水泥基材料在化學(xué)損傷下的多場耦合作用項目摘要

復(fù)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(guān)注的焦點。隨著現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)、核工業(yè)以及土木水利工程建設(shè)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(xué)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(xué)損傷下的多場耦合特征進(jìn)行科學(xué)基礎(chǔ)研究。研究內(nèi)容包括：進(jìn)行水泥石化學(xué)損傷試驗，研究鈣物質(zhì)流失和化學(xué)腐蝕的全過程；在化學(xué)損傷試驗基礎(chǔ)上，進(jìn)行力學(xué)試驗，研究水泥石在部分及完全化學(xué)腐蝕狀態(tài)下的力學(xué)性質(zhì)；建立基于物質(zhì)守恒定律和熱力學(xué)定律的力學(xué)-化學(xué)損傷模型，構(gòu)建考慮尺寸效應(yīng)、非局部影響、溫度效應(yīng)和孔隙應(yīng)力等多因素耦合的本構(gòu)關(guān)系。本項目旨在揭示化學(xué)腐蝕環(huán)境下水泥基材料的力學(xué)行為，為砂漿、混凝土等水泥基材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計和安全度分析提供科學(xué)依據(jù)。

項目以西南高山峽谷地區(qū)大型水電工程建設(shè)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(jìn)過程，研究了深部高地應(yīng)力巖體爆破破碎過程，確定了爆破開挖面上地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷力學(xué)過程，建立了爆破與巖體開挖瞬態(tài)卸荷耦合作用力學(xué)模型；通過研究爆破與巖體開挖瞬態(tài)卸荷耦合作用反復(fù)擾動引起的圍巖應(yīng)力場調(diào)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(jī)制，揭示了深埋隧洞爆破開挖圍巖損傷時域內(nèi)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(fù)作用影響的深埋隧洞開挖爆破損傷安全閾值。結(jié)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(jī)理與演化規(guī)律的認(rèn)識，豐富了深部巖體開挖效應(yīng)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(lǐng)域具有推廣應(yīng)用前景。 2100433B

研究納米尺度的硬質(zhì)點、氣泡，以及結(jié)構(gòu)相變等因素對金屬材料在高應(yīng)變率加載下?lián)p傷演化和動態(tài)斷裂的影響。采用多種實驗技術(shù)，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(xì)觀組織分析，獲取層裂破壞的演化發(fā)展信息?；趯嶒灲Y(jié)果，建立物理模型，開展數(shù)值模擬，預(yù)期對層裂破壞現(xiàn)象的物理過程和發(fā)展規(guī)律獲得較全面的理解和認(rèn)識。 2100433B

根據(jù)金屬應(yīng)力腐蝕理論，應(yīng)力狀態(tài)下的鋼筋在一定腐蝕環(huán)境中將表現(xiàn)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(yīng)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(yīng)力相耦合，正確模擬混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕過程的實際工況，從微-細(xì)-宏觀尺度對不同條件下鋼筋的銹蝕特征進(jìn)行系統(tǒng)研究；其次將分形理論與定量體視學(xué)相結(jié)合，探求不同腐蝕條件下鋼筋不均勻銹蝕的定量表征指標(biāo)，基于粗糙表面分形模擬技術(shù)及時間序列方法，實現(xiàn)鋼筋銹蝕過程中表面形貌演化過程的數(shù)值模擬；最后結(jié)合損傷力學(xué)與分形理論，提出一種兼顧鋼筋不均勻銹蝕損傷細(xì)觀特征描述與宏觀損傷力學(xué)分析需要的分形損傷變量，建立宏-細(xì)觀結(jié)合的鋼筋銹蝕損傷演化方程與內(nèi)蘊損傷變量的本構(gòu)關(guān)系，為混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評估、壽命預(yù)測及數(shù)值模擬提供理論指導(dǎo)。