水泥基材料在化學損傷下的多場耦合作用

復雜環(huán)境與荷載作用下水泥基材料耐久性和安全性是人們關注的焦點。隨著現代化學工業(yè)、核工業(yè)以及土木水利工程建設的發(fā)展，與彈塑性損傷、疲勞損傷，及干燥、水化等物理作用的影響相比，化學損傷對水泥基材料的影響越來越顯著。本項目擬以酸性環(huán)境下的水泥基材料為研究對象，對化學損傷下的多場耦合特征進行科學基礎研究。研究內容包括：進行水泥石化學損傷試驗，研究鈣物質流失和化學腐蝕的全過程；在化學損傷試驗基礎上，進行力學試驗，研究水泥石在部分及完全化學腐蝕狀態(tài)下的力學性質；建立基于物質守恒定律和熱力學定律的力學-化學損傷模型，構建考慮尺寸效應、非局部影響、溫度效應和孔隙應力等多因素耦合的本構關系。本項目旨在揭示化學腐蝕環(huán)境下水泥基材料的力學行為，為砂漿、混凝土等水泥基材料的結構設計和安全度分析提供科學依據。

項目以西南高山峽谷地區(qū)大型水電工程建設為背景，針對深埋隧洞毫秒延遲爆破全斷面開挖和開挖掌子面循環(huán)推進過程，研究了深部高地應力巖體爆破破碎過程，確定了爆破開挖面上地應力瞬態(tài)卸荷力學過程，建立了爆破與巖體開挖瞬態(tài)卸荷耦合作用力學模型；通過研究爆破與巖體開挖瞬態(tài)卸荷耦合作用反復擾動引起的圍巖應力場調整和圍巖損傷演化過程，探明了深埋隧洞爆破開挖誘發(fā)圍巖損傷破壞的動力擾動機制，揭示了深埋隧洞爆破開挖圍巖損傷時域內的演化歷程和空間分布特征，提出了反映爆破開挖擾動反復作用影響的深埋隧洞開挖爆破損傷安全閾值。結合項目研究，發(fā)表論文16篇，其中SCI論文6篇、EI論文6篇，出版專著1部，培養(yǎng)碩士研究生4人。項目成果有助于加深對深部巖體工程開挖擾動區(qū)形成機理與演化規(guī)律的認識，豐富了深部巖體開挖效應的分析理論與計算方法，在水利水電、深部采礦和核廢料深埋處置等深部巖體工程領域具有推廣應用前景。 2100433B

研究納米尺度的硬質點、氣泡，以及結構相變等因素對金屬材料在高應變率加載下損傷演化和動態(tài)斷裂的影響。采用多種實驗技術，包括：氣體炮和脈沖強激光加載手段，配合測量板狀樣品在沖擊波壓縮和卸載過程中的自由面速度歷史，X射線閃光照相觀測，以及軟回收樣品的細觀組織分析，獲取層裂破壞的演化發(fā)展信息?；趯嶒灲Y果，建立物理模型，開展數值模擬，預期對層裂破壞現象的物理過程和發(fā)展規(guī)律獲得較全面的理解和認識。 2100433B

根據金屬應力腐蝕理論，應力狀態(tài)下的鋼筋在一定腐蝕環(huán)境中將表現出多場耦合行為，其銹蝕特性較單一環(huán)境因素作用時不同。本項目采用多因素耦合與多尺度分析的理念，研究鋼筋在環(huán)境-應力耦合作用下的銹蝕特征及演化規(guī)律。首先將不同環(huán)境因素與拉應力相耦合，正確模擬混凝土內鋼筋銹蝕過程的實際工況，從微-細-宏觀尺度對不同條件下鋼筋的銹蝕特征進行系統研究；其次將分形理論與定量體視學相結合，探求不同腐蝕條件下鋼筋不均勻銹蝕的定量表征指標，基于粗糙表面分形模擬技術及時間序列方法，實現鋼筋銹蝕過程中表面形貌演化過程的數值模擬；最后結合損傷力學與分形理論，提出一種兼顧鋼筋不均勻銹蝕損傷細觀特征描述與宏觀損傷力學分析需要的分形損傷變量，建立宏-細觀結合的鋼筋銹蝕損傷演化方程與內蘊損傷變量的本構關系，為混凝土結構耐久性評估、壽命預測及數值模擬提供理論指導。