摘要
建设海洋强国是实现中华民族伟大复兴的重大战略任务，“大力发展预制装配式构件”是重要举措之一。轻质高强混凝土（LightweightHigh-StrengthConcrete，LHSC）具有低密度和高强度的特点，采用LHSC制作预制装配构件具有轻质高强、材料和运输成本低等优点，适用于海上石油平台和桥梁甲板等海洋基础设施。本研究以抗压强度≥60MPa、密度≤1500kg/m3的LHSC作为研究对象，一方面通过掺入纳米材料对LHSC进行改性并探讨纳米材料种类及掺量对LHSC基本力学性能和耐久性能的影响；另一方面，对GFRP混合配筋LHSC板抗弯性能进行分析并建立抗弯承载力预测模型，为LHSC的工程实际应用提供参考。主要工作内容和结论如下： （1）开展采用纳米材料改性LHSC基本性能研究。以抗压强度≥60MPa、密度≤1500kg/m3的LHSC作为基质，通过不同掺量的纳米二氧化硅（nano-SiO2简称NS）、纳米氧化铝（nano-Al2O3简称NA）、纳米碳酸钙（nano-CaCO3简称NC）对LHSC进行改性，并对改性LHSC的工作性能和抗压性能进行研究。研究结果表明：掺入纳米材料会稍微降低LHSC的工作性能，且掺入NS时流动度下降的不利影响相对NA、NC更大，而预先对NS进行超声分散处理能减小这一不利影响；掺入未分散的纳米材料会降低LHSC的抗压强度，但有效的超声分散能使纳米材料充分发挥纳米效应，从而提高LHSC的抗压强度；微观结构分析表明，纳米材料有助于C-A-S-H凝胶的产生并改善空心微珠、钢纤维和基体之间的界面，使LHSC的结构更为致密。 （2）开展采用纳米材料改性LHSC的耐久性能研究。通过不同掺量的纳米二氧化硅（NS）、纳米氧化铝（NA）、纳米碳酸钙（NC）对LHSC进行改性，并对改性LHSC的耐久性能（包括抗水渗透、抗氯离子渗透、抗硫酸盐侵蚀、抗冻融循环）进行系统研究。研究结果表明：虽然以空心微珠为唯一微集料的LHSC具有多孔性，但是LHSC拥有极低的孔隙连通率，使其具有优异的抵抗外部有害物质入侵混凝土内部的能力，这也是LHSC耐久性好的原因；掺入纳米材料能够进一步提高LHSC的抗渗性能，但会稍微降低其抵抗氯离子侵蚀、硫酸盐侵蚀和冻融作用的能力，其原因是未分散纳米材料的团聚现象使LHSC内部形成缺陷，不利于抵抗外部有害物质入侵混凝土内部。 （3）开展GFRP混合配筋增强LHSC板抗弯性能研究。设计了GFRP筋和钢筋混合配筋增强LHSC板并对其抗弯性能进行研究，探讨了筋材种类、配筋率、配筋比、钢纤维的掺量及LHSC强度对GFRP混合配筋LHSC板抗弯性能、破坏模式和裂缝宽度的影响，并以此为基础建立了GFRP混合配筋LHSC板抗弯承载力理论预测模型。实验结果表明，掺入1%的钢纤维能大幅度提高LHSC板的开裂荷载及抗弯承载力；提高配筋率、在配筋率相同情况下用GFRP筋替代钢筋、以及提高配筋比能不同程度地提高LHSC板的开裂荷载以及抗弯承载力；采用GFRP-钢筋混合配筋既能提高LHSC板的抗弯承载力，又能保证LHSC板的延性破坏。基于测试结果和破坏模式分析，建立了GFRP混合配筋LHSC板抗弯承载力理论预测模型；经验证，所提出的抗弯承载力预测模型能够准确预测GFRP混合配筋LHSC板的抗弯承载力，为LHSC的应用提供了理论依据。
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