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钢-连续纤维复合筋增强海砂混凝土梁性能的多维度探究与应用展望

一、绪论

1.1研究背景与意义

随着全球基础设施建设的不断推进，建筑材料的需求持续增长。海砂作为一种丰富的自然资源，在沿海地区储量巨大，将海砂用于制备混凝土，即海砂混凝土，成为解决建筑用砂短缺问题的潜在途径之一。海砂混凝土在力学性能方面，早期抗压强度发展迅速，这主要归因于海砂中携带的无机盐离子能够加速混凝土的水化进程，促使更多Friedel盐和AFt的生成，从而显著提升早期强度。然而，其后期强度发展速率会逐渐降低，甚至可能低于普通混凝土，整体强度也会有一定程度的削弱，这是由于膨胀性水化产物的逐渐累积，导致混凝土内部产生微裂缝，不仅加剧了混凝土的碳化程度，还降低了其耐久性。在耐久性能方面，海砂混凝土在氯盐环境、硫酸盐环境中表现出较好的耐久性，这得益于海砂中含有的细颗粒、碎屑和贝壳等物质，它们能够填补混凝土中的孔隙带，进而提高混凝土的密实性和稳定性。但海砂中过高的氯离子含量会导致钢筋锈蚀，严重影响混凝土结构的耐久性和使用寿命，如1995年韩国首尔的三丰大厦倒塌事故和2011年广东汕尾塌楼事故，皆是因海砂使用不当，钢筋锈蚀引发结构破坏，造成了大量伤亡。因此，深入研究海砂混凝土的性能及应用，对于合理利用海砂资源、推动建筑行业可持续发展具有重要意义。

传统钢筋在海砂混凝土这种富含氯盐等侵蚀性介质的环境中，极易发生锈蚀。钢筋锈蚀不仅损害钢筋本身，还会因膨胀作用在混凝土中产生微小裂缝，进一步加速混凝土结构的劣化，严重影响结构的安全性和耐久性。钢-连续纤维复合筋作为一种新型的增强材料，由内芯钢筋与纤维增强复合材料（FRP）外包覆层复合而成。FRP材料具有高强度、低密度、优良的抗腐蚀性能、良好的耐久性能和热稳定性等特点，而钢筋则具有较高的弹性模量和较好的延性。二者复合后，钢-连续纤维复合筋不仅具备良好的耐腐蚀性能，能够有效抵抗海砂混凝土中氯离子等的侵蚀，还拥有稳定的屈服后二次刚度，有望提升混凝土结构在复杂环境下的力学性能和抗震性能。在新建结构和加固领域，钢-连续纤维复合筋都展现出了广泛的应用前景。

目前，虽然国内外学者对海砂混凝土和钢-连续纤维复合筋分别进行了一定的研究，但将钢-连续纤维复合筋应用于海砂混凝土梁的研究还相对较少。对钢-连续纤维复合筋增强海砂混凝土梁基本性能的研究，有助于深入了解这种新型组合结构的工作机理和性能特点。从理论层面来看，能够进一步完善海砂混凝土结构和纤维增强复合材料的相关理论体系，为后续研究提供更坚实的理论基础；从工程应用角度出发，通过明确钢-连续纤维复合筋与海砂混凝土之间的粘结性能、海砂混凝土梁的抗弯性能、抗剪性能等关键性能指标，能够为海洋工程、沿海建筑等实际工程中采用这种新型结构提供科学依据和技术支持，推动其在实际工程中的广泛应用，提高工程结构的安全性、耐久性和经济性，具有显著的理论意义和工程实用价值。

1.2国内外研究现状

1.2.1海砂混凝土研究进展

海砂混凝土的力学性能研究是其应用的基础。众多学者针对海砂混凝土的抗压强度、抗拉强度等力学性能展开了大量研究。在抗压强度方面，研究表明海砂混凝土的抗压强度与砂、海沙比例呈现非线性关系，一般随着砂、海沙比例的增加，抗压强度先升高后降低，在一定比例范围内达到最大值。例如，宁博等以海砂、河沙分别制备同等级高性能混凝土，试验发现试样养护28天的海砂混凝土的抗压强度优于天然河沙；陈宗平等对海水、海砂取代率对混凝土的力学特性影响的试验研究中发现海水对海砂混凝土轴压力学性能具有早强作用。在抗拉强度方面，在相同或相近的抗压强度下，海砂混凝土的抗拉强度与普通混凝土相比略有提高，但海沙中含有的盐分和其他杂质等因素，可能会对海砂混凝土的抗拉性能产生一定的负面影响。

在耐久性能方面，海砂混凝土与传统混凝土相比，在氯盐环境、硫酸盐环境中的耐久性更好。通过多项抗盐试验，发现海砂混凝土的耐盐性优于传统混泥土，这是由于海砂混凝土的海沙中含有较高含量的细颗粒、碎屑和贝壳等物质，这些成分有利于填补混凝土中的孔隙带，进而提高混凝土的密实性和稳定性。然而，海砂中氯离子含量过高会导致钢筋锈蚀，严重影响混凝土结构的耐久性。混凝土结构中的钢筋在锈蚀时，水分子会参与其腐蚀过程，在水分和氧气的共同作用下，钢筋表层中的铁因为电子的丧失开始被逐步腐蚀，而且电化学反应的发生会激发更大程度的钢筋腐蚀，此过程中也不会损失氯离子，使电化学反应得以持续，最终使钢筋产生严重腐蚀。为解决这一问题，学者们提出了多种措施，如对海砂进行淡化处理，主要方法包括自然堆置法、机械法、淡水冲洗法和混合法等；采用纤维增强复合材料（FRP）替换钢筋技术，以提高结构的耐腐蚀性。

在应用研究方面，随着海洋工程建设项目的增多，海砂