河砂资源不足等问题。
2、海水-海砂混凝土的力学性能的研究
2.1基本力学性质
混凝土的基本力学性质主要涉及抗压和抗折强度两个方面。这里采用河海大学李田雨团队[1]的实验数据进行进一步的分析。
2.1.1抗压性能


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图3是四种不同配合比的混凝土分别在养护3、7d、14d、28d及热水养护48h后的抗压强度[3]
可以发现在水化早期单独使用海水或海砂的混凝土的强度要高于河水河砂混凝土;而在养护14d之后河水河砂混凝土的强度始终高于添加海水)海砂的混凝土。此外在热水养护下,混凝土的早期强度有了明显的提高。
2.1.2抗折性能



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图4为不同配合比下混凝土混凝土分别在养护3d、7d、14d、28d及热水养护48h后的抗折强度[4]
对比抗折强度和上文中的抗压强度可以发现抗折强度特性和抗压强度基本相似,且在14d之后河水河砂混凝士的的强度和含海水或海砂组分的强度比例差值更加明显。
2.2影响因素及破坏机理分析
2.2.1影响因素
在上文的实验数据中可以发现海水海砂的加入可以使砂浆的早期强度得到一定的提升,海砂中含有的氯离子对于水泥的水化有促进作用,和早期的以NaCI或者CaCl2为主要成分的混凝土早强剂有相似的作用。其中氯离子与水泥水解后的Ca(OH)2 起反应生成CaCl2,从而加快水泥的早期水化,由于CaCl2 能与C3A反应,在水泥微粒表面上生成具有促进C3S、C2S的水化反应的水化氯铝酸钙,所以最初几个小时的水化热有显著提高。
而使用海水拌合混凝土的28d抗压强度普遍低于普通混凝土,由此Islam的团队发现海水混凝土早期强度较高与水合产物堵塞孔隙有关而后期强度下降则和软水合产物渗出有关[2]。
2.2破坏机理
对于破坏机理的分析本文采用了蔡红明的实验数据[3]。下图5、图6、图7分别为受压裂缝图、受压压坏形态图和受压破坏形态图。



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海水海砂混凝十受压出现裂缝状态和普通混凝土类似,都是右下角先出现细微裂缝,裂缝通过显微镜如图6所示。随后裂缝逐渐变大并且向上发展,和上部生成的裂缝在式样中间会合。在图7中可以看到裂缝由外向内发展,在内部产生贯通裂缝,混凝土碎块和主体彻底分开。
参考文献:
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[21] K. Newman, Sea-dredged aggregates for concrete, in: Proceedings of the Symposium: Sea-dredged Aggregates for Concrete, Sand and GravelAssociation Great Britain, Buckinghamshire, UK, 1968.
[22] G. Dempsey; Coral and salt water as concrete materials; ACI Mater. J., 23 (1951), Pp. 157-166 
资源的消耗问题,还实现了海洋资源的有效利用。本项目的创新点有:
1.超高强与超高延性的结合:
现有研究多集中在普通海水海砂混凝土的力学性能,而本项目针对超高强超高延性海水海砂混凝土展开研究,填补了该领域的研究空白。
2.非均匀被动约束应力的考虑:
传统的混凝土研究往往忽略约束应力的非均匀性,而本项目特别关注非均匀被动约束应力对混凝土力学响应的影响。通过实验和理论分析,揭示了非均匀约束应力对混凝土应力-应变关系、极限强度和极限变形的影响机制。
项目特色
1.多学科交叉融合:
本项目涉及材料科学、结构工程、力学等多个学科领域,实现了多学科交叉融合,为混凝土材料的研究提供了新的视角和方法。
2.实验与理论相结合:
通过大量的实验研究和理论分析,本项目建立了超高强超高延性海水海砂混凝土在非均匀被动约束应力作用下的力学响应模型。
实验数据为理论模型的验证提供了可靠依据,理论模型则为实验结果的解释和预测提供了有力支持。
3.实际应用前景广阔:
超高强超高延性海水海砂混凝土具有优异的力学性能和耐久性,适用于各种恶劣环境下的工程建设。
本项目的研究成果可为海洋工程、岛礁建设等领域的混凝土材料选择和设计提供科学依据和技术支持。
4.环保与可持续发展:
利用海水和海砂制备混凝土,不仅解决了传统混凝土制备过程中淡水的研究有助于推动混凝土材料的绿色化和可持续发展。 
拟解决的问题



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1.基础性能与约束应力影响
如何实现超高强和超高延性的有效结合?
非均匀被动约束应力对混凝土力学性能的影响规律是什么?
2.理论模型建立
如何构建描述非均匀被动约束应力作用下的混凝土力学响应模型?
预期成果
1.技术突破
掌握超高强超高延性海水海砂混凝土的制备方法。
提出改善混凝土力学性能的优化措施。
2.理论创新
建立并验证非均匀被动约束应力下的混凝土力学响应模型。
分析影响因素及其作用机制,提出设计和优化建议。
成果提交
1.完成项目结题报告书一份
2.在国内外学术期刊发表论文1篇 
1.准备阶段(2025.4-2025.8)
2025年04月-2025年7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7月-2025年8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(2025.8-2026.1)
2025年8月-2025年10月
进行超高强超高延性海水海砂混凝土的浇筑与养护,并对流动性进行初步观察。
进行阶段性记录和总结。
2025年10月-2025年12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-2026年04月
修改论文初稿,完成定稿。 
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了解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.文献调研:完成国内外关于海水海砂混凝土(SSC)力学性能、动态响应、耐久性及FRP-SSC组合结构研究的系统性梳理。
c.理论分析:提出非均匀被动约束应力作用下的力学响应模型框架,结合应变率效应和微观结构演化理论,初步构建了应力-应变本构关系。
d.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。
 
已具备的条件,尚缺少的条件及解决方法
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 做项目相关试验 6150.00 3850.00
1. 业务费 4100.00 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 超高强超高延海水海砂混凝土的研究 550.00 350.00
(2)能源动力费 1000.00 实验设备的运行和维护 500.00 500.00
(3)会议、差旅费 0.00 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 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 购买硅灰以及矿粉 3500.00 1400.00
结束