水泥基材料在化学损伤下的多场耦合作用

复杂环境与荷载作用下水泥基材料耐久性和安全性是人们关注的焦点。随着现代化学工业、核工业以及土木水利工程建设的发展，与弹塑性损伤、疲劳损伤，及干燥、水化等物理作用的影响相比，化学损伤对水泥基材料的影响越来越显著。本项目拟以酸性环境下的水泥基材料为研究对象，对化学损伤下的多场耦合特征进行科学基础研究。研究内容包括：进行水泥石化学损伤试验，研究钙物质流失和化学腐蚀的全过程；在化学损伤试验基础上，进行力学试验，研究水泥石在部分及完全化学腐蚀状态下的力学性质；建立基于物质守恒定律和热力学定律的力学-化学损伤模型，构建考虑尺寸效应、非局部影响、温度效应和孔隙应力等多因素耦合的本构关系。本项目旨在揭示化学腐蚀环境下水泥基材料的力学行为，为砂浆、混凝土等水泥基材料的结构设计和安全度分析提供科学依据。

项目以西南高山峡谷地区大型水电工程建设为背景，针对深埋隧洞毫秒延迟爆破全断面开挖和开挖掌子面循环推进过程，研究了深部高地应力岩体爆破破碎过程，确定了爆破开挖面上地应力瞬态卸荷力学过程，建立了爆破与岩体开挖瞬态卸荷耦合作用力学模型；通过研究爆破与岩体开挖瞬态卸荷耦合作用反复扰动引起的围岩应力场调整和围岩损伤演化过程，探明了深埋隧洞爆破开挖诱发围岩损伤破坏的动力扰动机制，揭示了深埋隧洞爆破开挖围岩损伤时域内的演化历程和空间分布特征，提出了反映爆破开挖扰动反复作用影响的深埋隧洞开挖爆破损伤安全阈值。结合项目研究，发表论文16篇，其中SCI论文6篇、EI论文6篇，出版专著1部，培养硕士研究生4人。项目成果有助于加深对深部岩体工程开挖扰动区形成机理与演化规律的认识，丰富了深部岩体开挖效应的分析理论与计算方法，在水利水电、深部采矿和核废料深埋处置等深部岩体工程领域具有推广应用前景。 2100433B

研究纳米尺度的硬质点、气泡，以及结构相变等因素对金属材料在高应变率加载下损伤演化和动态断裂的影响。采用多种实验技术，包括：气体炮和脉冲强激光加载手段，配合测量板状样品在冲击波压缩和卸载过程中的自由面速度历史，X射线闪光照相观测，以及软回收样品的细观组织分析，获取层裂破坏的演化发展信息。基于实验结果，建立物理模型，开展数值模拟，预期对层裂破坏现象的物理过程和发展规律获得较全面的理解和认识。 2100433B

根据金属应力腐蚀理论，应力状态下的钢筋在一定腐蚀环境中将表现出多场耦合行为，其锈蚀特性较单一环境因素作用时不同。本项目采用多因素耦合与多尺度分析的理念，研究钢筋在环境-应力耦合作用下的锈蚀特征及演化规律。首先将不同环境因素与拉应力相耦合，正确模拟混凝土内钢筋锈蚀过程的实际工况，从微-细-宏观尺度对不同条件下钢筋的锈蚀特征进行系统研究；其次将分形理论与定量体视学相结合，探求不同腐蚀条件下钢筋不均匀锈蚀的定量表征指标，基于粗糙表面分形模拟技术及时间序列方法，实现钢筋锈蚀过程中表面形貌演化过程的数值模拟；最后结合损伤力学与分形理论，提出一种兼顾钢筋不均匀锈蚀损伤细观特征描述与宏观损伤力学分析需要的分形损伤变量，建立宏-细观结合的钢筋锈蚀损伤演化方程与内蕴损伤变量的本构关系，为混凝土结构耐久性评估、寿命预测及数值模拟提供理论指导。