（材料学专业论文）疲劳损伤和裂缝对混凝土耐久性的影响.pdf

摘要 疲劳荷载作用下的混凝土由于长期遭受腐蚀介质的作用，导致混凝土结构性能劣化，耐久性能 降低而提前发生破坏。目前应力与腐蚀共同作用造成混凝土结构耐久性退化己成为土木工程界面临 的主要问题，成为研究的一个热点问题；大多数混凝土结构都是带裂缝工作，裂缝成为一些侵蚀粒 子进入混凝土的通道，缩短混凝土结构的使用寿命，裂缝的存在对混凝土结构的耐久性影响也越来 越受人们的关注。本文结合苏通长江大桥的工程建设，以现场施工应用的配合比制备了试验用混凝 土，重点研究了环境介质与疲劳协同作用对其耐久性的影响，同时也研究了粉煤灰不同掺量、不同 的含气量以及掺钢纤维对混凝土性能的影响；并针对不同成因、不同宽度的裂缝对混凝土耐久性能 的影响进行了系统的研究。 混凝土疲劳损伤变量确定研究了各配合比混凝土在不同应力水平下，应变在抗弯疲劳过程中的 发展规律，通过疲劳试验结果的分析，采用残余应变和疲劳破坏时极限残余应变的比值来定义损伤 变量。 疲劳损伤对混凝土耐久性的影响针对损伤发展的第二阶段，重点研究了不同损伤程度的混凝土 耐久性的劣化情况。试验结果表明：疲劳损伤显著降低了各配合比混凝土的抗碳化能力，其碳化深 度随疲劳损伤的增加而增大；相同损伤程度下，含气量高( 5 ) 的混凝土其2 8 d 碳化深度值要大 于含气量低( 5 ) 的混凝土，而钢纤维混凝土则具有优异的抗碳化性能。同样，混凝土的抗冻性 能也随着疲劳损伤的增大而下降：当疲劳损伤达4 0 时，含气量越高的( 5 ) 混凝土经冻融循环后， 其相对动弹性模量急剧下降；而钢纤维混凝土的相对动弹性模量则下降得比较平缓。此外，疲劳损 伤也劣化了混凝土的抗渗性能，增大了氯离子的扩散系数。 裂缝对混凝土耐久性的影响通过不同的方法分别获得疲劳诱导裂缝、静载诱导裂缝和塑性收缩 裂缝；研究了混凝土裂缝处的碳化深度和氯离子扩散深度随裂缝宽度的变化情况。结果表明：裂缝 处的碳化深度和氯离子扩散深度值均随着裂缝宽度的增大呈升高趋势；对于相同裂缝宽度的静载诱 导裂缝处，基准混凝土的碳化深度和氯离子扩散深度均大于掺钢纤维混凝土的；同样，掺钢纤维后 不仅能够有效的防止混凝土开裂，而且同宽度的钢纤维混凝土裂缝处的碳化深度和氯离子扩散深度 都要明显小于比基准混凝土的。 疲劳损伤对混凝土耐久性的影响机理利用压汞仪和光学显微镜从细观结构层次分析了经疲劳 载荷作用后混凝土的孔结构、微裂纹和界面，揭示了疲劳损伤对混凝土耐久性劣化的成因。研究结 果表明：疲劳作用劣化了混凝土的孔结构，增大了总孔隙率，并增加了有害孔含量；同时，疲劳作 用也导致混凝土微裂纹在数量大幅度增多，在宽度和长度上不断增加；相同疲劳损伤程度的钢纤维 混凝土中的微裂纹的数量和尺度均明显低于比基准混凝土的。由于疲劳损伤使混凝土内部缺陷增多， 密实度降低，从而使得混凝土的耐久性随疲劳损伤程度的增大而降低。 关键词：混凝土钢纤维混凝土粉煤灰掺量含气量疲劳损伤裂缝耐久性 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t d u et ol o n g - t i m ee r o d i n g ，t h ep e r f o r m a n c eo fc o n c r e t eu n d e rf a t i g u el o a di sd e t e r i o r a t e da n dt h u s , i t w i l lb ed e s 仃o y e db e f o r e h a n d b e c a u s eo f t h ed e c l i n eo f d o r a b i f i t y a tp r e s e n t , t h ed e t e r i o r a t i o nt oc o n c r e t e s t r u c t u r ed u r a b i l i t y , w h i c hw a si n d u c e db yt h ec o m b i n e da c t i o no fs h e s sa n de r o s i o n ，h a sb e c o m eah o t t o p i ci nm a t e r i a lf i e l d m o s tc o n c r e t es t r u c t u r ei ss e r v i n gw i t hc r a c k s ，w h i c ha r ec h a n n e l sf o re r o s i v e p a r t i c l e si n t oi n n e rc o n c r e t e t h i sw i l lo b v i o u s l ys h o r t e nt h es e r v i c el i f e o fe o u c t c t e t h e r e f o r et h e i n f l u e n c eo f c r a c k so nt h ec o n c r e t ed u r a b i l i t yh a sc a u s e dm o r ee n dm o r ea t t e n t i o n i nt h i st h e s i s ，t h ee f f e c t o f d i f f e r e n tf a t i g u ee x t e n to ut h ec o n c r e t ed a r a b i l i t yi ss t u d i e d a l lt h er e s u l t sa r eb a s e d0 nt h ec o n s t r u c t i o n o f s u t o n gb t i d g ea n dt h eb l a n km i xp r o p o r t i o ni si na c c o r d a n c ew i t ht h ef i e l do n e a n dt h e nt h ei n f l u e n c e s o f f l y a s ha n da i rc o n t e n t a s w e l la s t h ea d d i n g o f s t e e l f i b e r s o n t h ec o n c r e t e p r o p e r t ya r es t u d i e d b e s i d e s r e s e a r c h e sa b o u tt h ee f f e c to fc r a c k sw i t l iv a r i o u sc a u s e sa n dw i d t h s0 1 1t h ed u m b i l i t yo fc o n c r e t ea f e c a r r i e do u ts y s t e m a t i c a l l y d e t e r m i n a t i o no ff a t i g u ed a m a g ev a r i a b l e sc o n c r e t eo fv a r i o u sm i xp r o p o r t i o n sa r el o a d e dt o d i f f e r e n ts t r e s sl e v e la n dt h ed e v e l o p i n gr u l eo fs 仃a i ni nb e n d i n gf a t i g u ep r o c e s si ss t u d i e d t h er a t i oo f r e s i d u a ls t r a i nt ou l t i m a t es t r a i na tf a t i g u ed e s t r o yi sd e f m e da st h ed a m a g ee x t e n t t h ei n f l u e n c eo ff a t i g u ed a m a g eo nc o n g r e t ed u r a b i l i t yt h i st h e s i si sm a i n l ya i m e da tt h es e c o n d f a t i g u es t a g ea n dt h ed e t e r i o r a t i o no fc o n c r e t e sw i t hd i f f e r e n td a m a g ee x t e n ti st h ee m p h a s i s t h er e s u l t s i n d i c a t et h a tf a t i g u ed a m a g ec a no b v i o u s l yw e a k e nc o n c r e t e sc a r b o n i z a t i o nr e s i s t a n c e ，a n dt h ec a r b o n a t i o n d a p t hw i l li n c r e a s ew i t ht h ef a t i g u ed a m a g ea g g r a v a t i n g u n d e rs i m i l a rd a m a g ee x t e n t , c o n c r e t ew i t h h i g h e ra i rc o n t e n t ( 5 ) w i l ls u f f e rd e e p e rc a r b o n i z a t i o nd e p t ht h a nt h o s ew i t hl o w e ra i rc o n t e n t s t e e l f i b e rc o n c r e t ep o s s e so u t s t a n d i n gc a r b o n i z a t i o nr e s i s t a n c e s i m i l a r l y , t h ef r o s tr e s i s t a n c eo fc o n c r e t ew i l l d e t e r i o r a t ew i t ha g g r a v a t e df a t i g u ed a m a g e w h e nt h ef a t i g u ed a m a g er e a c h e s4 0 t h er e l a t i v ee l a s t i c m o d u l u so fh i g h - a i r - c o n t e n tc o n c r e t ew i l ld r o pd r a m a t i c a l l y , a n d , h o w e v e r , t h a to fs t e e lf i b e rc o n c r e t ei s f a l l i n gd o w nm o r es l o w l y b e s i d e s ，f a t i g u ed a m a g ec a nd a m a g et h ei m p e r m e a b i f i t yo fc o n c l - t m ts a m p l e s ， a n di n c r e a s et h ed i f f u s i o nt o e l l i c i e n to f c l d o r i d ei nc o n c r e t es t r u c t u r e s e f f e c to fc r a c k so uc o n c r e t e sd u r a b i l i t yf a t i g u ei n d u c e dc r a c k s s t a t i c1 0 a di n d u c e da n dp l a s t i c s h r i n k a g ei n d u c e do n e sa r en l a d ei nm yt h e s i s s o m er e s e a r c h e s0 1 1t h ec h a n g e so fc a r b o n a t i o nd e p t ha n d d i f f u s i o nd e p t ho fc h l o r i d ea r o u n dt h ec r a c k sa r cc a r r i e do u t i t si n d i c a t e dt h a tb o t ht h ed e p t h sa r e i n c r e a s e dw i mt h ec r a c k sb r o a d e n i n g h a v i n gs i m i l a rc r a c k s ( i nw i d t h ) i n d u c e db ys t a t i cl o a d b l a n k c o n c r e t ew i l ls u f f e rh i g h e rd e p t h so fc a r b o n a t i o na n dc h l o r i d ed i f f u s i o n ，c o m p a r e dw i t hs t e e lf i b e r r e i n f o r c e dc o n c r e t e t h ec r a c k sw h i c hw e r ei n d u c e db ye a r l ys h r i n k a g ew i l ls h o wl e s si n f l u e n c eo f ft h e d u r a b i l i t yo fc o n c r e t es ol o n ga st h e yf i f ep r o p e r l yc u r e di nt h el a t e ra g e s t h ea d d i t i o no fs t e e lf i b e r sw i l l p r e v e n tc o n c r e t ec r a c k i n g o nt h ec a r b o n a t i o ne n dc h l o r i d ed i f f u s i o n , s h r i n k a g ei n d u c e dc r a c k sw i l ll e a d l o w e rd e p t hi ns t e e lf i b e rc o u c r e t ec o m p a r e dw i t hb l a n kc o n c r e t e i n f l u e n c i n gm e c h a n i s mo ff a t i g u ed a m a g eo nc o n c r e t ed u r a b i l i t ym e r c u r y - i n j e c t i o na p p a r a t u sa n d o p t i c a lm i c r o s c o p ya t eu t i l i z e dt oo b s e r v et h ep o r es t r u c t u r e s ，m i c r o e r a c k sa n di n t e r f a c e so ff a t i g u e d a m a g e dc o n c r e t ei nt h em e s o - l e v e l b a s e do i lt h i s ，t h ed e t e r i o r a t i o no fc o n c r e t ed u r a b i l i t yc a u s e db y f a t i g u ea r ee x p l a i n e d hi si n d i c a t e dt h a tf a t i g u ew i l ll e a dd e t e r i o r a t i o nt oc o n c r e t e sp o r es t r u c t u r e ，e n l a g o t h et o t a lp o r o s i t ya n dt h ea m o u n to fh a r m f u lp o r e s m e a n w h i l e f a t i g u el e a d st oag r e a ti n c r e a s eo f m i c r o c r a c k si nc o n c r e t e t h ew i d t ha n dl e n g t ho fm i c r o c r a c k sw i l li n c r e a s ew i t ht h ef a t i g u ed a m a g e a g g r a v a t i n g s u f f e r i n gt h es a m ed a m a g ee x t e n t , s t e e lf i b e rr e i n f o r c e do o n c r e t es h o w sl e s sa m o u n ta n d d i m e n s i o nc o m p a r e dw i t hb l a n ks a m p l e s d u et ot h ei n c r a m e n t a li n t e r n a ld e f e c t sa n dd e p r e s s e dd e n s i t y , d u r a b i l i t yo f c o n c r e t ew i l ld e t e r i o r a t ew i t ht h ea g g r a v a t e df a t i g u ed a m a g e k e y w o r d e ：c o n c r e t e s t e e lf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t e 玎ya s hc o n t e n t d a m a g e c r a c k s d u r a b i l i t y 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外。论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 吏函 日期： 坦星： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：垒凶导师签名：研究生签名：吏幽导师签名： i i l 缢 f 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 混凝土由于其具有原科来源广，成本低，养护后强度高等优点。因此混凝土成为建筑工程中最 主要的结构材料，钢筋混凝土结构也是世界上应用最广泛的结构形式。2 l 世纪混凝土仍然是当今世 界上用量最大、应用范围最广的土木工程材料，如今随处可见承载着我们高度发达的现代文明的基 础设施、大型桥梁、海底隧道和摩天大楼，混凝土在全球的基本建设中仍起着重大的意义。目前在 混凝土的配制技术上，强度已不再是难题，因此混凝土的耐久性就显得尤为重要。随着科学技术的 发展，人们对可持续发展的认识提高，混凝土耐久性与使用寿命问题己越来越受到人们的重视。在 国内外的许多重大的混凝土结构工程中，人们对其使用寿命提出了严格的设计要求。当今我国已进 入到大规模兴建和高速发展时期，所要建设和在建的重大混凝土工程都必须要求材料有抵抗各种力 学因素和环境因素复合作用下引起混凝土损伤破坏的能力。这是国家急需解决的问题，也是影响国 家可持续发展的重要方面。因此，如何保证结构混凝土在复杂损伤因素作用下具有高耐久性，又如 何进行科学评价和预测，至今仍是国内外没有解决的重大理论难题。 在国内外混凝土科学与技术的发展历程中，国际上重大基础工程的耐久性和服役寿命过早衰减 和失效已经引起国内外混凝土科学与工程界的密切关注。这是因为在很多工业化国家里，基础设施 修复或重建的支出已经达到或超过新建工程。根据2 0 0 3 美国基建工程调查报告【l 】，3 2 的主要道路， 2 8 的桥梁已劣化，需要修复。根据美国联邦高速路管理局的报告，每年仅修复钢筋混凝土桥梁的 直接支出就在8 0 亿美元左右1 2 j 。而2 0 0 5 美国基建工程调查报告口1 称桥梁修复的年支出已经增至9 0 亿美元，其中还提到，每年用于维修的费用高达5 4 0 亿美元。在美国的5 9 0 7 5 0 座桥梁中，有2 7 1 出现缺陷甚至失效。在今后的2 0 年中，每年将花费9 4 亿美元用于维修。从1 9 9 8 年以来，不安全的 大坝数已上升到3 3 ，即3 5 0 0 个；在美国的1 2 0 0 0 哩内河航线上。近5 0 的船闸失效。为了消除 危坝和更换现有的船闸系统将分别耗资上百亿美元和上千亿美元。整个调查表明。美国基建工程的 质量等级由1 9 9 8 年的c 级降到2 0 0 5 年的d 级，基建工程5 年内的计划需求也由1 9 9 8 年的1 万亿 美金增加到1 6 万亿美金。加拿大的调查研究表明，1 9 9 6 年城市基建工程升级的缺额为4 4 0 亿加元， 全国为1 0 0 0 亿加元，到2 0 0 6 年分别为6 0 0 亿加元和1 2 5 0 亿加元。他们主张用2 的基建费用用于 维修，否则6 0 年后这种缺额将高达1 万亿加元”】。如此高昂的维修费用，不得不引起高度重视。 目前我国正值建设的高潮，如果不重视结构混凝土耐久性，今后频繁的重建和维修费用将使国民经 济不堪重负。 我们既要学习国外的先进经验，更应重视国外的教训。如何保证和提高结构混凝土的耐久性和 服役寿命已是世界性难题。修复和重建不仅浪费资源，而且耗资巨大，建筑短寿给国家带来灾难性 的后果。唐明述院士曾提出：“提高基建工程的寿命是最大的节约嘲”。因此，长寿命、高耐久结构 混凝土已近被许多重大工程提到重要的地位。如国内第一、世界第三的大跨径润扬长江公路大桥在 建设过程中专门设立了“澜扬长江公路大桥结构混凝土的耐久性与寿命预测”专项研究课题，要求 保证大桥1 0 0 年的使用寿命。南京地铁工程也要求根据当地的环境条件，设计出满足1 0 0 年使用寿 命的高性能混凝土，并详细研究结构混凝土的损伤失效过程，建立相应的寿命预测模型。在国外关 东南大学硕士学位论文 于混凝土结构的使用寿命各不相同。如英国北海开采平台、日本明石海峡大桥、加拿大联盟大桥设 计使用寿命均为1 0 0 年：香港青马大桥，澳门的观光塔混凝土设计寿命为1 2 0 年；荷兰的谢尔德海 闸设计寿命为2 5 0 年【6 l 。丹麦大贝尔特海峡大桥规定设计使用寿命为1 0 0 年，既规定钢筋在1 0 0 年 不生锈。丹麦瑞典厄勒海峡工程规定所有混凝土结构须保证1 0 0 年使用寿命没，在1 0 0 年使用寿命 内不允许钢筋锈蚀，允许维护，但避免大规模维修和更换结构构件。即使在海水盐度高、干热、风 大、日夜温差大的中东海湾地区，沙特阿拉伯巴林法哈德高速公路的预应力箱梁和桥墩也要求使用 寿命1 5 0 年1 7 。国内近期建造和即将建造的重大桥梁工程其设计寿命也为1 0 0 年或1 0 0 年以上。如 苏通大桥主桥设计使用寿命就为1 0 0 年，即在1 0 0 年内仅需一般维护而不需进行大修的期限，辅桥、 引桥为6 0 年。 目前，国内外对提高和评估各等级结构混凝土的耐久性，基本上是依据单一因素作用的影响， 这与实际工程所承受的损伤因素的多重性、力学、环境变化及交互作用的现实情况极不相符。吴中 伟院士9 1 曾指出：“耐久性研究本身存在缺点，如习惯单一破坏因素的研究试验，与实际工程中多因 素的联合作用脱节，工作缺少组织与联系，大量重复劳动；采用不正确的简化、外推、归纳甚至夸 大的方法，得不到有用的结论。”因此，应当全面考虑实际工程中各种因素加速结构混凝土损伤劣化 的负效应。 实际工程中许多钢筋混凝土结构，如吊车粱、公路及铁路桥梁除了承受静载作用外，还要经常 承受重复荷载的作用。结构材料在重复荷载的作用下，将会发生低于静载强度的性能劣化，即疲劳 损伤。因此，对于这类结构设计，必须考虑结构构件的疲劳损伤问题。与此同时，许多混凝土结构， 如机场跑道、街道、公路与桥梁的路面、吊车粱、铁路轨枕等在服役过程中将承受周期重复的交通 荷载，高层建筑、重力式海洋平台、核电站混凝土保护层等还将承受地震荷载、风荷载、波浪荷载 等的作用。除了这些外加荷载的作用外，环境的变化( 如温度的变化，冻融循环) 都会在材料或结 构内部产生交变的应力，导致结构承载能力的衰减和结构混凝土耐久性的劣化。在这些重复荷载作 用下，结构( 或结构构件) 的各部位将承受重复应力和应变，以致在低于静载强度下发生疲劳失效。 在疲劳荷载作用下的损伤是导致混凝土结构失效的主要因素之一，还是引发混凝土耐久性破坏的重 要原因。 众所周知，与抗压强度相比混凝土的抗拉强度低，只有抗压强度的1 1 0 左右。因此，在钢筋混 凝土结构物与建筑物受拉应力集中的部位常会出现裂缝。如大墙面和建筑物发生的收缩开裂，墙体 的受剪开裂和墙面的沉降开裂等。还有一些是由于环境因素和钢筋混凝土自身的腐蚀引发的开裂。 如我国西部地区，气候条件特殊，冷热温差悬殊，昼夜温差更大，反复冻融作用下造成混凝土的开 裂剥落；由于箍筋保护层厚度不够或氯化物渗透扩散进入钢筋混凝土结构，引起了钢筋锈蚀，保护 层开裂。结构混凝土开裂不仅不能保证混凝土结构的安全性设计要求而且使混凝土的耐久性能也大 打折扣，使建筑物在未达到设计寿命时就己趋向破坏。 工程过早损伤破坏，甚至失效重建，以及桥梁倒塌或危桥不能通车，交通中断，运输不畅，不 仅会造成大量的经济损失，也会给社会带来严重的负面影响。例如日本的新干线混凝土隧道，由于 混凝土受硫酸盐侵蚀开裂，使用不到l o 年，出现了大面积的剥蚀开裂现象，导致突然破坏。发生了 砸在行使列车上的重大事故；我国1 9 9 9 年一年内因混凝土结构开裂损伤劣化，以及各种腐蚀造成结 构的破坏，其损失约为1 8 0 0 3 6 0 0 亿元。因各种侵蚀和结构劣化损伤，修补费用往往是初期建设费 用的2 3 倍【9 】 因此我们应当提高混凝土的施工工艺尽量避免和减少结构混凝土的开裂，同时又要控制混凝土 2 第一章绪论 的开裂，使裂缝数量和宽度在工程控制的范围内。高弹性模量纤维( 如钢纤维、碳纤维等) 能改善 混凝土的强度和刚性，目前研究最多的是钢纤维混凝土。在普通钢筋混凝土结构中掺入钢纤维，不但 可以提高抗拉、抗剪和抗弯强度，而且在使用性能如断裂韧性、极限应变、裂后承载和耐磨、抗折、 抗冲击、抗疲劳等方面都获得显著改善。而且，在混凝土中掺加钢纤维，将会对基体混凝土起限缩与 阻裂作用，减少裂缝的尺度和数量，缓和裂缝尖端应力集中程度，这对提高受力后钢纤维混凝土的物理 力学性能和耐久性能有重要作用。钢纤维混凝土的应用范围很广，在高层、大跨建筑工程，荷载较大的 仓库地面等结构中已得到广泛应用，国外已经比我国超前发展了几十年，而我国的纤维混凝土在实际 工程建设中的应用还处于起步阶段，因此迫切需要从材料层次上对钢纤维混凝土的疲劳后和开裂后 的耐久性进行研究，以便在国家工程建设的不断发展中，展示出钢纤维混凝土超群的优势 苏通大桥是江苏省继江阴长江大桥、南京长江二桥、润扬长江大桥之后的又一座特大型大桥， 全长8 2 0 6 米。主孔跨度( 1 0 8 8 米) 、主塔高度( 3 0 6 米) 、斜拉索的长度( 5 8 0 米) 和群桩基础( 4 2 2 7 1 方) 四项居世界第一。而索塔锚固区无疑又是受力最复杂的部位之一，要满足设计上的要求。施工 时要将混凝土泵送高达3 0 6 米的高度，要求混凝土粘聚性好、不离析、泌水小、可泵性好、坍落度 经时损失小；同时要考虑到大体积混凝土的温控抗裂，还应使混凝土具有良好的体积稳定性，而且 要考虑混凝土的外观质量。采取各种措施以提高施工性能和结构的长期耐久性，延长构筑物服役寿 命，这不仅大大提高项目投资效益，而且功在当代，利及千秋，具有深远的经济效益和社会效益。 本文将结合苏通长江大桥的工程建设，考虑疲劳损伤和裂缝对索塔锚固区c 5 0 高性能混凝土的 耐久性的影响。同时还对比了掺入钢纤维后，疲劳损伤和裂缝对钢纤维混凝土的耐久性影响。 1 2 国内外研究现状 结构混凝土是混凝土结构耐久性的基础，提高结构混凝土本身的耐久性至关重要。在人们的传 统观念中总是认为钢筋混凝土结构是用最为耐久的混凝土材料浇筑而成，虽然钢筋容易腐蚀，但有 混凝土保护层，钢筋也不会发生锈蚀，因此，对钢筋混凝土结构的使用寿命期望值也很高，容易忽 视了钢筋混凝土结构的耐久性问题。而实际中影响混凝土耐久性的因素很多，包括内在因素和外部 环境因素两个方面。内在因素主要有混凝土结构保护层厚度、水灰比和密实度、水泥品种和用量、 外加剂类型、结构、混凝土和钢筋的应力大小、裂缝等。外部环境因素主要有气候、潮湿、高温、 氯离子腐蚀、化学介质侵蚀、冻融、磨损等。由于混凝土是脆性材料，与抗压强度相比，抗拉强度 较低。素混凝土在载荷作用下一旦出现裂缝，就会导致结构崩溃。虽然钢筋混凝土大大改善了混凝 土结构的韧性，但钢筋混凝土出现裂缝后，一些侵蚀介质能通过裂缝腐蚀钢筋，并加剧裂缝的发展， 最后导致结构破坏。 大量工程实践证明1 0 - 1 1 ，国内钢筋混凝土结构损坏的主要原因之一是北冻南锈。漫长的海岸线上的 海港码头，广阔的盐碱地带以及北方仍大量使用除冰盐的地区，都潜存盐害条件。对南方地区，钢 筋的锈蚀是影响混凝土结构服役耐久性最重要的因素，钢筋锈蚀的研究是钢筋混凝土结构耐久性研 究的最重要内容之一。因此，加强混凝土结构耐久性研究，提高设计质量，延长结构使用寿命，具 有特别重大的现实意义。 3 东南大学硕士学位论文 1 2 1 混凝土疲劳损伤的研究现状 国外对混凝土的疲劳研究起始于2 0 世纪初。人们根据混凝土材料在承受疲劳荷载至破坏时荷 载的循环次数大致将疲劳荷载分为两类i 1 2 1 ：高周低幅与低周高幅。相应地高周疲劳是指应力水平低、 材料或结构在疲劳失效前应力循环次数达到n = 1 0 3 1 0 7 ，如机场跑道，公路、铁路桥梁及公路路 面属于这种疲劳模式。当应力水平较高，应力循环次数n 1 0 3 时称为低周疲劳，典型例子为地震 荷载，应力应变进入塑性范围。疲劳荷载形式也都多种，有抗压疲劳f l “”，轴拉疲劳，弯曲疲劳 1 7 - 1 s l ，劈拉疲劳”9 1 ，拉压疲劳“。 大量研究工作普遍发现并验证普通混凝土在疲劳荷载的作用下的失效可分为三个不同的阶段。 第一阶段，材料中原始的微小缺陷，在疲劳应力的作用下迅速发展，即缺陷的引发；第二阶段。这 些缺陷缓慢、不可恢复的增长，其尺寸达到某个临界值，是微裂缝的稳定发展阶段。第三阶段，数 量可观的微裂缝失稳发展，相互贯穿，形成宏观裂缝，最后导致破坏。疲劳的三阶段发展规律不仅 适用于普通混凝土1 2 1 - 2 2 】，而且还适用于高强混凝土 2 3 1 、轻骨料混凝土2 卅以及纤维增强混凝土口5 1 ， 具有重要的指导意义。 钢纤维增强混凝土( s t e e lf i b e rr e i n f o r c e dc o n e r g t e s f r c ) 是应用最广泛的纤维增强混凝土材料， 因此主要介绍s f r c 混凝土疲劳性能研究的情况。基于大量的研究结果，一般认为纤维在混凝土中 应用能明显提高混凝土抗弯疲劳性能【l ”，且纤维改善混凝土疲劳性能的能力与纤维的掺量( 体积 率) 、种类及几何形状有关口7 1 。还有的研究者认为普通混凝土中掺加纤维能够使f r c 像钢铁等金属 材料一样具有疲劳极限，从而使f r c 成为更具吸引力的材料。对纤维改善混凝土抗疲劳性能的机理， 归结于其在裂缝稳定增长阶段对裂缝增长的阻止和延缓作用【l ”。在f r c 中乱向分布的纤维的连接及 拔出所耗散的能量，延迟裂缝的扩展，从而提高混凝土的抗疲劳能力9 目。k w a k t ，n a a m a n t 驯1 及 p a s k o v a p ”等学者的研究认为纤维增强混凝土具有良好的韧性，而在循环荷载作用下能够吸收更多 的能量，使疲劳性能得到改善。值得提出的是，纤维对混凝土疲劳性能的影响是具有两面性的，纤 维提高混凝土材料不仅能抑制疲劳裂缝扩展能力，同时可能会增加材料中的缺陷( 如增加了界面) ， 从而对疲劳性能产生负面的影响”“。 较早时期，研究重点是在试验基础上确定应力水平s 和疲劳寿命| v 的相互关系，即获得蹦曲 线，而描述s - n 曲线的经验公式被称为疲劳方程。目前的研究表明 3 2 - ：j 3 1 ，三参数w e i b u l l 分布是对疲 劳寿命拟合最好的，但在确定实际中的模型参数还有很多问题要解决。随着研究的深入，人们更关 心材料在疲劳荷载下损伤过程，以及这一过程中材料宏观性能如残余变形、强度、刚度等的变化规 律。6 y l l t o f t 等m 1 应用断裂力学理论建立模型或描述疲劳荷载作用下断裂破坏、裂缝发展速率。 r a j i u l 3 5 1 较早研究了混凝土轴压疲劳加载过程中刚度退化规律，得到了循环卸载割线弹性模量不断降 低的结论。王时越等p ”的研究表明疲劳过程中混凝土刚度衰减呈三阶段规律。欧进萍，林燕清p 1 根据试验结果定义了单级和两极等幅疲劳剩余极限强度和剐度的衰减率的表达式，并推广到多级等 幅疲劳荷载情况。z h a n g ( 张滨生) 和k e r uw l l ( 吴科如) 3 ”，赵造东，张立翔等p 9 1 ，b a l u e h 等 4 0 l 测试了 经历不同周次疲劳荷载作用的试件的剩余强度，剩余强度与刚度一样随循环荷载周次的增加而下降， 并建立相应的模型描述疲劳荷载作用下强度的衰减规律。赵永利和孙伟1 讨论了疲劳过程的应力比 变化规律，定义了损伤变量，得到了以混凝土材料疲劳寿命为基础的疲劳损伤方程。张小辉i 4 2 等将 残余应变定义为损伤变量，并根据疲劳损伤积累损伤理论给出了钢纤维混凝土的弯曲疲劳损伤力学 4 第一章绪论 模型。 基于无损检测技术的独特优点，近年来该技术在混凝土损伤的确定方面的得到了广泛的应用。 杜云等研究了混凝土在疲劳试验过程中的a e ( a c o u s t i ce m i s s m n ) 特性，发现a e 事件的累计次 数及发生频率在试件疲劳破坏前急剧增加，疲劳寿命越长，a e 事件的累计数越大。朱劲松，宋玉 普“发现超声波速度呈三阶段衰减的规律。d d l c 1 1 u n g 4 5 1 采用接触电阻的方法研究了剪切疲劳荷 载作用下混凝土与钢筋的粘结，发现经过较少次数的循环后接触电阻产生突然的增加。z h a n g ( 张滨 生) 和k e r uw u ( 吴科如) d 8 1 采用敲击法和共振法测试了加载前和承受一定周次疲劳荷载的试件动弹性 模量、动剪切模量以及泊松比，并建立了以上力学参数相对下降值与归一化循环周次的线性关系。张 国炳等结合c t 扫描技术拍摄了沥青路面芯样轴向压缩疲劳时不同疲劳阶段的细观结构图像，利 用c t 图像计算分析试件疲劳损伤演化过程，提出相应的损伤变量并获得材料的损伤演化方程。 随着研究的深入，人们的研究目光不在局限于混凝土材料的疲劳寿命、应力水平和疲劳变形的 发展过程，而是想找一变量来客观、准确的定义材料在循环荷载作用下物理力学性能逐渐劣化和材 料内部细观损伤的程度，即定义疲劳损伤变量。目前，工程上常用的有以下几种定义方式。 弹性模量法。部分文献 4 7 - 4 s 1 根据疲劳过程中混凝土弹性模量衰减的规律和特点，用来定义损伤 变量如下： f d = l 一= 生( 1 1 ) 式中 瓦混凝土初始弹性模量； e n n 次疲劳后的弹性模量； 另外，在此基础上用剪切模量等参数来定义损伤变量，也归结为同一方法。 超声波速法。有文献4 1 的试验结果表明混凝土的超声波速与其强度、弹性模量和内部微裂缝密 度等密切相关，因此超声波速的变化规律也能较好地反映混凝土各参数的劣化程度，并由此定义损 伤变量： d ：l 一阜( 1 2 ) v ；o 式1 2 中 v 疲劳n 次后混凝土的横向超声波速； v t 0 初始无损时的横向超声波速； 剩余强度法。r a v i n d r a l 5 0 1 根据混凝土纵向受压疲劳加载后， 用劈拉强度的衰减来定义损伤变量，即： d ：l 一旦 l t 式1 3 中 5 横向劈拉强度降低的特点，提出了 ( 1 3 ) 东南大学硕士学位论文 z 混凝土试件初始无损劈拉强度； 仉受压疲劳一定次数后的剩余劈拉强度： 最大疲劳应变法。文献5 1 1 根据混凝土双轴受压疲劳试验和先前单轴疲劳试验得到的最大疲劳应 变呈三阶段发展的规律，认为该规律也是混凝土内部损伤演化的反映，并在此基础上提出了应用最 大疲劳应变定义的损伤变量，如下式： 。= 籀 n 。， 二一二 式1 4 中 o 混凝土疲劳初始的最大应变； 0 混凝土疲劳n 次后瞬时最大应变； ：混凝士疲劳破坏时极限最大应变； 残余应变法。类似的公式形如式1 4 ，也有简化后定义的损伤变量，见下式： d ：芝 ( 1 5 ) ! 式1 5 中 ，混凝土疲劳n 次后的残余应变； ! 混凝土疲劳破坏时极限残余应变； 大量的研究发现1 5 2 - 5 4 1 混凝土损伤发展规律与疲劳变形发展规律是一致的，与加载历史无关，并 且疲劳破坏时残余应变几乎为定值。 此外还有耗散能量法和声发射累计数法。根据能量守恒原理，m i r o s l a w p ”认为混凝土的疲劳破 坏就是能量释放的过程，在此基础上定义疲劳一定次数后所耗散的能量与破坏时混凝土耗散的总能 量的比值作为损伤变量。声发射是材料结构受外力或内力作用产生变形、裂缝张开或发展过程中伴 随的以弹性波形式释放应变能的现象。声发射的发展趋势也反映了混凝土内部破坏的微观过程，由 此可以判断出混凝土的断裂和脆性等特征。部分研究表明【4 3 】，声发射累计数随循环次数地增加而逐 步增大，在疲劳破坏前急剧变化；疲劳寿命越长其累计数越大。因此也用此方法定义损伤变量来描 述混凝土疲劳损伤的过程。 综上所述，目翦关于混凝土疲劳损伤变量的定义还没有一个明确的参量和方法，但从以上常用 的几种定义方式来看，都能在不同程度上反映出混凝土疲劳损伤的非线性过程和规律。因此，对于 混凝土疲劳损伤变量的定义，还需要进一步的深入研究和试验验证，便于在工程应用和科学研究中 能较好地反映混凝土内部疲劳损伤机理和程度。 6 第一章绪论 1 2 2 混凝土耐久性的研究现状 混凝土耐久性越来越受到国内井研究者的关注。目前混凝土在环境因素作用下的损伤失效研究 主要集中在单一因素作用下的损伤失效研究。经过众多研究者的努力，已经取得了大量的研究成果， 并制定了一定的技术规范，对国内外基础建设起到了重要的指导作用，并保证混凝土工程的长期运 营能力提供了有力的保障。 随着工业化的大生产，大气中的二氧化碳浓度是逐渐增加，因而混凝土的碳化问题也越来越严 重。国际上一些发达国家从2 0 世纪6 0 年代就开始对混凝土碳化进行大量的试验研究和理论分析。 通过快速碳化试验研究、长期暴露和工程调查，研究混凝土碳化的影响因素与碳化深度预测模型。 对于混凝土碳化深度的计算和碳化模型的建立，主要是基于f i c k 定律的推导，国内外学者如牛荻涛 f ，张誉和蒋利学5 ”，p a p a d a k i s 5 8 1 普遍认同如下公式： d = a t 6( 1 6 ) 式中 d 碳化深度； f 碳化时间； a 、b 碳化系数； 碳化系数a 、b 在考虑水灰比、粉煤灰掺量、水泥品种、养护方法环境的不同其差别是的值不 同。国内外学者考虑了各种条件和多种因素影响下的碳化预测模型，都形如公式1 6 ，只是对系数4 、 b 进行了修正，这里就不赘述。 从上个世纪四十年代以后，美国、原苏联、欧洲、日本等均开展过混凝土冻融破坏机理的研究， 提出的破坏理论有5 6 种口”，比较著名的有静水压假说和渗透压假说抗冻性是混凝土耐久性的 一个重要指标，由于研究的背景需要，钢筋的锈蚀是必须考虑的问题。目前钢筋锈蚀的问题主要是 氯离子导致的混凝土钢筋锈蚀，因此氯离子在混凝土的扩散规律就决定了钢筋混凝土的使用寿命， 因而当前的研究都集中在氯离子在混凝土中的扩散规律研究。主要建立的理论模型有，基于快速迁 移试验的f i c k 第一扩散定律和基于长期腐蚀的f i c k 第二定律【”。在扩散模型中，首要测试的是 混凝土的扩散系数，当前研究混凝土氯离子扩散的测试方法主要有长期浸泡法；a a s h t oy 2 2 7 ( a s l mc 1 2 0 2 ) 加速试验法；电迁移法；电阻法；压力渗透法等。 在氯离子向混凝土内部扩散的过程中，一方面混凝土本身的胶凝材料如未水化水泥颗粒及活性 矿物掺合料继续进行后期水化作用，导致混凝土内部孔隙不断被新的水化产物填充，结构逐渐密实； 另一方面，氯离子扩散进入混凝土内部的化学结合作用产生的f r i e d e i s 盐也使得混凝土的孔径分布 向小孔方向移动* “。氯离子向混凝土内部入侵，其过程是一个长期的物理过程：包括扩散、对流、 渗透、毛细管抽吸等：同时又是一个化学过程，其中氯离子结合改变了混凝