（材料学专业论文）多因素耦合作用下高性能混凝土的长期物理力学性能研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt ow u h a n u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y f o r t h ed o c t o r sd e g r e ei ne n g i n e e r i n g 一 一 r e s e a r c ho nl o n g - t e r mp h y s i c a la n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fh i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t ee x p o s e d t om u l t i p l ec o r r o s i v ee n v i r o n m e n t p h d c a n d i d a t e ：y u a nx i a o l u s u p e r v i s o r ：p r o f z h o um i n g k a i m a j o r ：m a t e r i a ls c i e n c e w u h a n u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y w u h a n ，4 3 0 0 7 0 ，e r c h i n a a p r i l2 0 1 0 t_寸j、_算 己 p i 、 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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 己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工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己 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 、 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 导师签名：日期： |、 、 ，- ：k 、 ， l y k j j 一 - 0 j 一 己 i 摘要 桥梁的生存环境复杂多样，外部荷载和各种环境侵蚀因素交互作用，使得混 凝土材料长期性能不足，严重影响了桥梁结构的服役寿命。现有混凝土耐久性试 验方法在试验制度和评价指标方面普遍存在设计不合理的问题，导致混凝土材料 劣化试验结果缺乏规律性的总结和分析。本文针对典型腐蚀环境因素包括硫酸盐 侵蚀、干湿循环、冻融循环、氯盐等以及弯曲荷载因素的交互作用，研究了高性 能混凝土长期物理力学性能的室内加速试验方法及性能演变规律，开展了高性能 混凝土的长期性能评估和寿命预测分析，以期为改善我国混凝土桥梁的建设质 量、保证使用寿命提供技术支持。本文主要的研究内容如下： ( 1 ) 选取了我国内陆桥梁典型腐蚀环境因素与弯曲荷载因素进行组合，建 立了多因素耦合作用下桥梁混凝土物理力学性能演变规律的室内加速试验方法。 ( 2 ) 采用建立的加速试验方法，定量研究了多因素耦合作用下桥梁高性能 混凝土的长期物理力学性能演变规律及其与组成材料之间的关系。冻融循环和氯 盐一冻融循环作用下混凝土的物理力学性能演变过程分为缓慢劣化段和加速劣 化段，可用二次多项式表示，在此基础上建立了矿物掺合料掺量对混凝土性能演 变方程的影响函数，矿粉和引气剂的掺入有效延缓了侵蚀过程中混凝土性能的劣 化；干湿循环一硫酸盐侵蚀作用下混凝土的物理力学性能演变过程分为增长段和 劣化段，混凝土质量损失率、抗压强度、抗折强度和氯离子扩散系数的演变过程 可用二次多项式表示，相对动弹性模量的演变过程符合高斯曲线，在此基础上建 立了水胶比和矿物掺合料掺量对混凝土性能演变方程的影响函数，早强剂和引气 剂的掺入延缓了粉煤灰混凝土的性能劣化；在荷载一千湿循环条件下，矿物掺和 料的掺入减小了混凝土的氯离子渗透深度，早强剂和引气剂的掺入提高了侵蚀过 程中混凝土的氯离子渗透深度值；在荷载一氯盐一冻融循环耦合作用下，矿物掺 合料和引气剂的掺入降低了混凝土的强度损伤。 ( 3 ) 采用x r d 、s e m e d s 、m m 等亚微观测试手段，结合损伤理论分析， 研究了多因素耦合作用下混凝土的长期性能劣化机理。在干湿循环一硫酸盐侵蚀 作用下，石膏、钙矾石等侵蚀产物的形成以及硫酸钠的反复溶解结晶会导致裂纹 的形成。氯盐一冻融循环侵蚀作用下，氯离子与水化铝酸盐反应生成了氯铝酸钙， 促使了a f m 向a f t 的转化。环境因素与荷载因素交互作用下，弯曲荷载加速了 环境侵蚀进程，环境侵蚀的加剧反过来又会在混凝土内部产生附加荷载的作用。 ( 4 ) 应用灰色系统理论，通过建立灰类评估参数，分析混凝土材料因素、 环境侵蚀因素与混凝土抗压强度间的相关性，构建多元灰预测模型，形成了多因 素耦合作用下桥梁混凝土的长期物理力学性能评估和寿命预测体系；开展了干湿 循环一硫酸盐侵蚀作用下c 5 0 桥梁高性能混凝土的长期性能评估和寿命预测分 析，据此提出可通过减小水胶比、掺入矿粉和适量粉煤灰来改善混凝土的抗干湿 循环一硫酸盐侵蚀性能，提高其服役寿命，当粉煤灰掺量较大时，可同时掺入早 强剂或引气剂以保证其抗侵蚀性能。 关键词：多因素耦合侵蚀，高性能混凝土，加速试验方法，长期性能演变规律， 寿命预测 “ r a b s t r a c t b r i d g es u f f e r sac o m p l i c a t e da n dd i v e r s i f i e d e x t e r n a le n v i r o n m e n t m u l t i p l e c o 玎o s i v ef a c t o r si n c l u d i n gt h ee x t e r n a ll o a d i n ga n dh a r s he n v i r o n m e n t a lc o n d l t l o n s s e v e r e l v 撒tl o n g t e r mp e r f o r m a n c e so f c o n c r e t ea sw e l la st h es e r v i c el i f eo fb i l g e e x p 嘶m e n t a lr e s u l t s w e r en o ts a t i s f i e dd u et ot h ei m p r o p r i e t yo fe x p e r i m e n t a j r e 2 叫l a t i o na n de v a l u a t i o ni n d e x f o rc u r r e n te x p e r i m e n t a l m e t h o d so fc o n c r e t e d u r a b i l i “t h i sp a p e rs t u d i e d a c c e l e r a t e de x p e r i m e n t a lm e t h o d sf o rl o n g t e 胁 p e _ 哟咖a n c e so fh i g h p e r f o r m a n c e c o n c r e t es u b j e c t e dt om u l t i p l ea g g r e s s l o n o f b e n d i n gl o a d i n g a n dt y p i c a lc o r r o s i v ee n v i r o n m e n t si n c l u d i n g s u l f a t ea t t a c k ， w e t t i n g d r y i n gc y c l e s c h l o r i d ea n d f r e e z e - t h a wc y c l e s ，e ta 1 l o n g 。t e r mp e r f o 吼觚c e s o fh i g h p e r f o r m a n c ec o n c r e t ew e r ea l s os t u d i e d l o n g - t e r mp e r f o r m a n c ea s s e s s m e n t a i l d 默! r v i c el i f ep r e d i c t i o no fc o n c r e t e w e r ed i s c u s s e d t h i sp r o v i d e s t e c h n i c a l s u p p o r t st oa s s u r et h eq u a l i t ya n ds e r v i c el i f eo fc o n c r e t eb r i d g ei n c h i n a m a j n r e s e a r c h e so ft h i sp a p e ra r ef o l l o w e d a c c e l e r a t e de x p e r i m e n t a lm e t h o d s f o rl o n g - t e r mp e r f o r m a n c e s o fb r i d g e c o n c r e t es u b j e c t e dt ob e n d i n gl o a d i n ga n dt y p i c a lc o r r o s i v ee n v i r o n m e n to fm l a n d b r i d g ei nc h i n a w e r ee s t a b l i s h e d l o n g t e r mp h y s i c a l a n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a n dt h e i rr e l a t i o n sw i t h c o m p o n e n tm a t e r i a l s o fb r i d g eh i g h p e r f o r m a n c ec o n c r e t ee x p o s e d t o m u l t l p l e a g g r e s s i o n sw e r ee x p e r i m e n t a l l y s t u d i e d p e r f o r m a n c ed e v e l o p m e n to f c o n c r e t e e x p o s e dt of r e e z e t h a wc y c l e sa n dc h l o r i d ea n df r e e z e - t h a wc y c l e si n c l u d e s as l o w d a m a g ea te a r l ya g ea n dar a p i dd a m a g el a t e r , w h i c hc a n b ee x p r e s s e db yq u a d r a t l c e a u a t i o n f u n c t i o n sa r ee s t a b l i s h e da b o u tt h ee f f e c to fc o n t e n to fm i n e r a la d m i x t u r e s o nt h ed a m a g eo fc o n c r e t ep e r f o r m a n c e s i n c o r p o r a t i o no fs l a g a n da i r - e n t r a i n i n g a g e n td e c e l e r a t e st h ed e t e r i o r a t i o no fc o n c r e t ep e r f o r m a n c e s c o n c r e t ee x p o s e d t o c y c l i cs u l f a t ea t t a c kp r e s e n t sa ni n c r e a s ea te a r l ya g ea n d ad e c r e a s el a t e ri np h y s i c a l a n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s d e v e l o p m e n to fm a s sl o s sr a t e ，c o m p r e s s i v es t r e n 磬n ， f l e x u r a ls t r e n g t ha n dc h l o r i d ei o nd i f f u s i o nc o e f f i c i e n tc a l lb ee x p r e s s e db yq u a d r a t l c e q u a t i o n d e v e l o p m e n to f r e l a t i v ed y n a m i ce l a s t i cm o d u l u sc a nb ee x p r e s s e db yg a u s s e q u a t i o n f u n c t i o n sa r ee s t a b l i s h e da b o u tt h ee f f e c to fw a t e r - b i n d e rr a t i oa n d c o n t e n t o fm i n e r a la d 觚x t u r e so nt h ed a m a g eo fc o n c r e t ep e r f o r m a n c e s a d d i t i o no f e a r l y - s t r e n g t ha g e n ta n da i r - e n t r a i n i n ga g e n td e c e l e r a t e st h ed e t e r i o r a t i o no ff l y a s n c o n c r e t e i n c o r p o r a t i o n o fm i n e r a la d m i x t u r e s a n d e a r l y s t r e n g t ha g e n t o r a i r - e n t r a i n i n ga g e n tr e s p e c t i v e l y d e c r e a s e sa n di n c r e a s e st h ep e n e t r a t i o nd e p t ho f i i i 111lt c h l o r i d ei o no fc o n c r e t es u b j e c t e dt o l o a d i n g a n dw e t t i n g d r y i n ge n v i r o n m e n t s t r e n g t hd e m a g eo fc o n c r e t ee x p o s e dt ol o a d i n g ，c h l o r i d ea n df r e e z e t h a wc y c l e si s d e c r e a s e dd u et ot h ea d d i t i o no fm i n e r a la d m i x t u r e sa n da i r - e n t r a i n i n ga g e n t m i c r o s c o p i ct e s tm e 血o d ss u c ha sx r d s e m e d sa n dm i p , a sw e l la st h e d e m a g et h e o r yw e r ea p p l i e dt or e s e a r c ht h ed a m a g em e c h a n i s mo fc o n c r e t ee x p o s e d t om u l t i p l ea g g r e s s i v ec o n d i t i o n s f o r m i n go fg y p s u ma n de t t r i n g i t e ，a sw e l la st h e r e p e a t e dh y d r a t i o na n dd e h y d r a t i o no fs o d i u ms u l f a t ei n d u c et h eo c c u r r e n c eo fc r a c k s i nc o n c r e t es u b j e c t e dt oc y c l i cs u l f a t ea t t a c k h y d r a t ea l u m i n a t e si nc o n c r e t ee x p o s e d t oc h l o r i d ea n df r e e z e - t h a w c y c l e s r e a c tw i t hc h l o r i d ei o nt of o r mc a l c i u m c h l o r o a l u m i n a t e ，w h i c ha l s op r o m o t e st h et r a n s f o r m a t i o no fa f mt oa f t b e n d i n g l o a d i n ga c c e l e r a t e st h ee n v i r o n m e n t a lc o r r o s i o n s ，w h i c hp r o d u c e st h ea d d e dl o a d i n g i nc o n c r e t e g r e ys y s t e mt h e o r yw a sa p p l i e dt oe s t a b l i s ht h eg r e ya s s e s s m e n ti n d e x ，a n a l y z e t h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nc o n c r e t ec o m p o n e n t s ，a g g r e s s i v ef a c t o r sa n dt h ec o m p r e s s i v e s t r e n g t ho fc o n c r e t e ，a n dt o c o n s t r u c tm u l t i v a r i a t eg r e yp r e d i c t i o nm o d e l ，w h i c h f o r m e dt h el o n g - t e r mp h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t ya s s e s s m e n ta n ds e r v i c el i f e p r e d i c t i o ns y s t e mo fb r i d g ec o n c r e t ee x p o s e dt om u l t i p l ea g g r e s s i v e c o n d i t i o n s l o n g t e r mp e r f o r m a n c ea s s e s s m e n ta n d s e r v i c el i f e p r e d i c t i o n o fc 5 0b r i d g e l l i g h - p e r f o r m a n c ec o n c r e t ew e r ec o n d u c t e d b a s e d o nw h i c hi ti ss u g g e s t e dt h a t r e d u c t i o no fw a t e r - b i n d e rr a t i oa sw e l la si n c o r p o r a t i o no fs l a ga n dp r o p e rf l ya s hc a n i m p r o v et h ec y c l i cs u l f a t er e s i s t a n c eo fc o n c r e t ea n dp r o l o n g i t ss e r v i c el i f e ，a n dt h a t e a r l y s t r e n g t ha g e n to ra i r - e n t r a i n i n ga g e n tc a nb ea d d e dt oi m p r o v et h et h ec y c l i c s u l f a t er e s i s t a n c eo fc o n c r e t ei n c o r p o r a t i n gl a r g ea m o u n to ff l ya s h k e y w o r d s ： m u l t i p l ec o r r o s i o n s ，h i g h - p e r f o r m a n c e c o n c r e t e ， a c c e l e r a t e d e x p e r i m e n t a lm e t h o d ，d e v e l o p m e n t l a wo fl o n g t e r mp e r f o r m a n c e s ，s e r v i c el i f e p r e d i c t i o n i v j j ，- 目录 摘要i a b s t r a c t i t 目勇乏v 第l 章绪论l 1 1 研究背景与课题的提出1 1 2 混凝土长期性能的影响因素选取一3 1 3 多因素耦合作用下混凝土长期性能的研究现状3 1 3 1 混凝土的抗冻性3 1 3 2 冻融循环一氯盐侵蚀作用下混凝土的长期性能5 1 3 3 干湿循环一硫酸盐侵蚀耦合作用下混凝土的长期性能7 1 3 4 荷载一环境因素耦合作用下混凝土的长期性能1 2 1 3 5 多因素耦合作用下混凝土的寿命分析1 4 1 4 研究中存在的问题1 6 1 5 论文的研究目标、内容及技术路线1 7 1 5 1研究目标l7 1 5 2 研究内容：。17 1 5 3 技术路线18 第2 章原材料及混凝土基本性能研究1 9 2 1 原材料及性能指标1 9 2 2 试验方法2l 2 3 混凝土配合比：2 2 2 4 混凝土基本物理力学性能2 4 2 4 1 试件成型与养护2 4 2 4 2 混凝土的基本物理力学性能二2 4 第3 章混凝土的长期性能试验方法研究2 8 3 1 室内加速试验方法研究2 8 3 1 1 冻融试验方法2 8 3 1 2 冻融循环一氯盐侵蚀试验方法3 1 3 1 3 干湿循环一硫酸盐侵蚀试验方法3 4 3 1 4 荷载一千湿循环和荷载一氯盐一冻融循环试验方法3 6 v 3 2 亚微观测试方法研究4 0 3 3 本章小结4 1 第4 章多因素耦合作用下高性能混凝土长期性能试验研究一4 2 4 1 冻融循环作用下混凝土的长期性能4 2 4 1 1 冻融循环作用下混凝土的长期性能演变规律4 2 4 1 2 矿物掺和料对混凝土长期性能的影响。j 4 4 4 1 3 引气剂对混凝土长期性能的影响5 2 4 1 4 冻融循环试验方法的分析。：5 4 4 2 氯盐一冻融循环作用下混凝土的长期性能5 6 4 2 1 氯盐一冻融循环作用下混凝土的长期性能演变规律5 7 4 2 2 矿物掺和料对混凝土长期性能的影响5 9 4 2 3 引气剂对混凝土长期性能的影响6 6 4 2 4 氯盐一冻融循环试验方法的分析6 8 4 3 干湿循环一硫酸盐侵蚀作用下混凝土的长期性能7 1 4 3 1 干湿循环一硫酸盐侵蚀作用下混凝土的长期性能演变规律7 1 4 3 2 硫酸盐溶液浓度对混凝土长期性能的影响7 3 4 3 3 水胶比对混凝土长期性能的影响7 3 4 3 4 矿物掺合料对混凝土长期性能的影响7 7 4 3 5 外加剂对混凝土长期性能的影响8 4 4 3 6 干湿循环一硫酸盐侵蚀试验方法的分析8 5 4 4 荷载一千湿循环耦合作用下混凝土的抗渗性能8 7 4 4 1 侵蚀制度对混凝土抗渗性能的影响8 8 4 4 2 弯曲荷载应力比对混凝土抗渗性能的影响8 8 4 4 3 水胶比对混凝土抗渗性能的影响8 9 4 4 4 矿物掺合料对混凝土抗渗性能的影响8 9 4 4 5 外加剂对混凝土抗渗性能的影响9 0 4 5 荷载一氯盐一冻融循环耦合作用下混凝土的长期性能9 l 4 5 1 弯曲荷载应力比对混凝土力学性能的影响9 l 4 5 2 矿物掺合料对混凝土力学性能的影响9 2 4 5 3 引气剂对混凝土力学性能的影响9 2 4 6 本章小结9 3 第5 章混凝土在多因素耦合作用下的损伤机理研究9 5 5 1 干湿循环一硫酸盐侵蚀作用机理分析9 5 5 1 1 硫酸盐侵蚀机理9 5 v l 5 2 5 4 第6 章 6 1 6 2 5 1 2 干湿循环一硫酸盐侵蚀机理研究9 7 冻融循环一氯盐侵蚀作用机理分析j 1 0 4 5 2 1 冻融循环侵蚀机理1 0 4 5 2 2 冻融循环一氯盐侵蚀机理研究1 0 6 环境因素与弯曲荷载的交互作用机理分析1 0 8 5 3 1 材料损伤理论一1 0 8 5 3 2 交互作用机理分析11 0 本章小结1 13 混凝土的长期性能评估与寿命预测l h 长期性能评估11 4 6 1 1 灰聚类评估原理一1 14 6 1 2 长期性能评估1 1 6 6 1 3 干湿循环一硫酸盐侵蚀下混凝土的长期性能评估举例。1 1 6 寿命预测分析1 18 6 2 1灰色关联理论与多元灰预测模型1 1 9 6 2 2 寿命预测分析1 2 0 6 2 3 干湿循环一硫酸盐侵蚀下混凝土的寿命预测分析举例1 2 2 6 3 本章小结12 5 第7 章结论12 6 参考文献1 2 9 致谢13 6 附勇乏13 7 v v i i ! 武汉理工大学博士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景与课题的提出 桥梁作为国民经济发展的生命线工程，是非常重要的基础设施建设项目。钢 筋混凝土是一种经济实用的建筑材料，被广泛应用于桥梁工程中。据统计，在美 国所建成的桥梁结构中，钢筋混凝土桥梁占5 2 ，欧洲桥梁中钢筋混凝土桥梁占 7 0 以上。我国道路交通设施建设始于2 0 世纪8 0 年代后期，截至2 0 0 6 年底， 已建成公路桥梁5 3 3 6 万座，总长2 0 3 9 9 1 万延米，其中9 0 以上为钢筋混凝土 或预应力钢筋混凝土结构【1 。3 】。 钢筋混凝土通常被认为是经久耐用的建筑材料，混凝土具有高碱性，能在 相当长的时间内保护钢筋钝化膜，防止钢筋的锈蚀。这样在原材料选用适当、保 证设计施工过程中对混凝土强度严格监控的条件下，钢筋混凝土桥梁结构将具有 较高的使用寿命。然而实际工程情况表明，混凝土材料在使用过程中易受到各种 环境因素和外部荷载的影响，使得其本身物理力学性能受损，同时逐渐丧失对钢 筋的保护作用，严重影响钢筋混凝土桥梁结构的耐久性【4 】。据报道，由于除冰盐 引起的钢筋锈蚀，美国在1 9 9 2 年有四分之一的桥梁限载通车，维修费用高达9 0 0 亿美元【5 】。因除冰盐和海水侵蚀引起的钢筋锈蚀破坏，美国在1 9 9 8 年的桥梁 维修费用为初建费的4 倍，高达1 5 5 0 亿元【6 】。1 9 5 8 年，由于除冰盐对钢筋的 侵蚀，建成仅5 年的英国南威尔斯y n y s y g w a s 预应力混凝土桥发生倒塌【5 】。 对我国上海地区立交桥和高架道路的观测表明，构筑物耐久性不足，普遍存在混 凝土开裂、钢筋锈蚀等问题，严重影响混凝土结构正常的使用寿命【刀。北京、天 津的许多建成不久的钢筋混凝土立交桥已出现钢筋锈蚀、混凝土顺筋胀裂等劣化 现象。沿海地区桥梁结构中钢筋锈蚀问题也十分突出，在1 9 8 1 年对1 8 座使用 7 2 5 年的沿海桥梁建筑进行的调查中，钢筋锈蚀率达8 9 【6 】。钢筋混凝土材料 耐久性的下降也会对桥梁结构动力性能产生不利影响。1 9 9 9 年，在钢筋锈蚀和 车辆疲劳荷载的共同作用下，广州海印大桥发生断索事故【5 j 。 桥梁混凝土结构生存的环境复杂多样，对长期性能的影响般都是两种或两 种以上侵蚀因素的共同作用。如滨海桥梁，主要考虑氯离子渗入引起的钢筋锈蚀 及硫酸盐对混凝土的侵蚀等问题。冬季北方严寒地区采用除冰盐处理桥面板上的 积雪和积冰时，桥梁结构会遭受冻融循环和氯盐的双重作用；处于潮汐区或水位 变化的硫酸盐环境下，混凝土桥梁将受到干湿循环和硫酸盐腐蚀的耦合作用。同 武汉理工大学博士学位论文 时，荷载对混凝土桥梁结构长期性能的作用也是不可忽视的。桥梁结构不仅承受 了巨大的自重荷载，还会受到车辆的疲劳荷载、冲击荷载、振动荷载等影响。特 别是结构受拉部位，荷载作用会导致混凝土材料内部微裂缝的形成、扩展、汇合， 以及增加容纳腐蚀介质的容积。因此，开展荷载、环境多因素耦合作用下桥梁混 1 凝土材料的长期物理力学性能研究，对于准确反应工程实际情况，分析实际桥梁 混凝土的长期性能是非常有必要的。 国内外己就腐蚀环境因素耦合以及荷载与环境腐蚀因素耦合作用下混凝土 耐久性问题进行了相关研究，如氯盐与冻融循环复合作用下混凝土的抗剥蚀性 能，干湿循环与硫酸盐侵蚀复合作用下的混凝土耐久性能，荷载作用下混凝土的 抗盐冻侵蚀性能、抗硫酸盐侵蚀性能等。基本上存在一个共识，即与单因素侵蚀 相比，在复合环境因素以及荷载与环境因素耦合作用下混凝土性能的劣化速度加 快。受现行各种耐久性标准试验方法的限制，目前对混凝土抗冻融、盐冻侵蚀性 能、抗干湿循环一硫酸盐侵蚀性能等的研究主要集中于混凝土质量、相对动弹模 量等物理性能指标上，且各种试验方法采用的侵蚀制度也存在一定差异性，而对 于混凝土桥梁结构设计和安全评价所需的力学性能及渗透性能参数的研究相对 ， 较少。至于荷载因素与环境因素耦合作用，目前尚无标准试验方法，相关研究主 要是采用自行设计的试验装置与试验制度，导致混凝土材料劣化试验结果缺乏规 律性的总结和分析，研究结论也普遍存在争议。另外，对多因素耦合侵蚀环境下 混凝土的劣化机理的研究也还不够深入。更为重要的是，随着混凝土应用技术的 发展以及对混凝土工作性、强度、耐久性能要求的提高，各种矿物掺合料和化学 外加剂在混凝土中得以广泛应用。矿物掺合料和外加剂掺入混凝土中，可改善新 拌混凝土的和易性、调节凝结时间、改变混凝土强度发展速率等，提高混凝土的 强度和耐久性能。然而，目前对于使用外加剂和掺合料对混凝土性能影响的研究 主要集中于对混凝土拌和物工作性和混凝土硬化后早期性能，而对于长期物理力 学性能和渗透性能，由于使用时间的限制，认识还比较有限。另外，由于混凝土 是一种多组份多相的复合材料，影响其性能的因素多，随机性大，量化研究重现 性差，且混凝土结构所处的环境条件、荷载因素复杂，不可预见性因素多，使得 混凝土的耐久性评估体系和寿命预测方法成为一个长期困扰混凝土学术界的问 题。因此，迫切需要采用合理的加速试验方法来分析多因素侵蚀环境作用下，矿 物掺合料和外加剂对桥梁高性能混凝土长期物理力学性能指标演变规律的影响； 在试验研究的基础上采用一种适当的科学方法构建多因素耦合作用下桥梁混凝 土的耐久性评估体系和寿命预测方法，为改善我国混凝土桥梁建设质量、保证使 ，_ 用寿命提供技术基础，推动我国公路混凝土桥梁建设健康、持续发展。 2 武汉理工大学博士学位论文 1 2 混凝土长期性能的影响因素选取 桥梁混凝土结构生存的环境复杂多样，引起混凝土劣化的破坏性因素很多。 本文选取了我国内陆桥梁的典型腐蚀环境因素包括硫酸盐侵蚀、干湿循环、冻融 循环、除冰盐( 氯盐) 以及荷载因素( 外部弯曲应力) ，主要考虑上述因素相互 具有一定相关关系、对混凝土长期物理力学性能、渗透性能产生显著影响的因素 组合。重点研究了1 种单因素冻融循环作用，及以下4 种典型多因素组合。 ( 1 ) 干湿作用与硫酸盐侵蚀共同作用：硫酸盐通常存在于地下水、海水及 工业废水中，是一种最广泛、最普通的化学侵蚀形式；而处于潮汐区或地下水位 变化环境中的桥梁结构会遭受干湿循环和硫酸盐侵蚀的耦合作用。 ( 2 ) 冻融循环与氯盐侵蚀共同作用：我国北方严寒地区桥梁在冬季会遭受 冻融侵蚀，特别是当使用除冰盐时，会受到氯盐一冻融循环双重侵蚀作用。 ( 3 ) 氯盐一冻融循环与荷载共同作用：桥梁结构在服役过程中会受到各种 荷载作用，包括自重荷载、车辆的疲劳荷载、冲击振动荷载等。当冬季使用除冰 盐处理桥面板上的积雪和积冰时，混凝土还会遭受氯盐一冻融循环的耦合侵蚀影 响。 一 ( 4 ) 干湿循环与荷载作用：桥梁结构在服役过程中会受到各种荷载作用， 干湿循环作用是桥梁结构生存环境中普遍存在的因素，对于混凝土本身失水性和 收缩性能具有重要影响。 1 3 多因素耦合作用下混凝土长期性能的研究现状 随着近年来混凝土桥梁长期性能问题的凸现，桥梁混凝土结构在多因素 侵蚀环境中的长期物理力学性能及渗透性能逐渐受到土木工程界的重视，国 内外学者在这方面已开展了大量研究。 1 3 1 混凝土的抗冻性 混凝土在含水状态下经反复冻融循环作用后是易于破坏的。当温度下降至 o 以下时，混凝土孔隙中的大部分水不会立即结冰，这是因为孔隙水的冰点与 孔径密切相关。硬化混凝土中的孔隙有凝胶孔、毛细孔、空气泡等。各种孔隙之 间的孔径差异很大。由于孔隙表面张力的作用，孔隙水饱和蒸汽压和冰点是随孔 径大小的改变而不同的，孔径越小，孔隙水的饱和蒸汽压越小，冰点越低。孔隙 水冰冻使得浆体严重膨胀，导致混凝土内部产生拉伸应力直至破坏【& 1 0 1 。 武汉理工大学博士学位论文 混凝土的冻融破坏是一个比较复杂的物理变化过程。到目前为止，提出的冻 融破坏理论包括：水的离析成层理论、静水压理论、渗透压理论、充水系数理论、 临界饱水值理论和孔结构理论等【1 1 】。其中静水压假说和渗透压假说最具代表性， 由t c p o w e r s 及h e l m u t h 提出，较为成功地解释了混凝土冻融破坏的机理【1 2 j 。 静水压假说认为，混凝土毛细管水变成冰后体积膨胀9 ，会引起剩余水的 压缩。若水能够从未冰冻的毛细管孔扩散外逸至自由空间，则可以消除膨胀压力， 否则毛细管会膨胀压迫周围的材料。膨胀压力是与降温速度、孔隙间距的平方及 毛细孔水含量成正比，与渗透系数成反比。当膨胀压力超过水泥浆体抗拉强度时， 会引起混凝土裂缝的出现和结构的破坏【8 。9 1 。 静水压假说成功地解释了引气剂、结冰速度等因素对混凝土抗冻性的影响， 但却不能解释另外一些现象，如混凝土会因一些冻结过程中体积并不膨胀的有机 液体如苯、三氯甲烷的冻结所破坏；非引气浆体会在恒温状态下出现连续膨胀等 d o 。为此，p o w e r s 和h e l m u t h 提出了渗透压假说。 渗透压假说认为，混凝土孔隙水中含有钾、钠、钙等各种盐类离子，冰的成 核会使冻结点附近的溶液浓度增加，从而通过渗透过程自然汲取周围未冻结点较 低浓度溶液中的水分。冻结点的有效相对湿度和化学势低于未冻结点的过冷水， 这样，产生的较低蒸汽压会使水分自然向冻结点迁移以维持平衡。水分迁移所产 生的渗透压会引起周围浆体的开裂【l o l 。 对于两种假说，很多学者有不同见解。一般认为，水灰比大、强度较低以及 龄期较短、水化程度较小的混凝土，静水压力破坏是主要的；对于水灰比较小、 强度较高及含盐量大的环境下冻结的混凝土，渗透压可能起主要作用瞪驯。 影响冻融破坏的因素非常复杂，包括水灰比、胶凝材料种类等因素。商怀帅 等采用g b j8 2 8 5 “快冻法 试验研究了不同水灰比的混凝土在经受冻融循环作 用下后的单轴及双轴抗压强度。结果显示，混凝土抗压强度随冻融循环次数的增 加而降低；经5 0 次冻融循环后，水灰比o 5 5 、0 5 0 、o 4 5 混凝土的单轴抗压强度 分别降至初始值的5 0 6 、7 0 5 、7 5 7 ，应力比o 5 的双轴抗压强度分别降至初 始值的6 7 、8 1 、8 3 【1 3 】。潘钢华等试验研究t 4 0 x 4 0 x 1 6 0 r a m 胶砂试件在快速 冻融环境下的抗压强度损失和质量损失，应用逾渗理论和损伤量论，论证了高强 混凝土的强度对其孔结构变化的敏感性，合理地解释了高强混凝土在水饱和状态 下的冻融损伤速率大于普通混凝土。同时指出，掺入体积分数为1 5 的钢纤维能 改善结构缺陷，有效提高高强混凝土的抗冻性【1 4 】。h a l i ty a z m l 等研究了矿物掺合 料对混凝土抗冻性能的影响。矿物掺合料具有优异的形态效应、微集料效应和火 山灰效应，掺入混凝土中能够改善水化产物的数量和形态，明显增加水化硅酸钙 凝胶数量，减少混凝土界面区的c a ( o h ) 2 数量，增强界面结构的致密性；同时优 4 武汉理工大学博士学位论文 化混凝土孔结构，减少了产生结冻水的来源和冻结孔数目，从而大大提高了混凝 土的抗冻融性制1 5 。16 】。徐辉等采用水工混凝土试验规程的“快冻法”测试了