（材料学专业论文）矿物掺合料对混凝土疲劳性能的影响及机理.pdf

摘要 作为矿物掺合料的粉煤灰、矿渣等工业副产品在混凝土材料中的应用除了减少能源、资源消耗 及生产成本外，还减轻粉煤灰、矿渣的排放对环境带来的负荷，这不仅有利于水泥混凝土工业的可 持续发展，而且还能够改善和调节混凝土材料从制备到使用过程中的各项物理、力学性能，尤其能 够显著改善混凝土材料的耐久性能。因此，粉煤灰、矿渣在混凝土材料中得到了广泛应用。使用矿 物掺合料的混凝土不可避免地应用于各种承受重复性荷载作用的结构中，如承受交通荷载作用的机 场道面、公路的路面及桥梁的路面结构，承受波浪荷载的海洋、海岸结构等。因而，研究矿物掺合 料对混凝土材料疲劳性能的影响具有重要的理论价值和实践意义。为此，本文研究了磨细矿渣、粉 煤灰在不同掺量情况下对混凝土疲劳性能的影响规律；在分析混凝土疲劳损伤机理的基础上，建立 数学模型描述混凝土基体和界面过渡区对疲劳性能的影响 通过分析矿渣、粉煤灰对混凝土材料组 成、结构的影响，研究了组成、结构参数与疲劳性能之间的定量关系及矿物掺合料对疲劳性能的影 响机理：提出了以改善混凝土材料疲劳性能为目的的矿物掺合料的使用原则，并就大掺量矿物掺合 料条件下配合比关键参数一水胶比的设计进行了研究。 矿物掺合料对混凝疲劳性能的影响测试了6 配合比混凝土的抗弯疲劳性能( 三分点加载， 试件尺寸1 0 0 m m i o o m m x 4 0 0 r a m ) ，其中基准混凝土的砂率为3 8 ，水泥用量为4 8 0 k g m 3 ，水灰 比o 3 5 。在此基础上，固定砂率与水胶比，粉煤灰按3 0 ，5 0 的质量分数，矿渣按3 0 ，5 0 ， 8 0 的质量分数等量取代水泥。疲劳试验参数为：应力水平诹0 9 0 、o 8 5 、0 8 0 ，o 7 5 、0 7 0 、o 6 5 共6 级，荷载循环特征系数月= 0 i ，加载频率在应力水平s 0 7 5 时为2 - 3 h z ，s o 7 5 时为1 0 h z 试验结果表明：疲劳寿命随矿物掺合料掺量的变化趋势与应力水平贿关。当s o 8 0 时，疲劳 寿命随矿物掺合料掺量的增加而增加；当s 0 8 0 时，疲劳寿命随矿物掺合料掺量的增加而下降。根 据疲劳方程计算得到各配合比混凝土疲劳寿命n - - 2 1 0 6 时的抗弯疲劳强度折减系数在0 6 2 4 0 6 9 1 之间。而且疲劳强度折减系数具有随矿物掺合料掺量的增加而提高的趋势，大掺量矿物掺合料混凝 土的疲劳强度折减系数显著增大。矿物掺合料掺量较低时，应力水平鸡疲劳寿命的对数值l g 基本 上呈现良好线性关系。但当矿渣掺量达到8 0 ，粉煤灰掺量达到5 0 时，在擘司8 5 与s = 0 8 0 之间 的线段斜率明显不同。使整个连线出现了一个平缓的台阶。在同一级应力水平下，疲劳寿命近似服 从两参数威布尔分布，建立了基于两参数威布尔分布的概率疲劳方程，9 5 保证概率下各配合比混 凝土的抗弯疲劳强度折减系数在o 5 1 8 0 6 4 8 之间。不同矿物掺合料掺量混凝土的娶方程及s - p - n 方程为相关的工程设计提供了依据。 矿物掺合科对混凝土疲劳性能的影响机理根据低周高幅、高周低幅疲劳荷载作用下混凝土材 料疲劳破坏机制及损伤发展过程的不同，相应地将i g n _ 3 所对应的低周疲劳区域定义为基体开裂控 制区( m a t r i xc r a c k i n gd o m i n a n tr e g i o n ) ：l g 皂4 所对应的高周疲劳区定义为界面开裂控制区( b o n d c r a c k i n g d o m i n a n tr e g i o n ) ：而3 0 8 0 f a t i g u es t r e n g t h so fc o n c r e t ew i t hv a r i o u sc e m e n tr e p l a c e m e n tb y f l ya s ho rb l a s tf u r n a c es l a gc o r r e s p o n d i n gt o2 ，0 0 0 ，0 0c y c l e sr a n g i n gf r o m0 6 2 钎t oo 6 9 1 石1 1 1 ef a t i g u e s t r e n g t ho f c o n c r e t ew 油h i g l l e l c e m e n tr e p l a c e m e n tb ym i n e r a la d m i x t u r ei sh i g h e rt h a nt h a to f t h o s ew i t l l l o w e rc e m e n tr e p l a c e m e n t t h ec u r v eo fs t r e s sl e v e l ( 回v s 1 0 9 a r i t h mo ff a t i g u el i f c ( 1 9 ) w e l lf o l l o w sa l i n ea ti o w e rc e m e n tr e p l a c e m e n tl e v e l s h o w e v e rt h e r ea p p e a r sa “s t a g e ”b e t w e e ns = 0 8 5a n ds = o 8 0w i t h o b v i o u sd i f f e r e n ts l o p ea g a i n s tt h ew h o l ec u i v ew h e nt h ee , e m e n tr e p l a c e m e n tl e v e lr e a c h e s5 0 b yn ya s h a n d8 ( y 埘b l a s tf u r u a c 七s l a g a tt h es a l v es t r e s sl e v e l ，t w o p 缸帅e t c fw e i b u l ld i s t r i b u t i o nc a l lb eu s e dt o d e s c r i p t i o no ff a t i g u el i f a t h u se q n a t i o n sr e l a t es 嗽sl e v e lst onn u m b e r so fc y c l e st of a i l o r ew i t l la s u r v i v o r s h i pp r o b a b i l i t yo f9 5 f o rc o n c r e t ew i t hv a r i o u sm i n e r a la d m i x t u r e sc o n t e n to b t a i n e d i n f l u e n c i n gm e c h a n i s m m i n e r a la d m i x t u r e so he o n c r e t p # a g u eb e h a v i o r b a s e do nw e l l e s t a b l i s h e df a i l u r em e c h a n i s m si nd i f f e r e n tl o a dc y c l er e g i o n ，t h ef a t i g u ed a m a g ee v o l u t i o np r o c e s si n l o w - c y c l el o a dr e g i o n ( e q u i v a l e n tt oh i g hs t r e s sl e v e l ) a n dh i g h - c y c l el o a dr e g i o n ( e q u i v a l e n tt ol o w e rs t r e s s 1 v l e v e l ) a l ea n a l y z e d a c c o r d i n g l y , t h el o a dc y c l er e g i m ei sd i v i d e di n t ot h r e e 托g i o n s i e m a t r i xc r a c k i n g d o m i n a n tr q 舀f o ri g n 3 ，w h e r e i nm a t r i xc r a c k i n gi st h ed o m i n a n tf a i l u r em e c h a n i s m , b o n dc r a c k i n g d o m i n a n tr e g i o nf o rl 酬4 ，b o n dc r a c k i n gd o m i n a t e st h ef a i l u r ep r o c e s sa n dt r a n s i t i o nr c g i a nf o r3 l g n 4 ， b e t hm e c h a n i s m sa c ts i m u l t a n e o u s l y t or e l a t em a t r i xa n di n t e r f a c ez o n et of a t i g u ep e r f o r m a n c e ，t w o f a c t o r sa l ei n t r o d u c e d , ，f o rm a t r i xa n d 五f o ri n t e r f a c ez o n er e s p e c t i v e l y , l o g i s t i cm o d e li sa d o p t e dt o d e s c r i b et h ec h a n g e so f aa n d 正w i t hm e n t w op a r a m e t e r s 。m a t r i xi n d e xmw h i c hc h a r a c t e r i z e sm a t r i xa n d i n t e r f a c e z o n ei n d e x ， c h a r a c t e r i z e si n t e r r a c ez o n ea l ea l s oi n t r o d u c e d h e n c e s = a - l 一9 ( 1 9 n ) + m 【i 一取i g ) j i g v ，f a t i g u e e q u a t i o nc o m b i n e d w i t h i m p a c t s o f m a t r i x a n d i n t e r f a c e z o n e i so b t a i n e d , w h e r e i n 口( d = 1 【1 + e - t x - x 】i st h el o g i s t i cm o d e l 1 k se q u a t i o nd e s c r i b e s 量c a r v ew e l lf o r c e m e n t - b a s e dm a t e r i a l se i t h e l m a t r i xi sr e i n f o r c e d f o re x a m p l eb yf i b e r so ri n t e r f a c ez o n ei si m p r o v e d t ou n d e r s t a n dt h em e c h a n i s mh o wm i n e r a la d m i x t u r e si n f l u e n c ef a t i g u eb e h a v i o ro fc o n c r e t ea n d i n t r i n s i cr e l a t i o n s h i p sa m o n gc o n s t i t u t e ，m i c r o s t r u c t u r ea n df a t i g u ep e r f o r m a n c eo fc o n c r e t e , r e a c t i o n d e g r e eo fm i n e r a la d m i x t u r ew a sd e t e r m i n e db ym e t h o do fs e l e c t i v ed i s s o l v e 。n o n - e v a p o r a b l ew a t e ra n d c “o h hc o n t e n to fp a s t e sw i t hv a r i o u sa m o u n to fm i n e r a la d m i x t u r e sw e l eo b t a i n e db yd i f f e r e n t i a l s c a n n i n gc a l o r i m e t e r - t h e r m o - g r a v i m e t r i ca n a l y z e r ( d s c - t g ) ，p o r o s i t i e sa n dp o r ed i a m e t e rd i s t r i b u t i o n s a l s ot e s t e db ym e r c u r yi n t i n s i o np o r o s i m e t r y ( m i p ) 。e f f e c to fm i n e r a la d m i x t u r eo ne l a s t i cr o o d u l u sa n d h a r d n e s so fi n t e r f a c ez o n ea l es t u d i e db ym e a n so fn a n o - i n d a n t a t i o nt e c h n o l o g y , s c a n n i n ge l e c t r o n i c m i c r o s c o p e ( s e m ) w a sa l s ou s e dt oo b s e r v et h em i c r o s t r u c t u r eo f i n t e r f a c ez o n e t e s tr e s t 】i i t ss h o wt h a tt h e a p p l i c a t i o no f m i n e r a la d m i x t u r e s e x e r t sf m a l l ye f f e c to nf a t i g u eb e h a v i o rb yc h a n g i n gc o n s t i t u t e so f m a t r i x ， m i c r o s t r u c t u r e so fm a t r i xa n di n t e r f a c ez o n e m a t r i xi n d e xmi n c r e a s e sa st h ep o r o s i t ypd e c r e a s e s 。w h i l e p o r o s i t yc b er e l a t e dt o1 1 l ec o n t e n to fn o n e v a p o r a b l ew a t e r , t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm a n dpc a n a c c o u n tf o rh i g h e l s t r e n g t hc o n c r e t ec a ne n d u r em o r ec y c l e st i l lf a i l u r ea th i g hs t r e s sl e v e l d i f f e r e n c e s b e t w e e nm a t r i xa n di n t e r f a c et r a n s i t i o nz o n e o nb e t hs t r u c t u r ea n dc o n s t i t u t e sa r cr e d u c e db yt h e a p p l i c a t i o no f m i n e r a la d m i x t u r e s h e n c er e s u l ti nt h er e i n f o r c e m e n to f i n t e r f a c et r a n s i t i o nz o n ea si n d i c a t c d a sh a r d n e s so re l a s t i cm o d u l u s c “0 8 ) 2p l a y sa l li m p o r t a n tr o l ea st ot h ei n t e r f a c ez o n es t r u c t u r e ，i ti sa l s o f o u n dt h a ti n t e r f a c ez o n ei n d e xii n c r e a s e sw i t ht h ed e c r e a s e dc a ( o h hc o n t e n t , t h e i rr e l a t i o n s h i pf o l l o w s t h ef o l l o w i n ge x p r e s s i o n s 1 = 1 4 2 8 + 3 5 8 e x p ( - 0 4 2 8 c h ) f o rc o n c r e t ew i t hg r o u n db l a s tf u r n a c es l a g a n di = 1 4 2 9 + 2 1 4 e x p 4 7 6 c h ) f o rc o n c r e t e w i t h f l y a s h w i t hh i g hc o r r e l a t i o n e v i d e n t l y , o n l y v e r y 1 0 wc “o h hc o n t e n tc a nr e s u l ti na no b v i o u si n c r e a s eo fi n t e r f a c ez o n ei n d e xla n dt h i si st h er e a s o nw h y f a t i g u e 附a n g t hc o r r e s p o n d i n gt o2 ，0 0 0 ，0 0 0c y c l e si n c r e a s e sn o ts on o t a b l ea tl o wc e m e n tr e p l a c e m e n t l e v e la sa th i g hc e m e n tr e p l a c e m e n tl e v e l ，a n da l s op r o v i d e sam e c h a n i s me x p l a n a t i o nf o rn ol i n e a rs h a p e o f s e u r v e f u r c o n c r e t e w i t h h i g hc e m e n t r e p l a c e m e n t b y m i n e r a la d m i x t t w e s a p p l i c a t i o no fm i n e r a la d m i x t u r e sw i t ha i m st oi m p r o v ef a t i g u ep e r f o r m a n c ea c c o r d i n gt o c o n t r i b u t i o n so fm a t r i xa n di n t e r l a c ez o n et of a t i g u eb e h a v i o r , s t r e n g t h e n i n gm a t r i xa n di m p r o v i n g i n t e r f a c ez o n e ，t h eg e n e r a lw a yt oi m p r o v ef a t i g u ep e r f o r m a n c eo f c e m e n t - b a s e dm a t e r i a l si ss u g g e s t e d i t i sa l s op o i n t e do u tt h a th i g hc e m e n tr e p l a c e m e n ta n dl o ww a t e r - b i n d e rr a t i oi st h ef u n d a m e n t a lt og a i n i m p r o v e do v e r a l lf a t i g u ep e r f o r m a n c e sf o rc o n c r e t ew h e nm i n e r a la d m i x t u r e sa t eu s e dw i t ha i m st o e n h a n c ef a t i g u es t r e n g t h am e t h o di sp r e s e n t e dt od e s i g nw a t e r - b i n d n rr a t i of o rc o n c r e t em i x t u r e sw i t h h i g hc e m e n tr e p l a c e m e n tb ym i n e r a la d m i x t u r e sb a s e do nr e l a t i o n s h i p so f m a t r i xi n d e xm w i t hp o r o s i t yp - i n t e r f a c ei n d e x l w i t hc a ( o h ) 2c o n t e n t , a n d 阡_ ( 1 - 厶卜县，啉c o n t r i b u t i o no f m i n e r a la d m i x t u r e s t o t o t a la m o u n to fn o n e v a p o m b l ew a t e r , p = p 旷c 砰mc o n t r i b u t i o no fn o n e v a p o r a b l ew a t e rc o n t e n tt o p o r o s i t y c a ( o h ) 2c o n t e n ta n dr e a c t i o nd e g r e eo f m i n e r a la d m i x t u r e sc a nb eo b t a i n e db ys t o i c h i o m e t r y v a sa ne x a m p l eo fa p p l i c a t i o no f t h em e t h o d ，w a t e r - b i n d e rr a t i oi se s t i m a t e dw h e nc e m e n tr e p l a c e m e n t b yb l a s tf u r n a g es l a gr e a c h e s8 0 ，t a k i n gt h ep o r o s i t yo f p u r ec e m e n tp a s t ea tw a t e r - c 目n e n tr a t i oo f o 3 5a s a r e f e r e n c e b yc o m p a r i n gt h ec o m p u t e dr e a c t i o nd e g r e e so f b l a s tf u r n a c es l a gw i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，i t s h o w st h a tc h o o s i n ga t o mr a t i oo fc at os io fc - s - hi sak e yf a c t o rt h a ti n f l u e n c e st h ea c c u r a c yo f s t o i c h i o m e t r y k e yw o r d s ：m e c h a n i s m ，c o n c r e t e ，c o n s t i t u t e sa n dm i c r o s t r u c t u r e ，f a t i g u eb e h a v i o r s ，m a t r i x ，m i n e r a l a d m i x t u r e ，i n t e r f a c ez o n e v i 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。 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。 日期： 1 1 研究背景 第一章绪论 早在几千年前人类就开始制造和使用无机胶凝材料i lj ，然而大规模制造和使用无机胶凝材料应 该追溯到1 8 2 4 年。这一年的1 0 月2 1 日，一个n j o s e p h a s p d i n 英国人获得硅酸盐水泥的生产专利， 在他的专利中，a s p d i n 称这种胶凝材料为“p o r t l a n d c e m e n t ”1 2 1 在其问世后1 8 0 多年的历史里，硅 酸盐水泥的应用极大地改变了人类的生活空间和环境，从高耸入云的摩天大楼，深入地下、海底的 隧道，横跨江河、大海的桥梁，扩展人类生存空间的海上平台，到为人类社会发展不断提供能源的 大坝和核电站，这种朴实无华而又富于魅力的材料其身影无处不见。很难想象，如果没有硅酸盐水 泥这种现代意义的胶凝材料，人们将会用什么物质来承载我们高度发达的现代文明。 在2 l 世纪，水泥仍将是世界上最主要的建筑材料。根据国家统计局发布的( 2 0 0 4 年国民经济 和社会发展统计公报，2 0 0 4 年我国水泥产量9 7 亿吨1 3 l ，约占全世界总产量的1 2 ，与之相对应， 中国的混凝土消费也是非常庞大的。另外，中国要在二三十年中完成发达国家1 0 0 多年所做的基本 建设，还将新建大量的公路、桥梁等基础设施，对水泥的需求量巨大。 然而水泥混凝土工业是商污染、高消耗的不可持续发展产业。水泥生产消耗大量不可再生的煤 和电等能源；消耗大量的石灰石、铁矿石和粘土等自然资源；传统的“两磨一烧”生产工艺，除了 排出大量粉尘外，水泥熟料在煅烧过程中还排放大量c 0 2 、s 0 2 和n o x 等废气。每生产1 吨水泥熟料 将排放出约1 吨c 0 2 及大量的n o x 、s 0 3 等有害废气，这些废气加剧温室效应和产生酸雨，严重污染 环境。水泥产量在现有的性能水平上继续大量增加，将对我国的环境造成严重的污染和负担。 而且社会进步除了要求水泥混凝土工业减少环境负荷物质的排放量外，还要求能最大限度地将 人类社会活动中排出的工业废弃物和生活废弃物加以有效利用，使之成为与环境共存的产业体系。 充分利用工业废弃物的潜在胶凝性，大幅度降低水泥熟料的用量，使其在水泥混凝土中的利用从单 纯的增加产量为目的转化为既降低环境负荷又使之作为高性能水泥中不可或缺的性能调节组份。其 中最主要和应用最广的活性材料是水淬矿渣和粉煤灰。随着电力和钢铁工业的发展，世界各国的粉 煤灰和矿渣的排放量巨大。 随着社会向现代化发展，超高层建筑物、大深度地下构筑物、超大型桥梁、海上建筑等大型建 筑越来越多，对水泥与混凝士的性能提出更高要求。与此同时，我们所面临的环境日益恶化，含有 各种有害成分的大气、雨水和地下水以及其它侵蚀性介质等对混凝土材科的腐蚀作用越来越严重， 东南土学博士学位论文 在各种破坏因素作用下，材料结构的稳定性和性能逐渐衰减和劣化，工程使用寿命下降。为抵抗诸 如冻融、碳化、海水和化学介质等环境因素对水泥混凝土工程结构的侵蚀，对混凝土材料的耐久性 提出了更高的要求。具有优良耐久性的高性能混凝土已成为混凝土技术发展的必然趋势。获得耐久 性良好的高性能混凝土的主要技术手段之一是应用以工业废弃物为主的活性矿物掺合料，矿物掺合 料已是制各高性能混凝土不可缺少的组分。大量的研究表明粉煤灰和矿渣能够改善混凝土材料的孔 结构，提高材料的密实性h ，影响、改变水化产物在界面过渡区的分布，强化界面过渡区嘲，以及它 们带来的其它效应能够提高混凝土材料抵抗氯离子渗透【6 7 1 ，硫酸盐侵蚀1 8 , 9 1 的能力，抑制和延缓碱 集料反应l i 。 综上所述，在混凝土材料的生产和应用中最大可能地消化、利用人类社会活动中排出的工业废 弃物，改善混凝土材料性能尤其是耐久性是实现水泥混凝土行业的可持续发展的必由之路【1 1 , 1 2 | 。 另一方面，许多混凝土结构，如机场跑道、街道、公路与桥梁的路面、吊车梁、铁路轨枕等 在服役过程中将承受周期重复的交通荷载，而一些新型结构如高层建筑、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，使其承受重复荷载 的作用 1 3 1 。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。随粉煤灰、矿渣在混凝土材料中的大量应用，掺矿物掺合料 的混凝土、特别是大掺量矿物掺合料的混凝土将不可避免地应用于各种承受重复荷载作用的工程结 构中。它们对疲劳性能影响及其程度如何，是掺矿物掺合料混凝土应用于承载疲劳荷载的结构时必 须回答的问题。因此迫切需要从材料层次上对掺矿物掺合料混凝土的疲劳性能、疲劳损伤的发生、 发展及失效过程进行研究，为工业废弃物的应用及相关的工程设计，已有结构的工作现状及未来工 作能力的评估提供依据。 1 2 国内外研究现状及存在问题 1 2 1 混凝土材料疲劳性能研究现状 从上世纪初铁路钢筋混凝土桥梁的出现，人们就开始了对混凝土疲劳性能的研究。随着新的设 计理论可靠度理论的出现和发展，混凝土材料自身的发展与各种新型混凝土材料的出现，损伤概念 及损伤理论在疲劳研究中的引入，各种损伤表征和检测手段的应用，促进、完善和丰富了混凝土材 料疲劳性能的研究。 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1 4 1 ：高 周低幅与低周高幅。相应地商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 2 摹一幸暗卺 = l 旷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 ， 6 时，需要乘上一个修正系数( 1 + o 2 ( 1 0 9 n - 6 ) ) 。 ( 1 3 ) 然而大部分的研究结果显示，无论是在压缩疲劳荷载还是拉伸( 弯拉、轴拉、劈拉) 疲劳荷载作用下， 混凝土均不存在不发生疲劳破坏的极限应力水平，文献【3 3 】列举了多个文献的报道，认为即使疲劳寿 命达到2 0 x1 0 6 ，混凝土仍然会产生疲劳破坏。 c h i m a m p h a n t l 3 4 】研究了强度5 2m p a i 8 4m p a 混凝土的单轴抗压疲劳，最大应力水平的变化范围为 0 4 - 4 ) 9 f , ，s i 。固定为0 1 工，试验采用两种加载频率即6 h z 和1 2 h z 。他的主要结论是加载频率在6 - - 1 2 h z 范围对高强混凝土疲劳寿命无明显影响，且高强混凝土的疲劳性能与普通强度混凝土无显著差异。 p e t l ( o v i c m l 亦持相同观点。 多数对高强混凝土疲劳性能的研究却显示，混凝土疲劳寿命达到2 1 0 6 时的品。是随混凝土强度的增 加而下降的。韩国学者j i n k e u n 鼬m 与其合作者 2 5 1 测试了普通强度混凝土( 2 6 m p a ) ，中等强度混凝土 ( 5 2 m p a ) 、高强混凝土( 8 4 m p a ) 及超高强混凝土( 1 0 3 m p a ) 的抗压疲劳性能应力水平为0 7 5 ，0 8 0 ，o 8 5 ， o 9 5 ，加载频率l h z 。得到不同强度混凝土的疲劳方程，发现在相同的应力水平下，混凝土的疲劳寿 命随强度的增长而下降。他们采用单对数形式的疲劳方程表示孓曲线，方程的参数见表l ，1 。相应 的普通强度混凝土、中等强度混凝土、高强混凝土、超高强混凝土达到2 1 0 6 次循环对应的疲劳强 度分别为0 6 2 0 6 f 。、o 5 1 8 2 f 。、o 4 8 5 8 f 。、0 4 7 6 8 f , 。可见随混凝土强度的提高，疲劳强度折减系数依 次降低 5 - t 南土学博士学位论文 s 一= 8 0 七o l l o g n f 表1 1 不同强度等级混凝土单对数疲劳方程参数 t a b l e1 i p a r a m e t e r e s o f e q 1 4 f o r d i f f e r e n ts t r e n g t hc o n c r e t e i 柳 ( 1 4 ) l s - l o ws t , s t h ，m s m e d i u ms t r e n o t ，h s - h i g hs a e n g l l t ，v h s - v e r yh i g hs t r e n g t h 吴佩刚2 3 1 等同样认为高强混凝土的疲劳强度较普通混凝土疲劳强度有所降低，并列举了多个研 究文献报道的结果( 见表1 2 ，表中的文献来源见原文) 。 表1 2 不同强度混凝土的抗压疲劳强度( 2 1 0 6 次循环) 【捌 t a b l e l 2f a t i g u es t r e n g t ho f d i f f e r e n ts t r e n g t hc o n c r e t eu n d e rc y c l i cc o m p r e s sl o a d 【2 3 】 由表1 1 ，表1 2 可见，混凝土疲劳强度折减系数随强度的提高而呈下降趋势，但对这种下降趋势 却缺少机理上的分析和探讨。 1 2 1 1 2 纤维增强混凝土材料疲劳性能的研究 二十世纪六十年代，各类纤维被应用到混凝土材料中，以提高混凝土材料的延性、断裂韧度及 抗弯曲强度，纤维增强混凝土复合材料应用而生。纤维增强混凝土复合材料具有良好的抗裂、抗冲 击性能，逐步在土木，水利、近海结构、铁路及矿山乃至军事防护等工程中得到广泛应用。f r c 在 实际工程中的应用，尤其是在各种路面结构中的使用，引起了人们对f r c 疲劳性能的关注，f r c 疲 劳性能成为研究的热点。正因为f r c 在工业建筑地面、公路、桥梁、机场等路面结构中的应用，f r c 疲劳问题的研究主要集中于其弯曲疲劳性能 1 4 3 ”。 在诸多关于纤维增强混凝土材料疲劳性能研究中，采用纤维种类包括钢纤维3 卵_ 7 l 、聚合物纤维 - 6 摹一幸睹癸 p “、碳纤维忡棚及混杂纤维h 5 瞎 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 g l - c t c 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。 在对s f r c 疲劳性能的广泛研究中，人们考察了纤维种类、体积掺量、尺寸特征对s f r c 疲劳特 性的影响。钢纤维种类包括剪切钢纤维1 , 1 6 1 、端钩纤维”l ，铣削钢纤维”纤维的体积掺量从普通 掺量范围增加到局部高密度范围4 剐 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”。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1 1 j 如n a a m a m 等人在应力比为o 7 0 、0 8 0 、0 9 0 的情况下对高强钢纤维增强混凝土的疲 劳性能进行了研究，认为，即使在开裂的情况下，可以将6 5 极限荷载视为s f r c 免于疲劳破坏的 疲劳极限1 5 2 j ，但此观点还有待更多实验事实的支持和验证川。 已有的研究表明钢纤维增强混凝土具有明显不同于普通混凝土的宏观疲劳损伤现象。鞠杨对 钢纤维增强混凝土的研究发现钢纤维增强混凝土具有较明显的疲劳“锻炼效应”和损伤潜伏期，三 段式损伤过程的第一阶段占总寿命的比重由普通混凝土的1 0 左右增加到了2 0 左右。 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【1 q 。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 5 4 1 。k w a l 【5 5 】、n a a m a n 5 2 】及p a s k o v a 5 6 1 等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抑制疲劳裂缝扩展能力的同时，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【l ”。 孙伟等对不同纤维尺寸和体积掺量的s f r c 疲劳试验结果显示：随应力水平的降低，s f r c 的s - n 曲线明显向下弯曲p ”， 类似现象出现于文献【5 8 】报道的试验结果中，表明纤维对疲劳性能的改善作 用随应力水平降低而变弱。文献【3 7 】更提出混凝土中纤维的引入仅能够改善f r c 在低周疲劳荷载作用 下的抗疲劳性能，而对高周次疲劳荷载作用下混凝土疲劳性能的改善作用微不足道。文献 5 9 1 认为可 以利用混凝土疲劳裂缝在高周、低周疲劳荷载作用下裂缝发生、扩展机制的不同对这种现象进行解 释。贡金鑫，黄承逵，赵国藩等唧1 学者建立了新的疲劳方程描述这种钢纤维增强混凝= k s - j v d 自线明显 偏离线性的现象。 1 2 1 1 3 其它混凝土材料疲劳性能的研究 多孔混凝土在制备时往往是无砂或少砂的，硬化后存在较多和较大的孔隙，使混凝土具有良好 - 7 - t 南土学博士学位论文 的排水、透气性能，应用于城市路面以利于排除雨水，降低汽车行驶时的噪声，应用于河道护坡及 景观建筑以利于植物生长。由于其在路面结构中的应用，郑木莲”垮研究了多孔混凝土的疲劳性能， 建立了不同失效概率下双对数疲劳方程，并认为多孔混凝土疲劳性能优于常用的半刚性基层材料。 m i g u e | 6 2 1 还对采用聚合物改性处理的多孔混凝土疲劳性能进行了研究，发现采用丙烯酸共聚物处理 后改善了多孔混凝土的疲劳性能。 碾压混凝土是一种水泥用量少，掺加较多粉煤灰或其它矿物掺合料的贫混凝土，在贫混凝土中 掺加粉煤灰不仅可以减少水泥用量，降低成本，而且有助于提高施工和易性，减少早期干缩、温缩 裂缝，具有良好的应用前景。除用于浇筑水利工程中混凝土重力坝的外，作为一种强度高、刚度大 的路面基层材料，也应用于公路路面结构。孙伟，刘加平等【6 ”研究了不同粉煤灰掺量的碾压混凝土 的疲劳性能，认为碾压技术与粉煤灰的火山灰效应改善了材料的孔结构而使其疲劳性能到改善，并 建立了考虑粉煤灰掺量的疲劳方程。赵炜诚，许志鸿即j 也研究了粉煤灰贫混凝土的疲劳性能研究。 他们得到的结论是粉煤灰贫混凝土具有比