（道路与铁道工程专业论文）含气量与冻融损伤对混凝土疲劳性能的影响.pdf

摘要 混凝土结构的冻融破坏在世界范围内的寒冷地区是普遍存在的，各国为此付出了沉重的经济代 价。自从十九世纪三十年代，人们便发现通过引气剂引入的大量微小气泡可以显著改善混凝土的抗 冻耐久性。随着外加剂应用技术的不断发展，引气剂已成为混凝土中不可或缺的组分被广泛应用于 路面、桥梁、机场道面等遭受疲劳荷载的结构混凝土中。引气混凝土的疲劳性能虽己引起了人们的 关注，但为数不多的研究结果还存在争议。 对于寒冷地区的混凝土路面、桥面、机场道面等结构，除遭受疲劳作用外，还遭受冻融循环作 用，冻融损伤对混凝土疲劳性能的影响是客观存在的，而目前国内外未见有这方面的研究报道。对 于我国北方寒冷地区的水泥混凝土路面。在设计中没有考虑冻融损伤的影响，具有很大的局限性。 为此，本文系统地研究了含气量和冻融损伤对混凝土疲劳性能的影响规律，揭示了冻融作用对 混凝土疲劳性能影响的机理；在此基础上，研究了在路面结构设计中考虑冻融损伤对混凝土疲劳性 能影响的方法。全文的研究内容共分为兰大部分。 第一部分主要研究了含气量对混凝土疲劳性能的影响以及引气混凝土的疲劳变形发展规律 论文分析了混凝土在弯曲拉伸状态下的应力应变曲线特征，提出了基于比例极限的混凝土 抗折强度预测方法，在此基础上，系统地研究了含气量、水灰比对混凝土疲劳性能的影响，用方差 分析方法分析了含气量和水灰比对混凝土疲劳寿命的影响，结果表明：混凝土的含气量在7 范围内 对弯曲疲劳寿命没有影响；含气量在5 的情况下，水灰比为0 3 9 和o ，4 4 的混凝土的疲劳寿命相差 不大，但当混凝土的水灰比提高至0 5 0 时，混凝土的疲劳寿命将明显缩短。 论文提出了根据应变速率划分疲劳变形三个阶段的新方法，在用该方法对疲劳变形曲线的三个 阶段进行准确划分的基础上，研究了等幅疲劳变形曲线不周阶段所占比例，应变速率、四个特征点 o 、a 、b 、f ( 各阶段起始点) 的变形值的变化规律以及两级疲劳中加载历史对后续疲劳应变速率、 特征点变形值的影响规律，结果表明：第一阶段所占比例缸随岛。的增大而增大，第一、二阶段所 占比例之和如随鼠。的增大而减少，且五= 、知与品。之间均有很好的线性关系；线性段终点的最 大变形岛。，b 与混凝土在静态弯曲荷载作用下的峰值应变相等，即铷= e 。b ，疲劳破坏点的应变 e m 。j 与疲劳破坏时的应力水平成反比，等于单调加载软化段中疲劳破坏时的应力对应的应变；在两 级变幅疲劳荷载作用下。应力水平发生变化时，单位荷载应变增量“p 与静载作用下单位荷载的 应变增量相当；等幅疲劳荷载作用下，疲劳初始点0 点、破坏点f 点的等效应变速率l o g k o 、l o g g - ， 以及线性段的应变速率l o g 叠与l o g n r 和s 。之间均有很好的线性关系；在两级疲劳荷载作用下， 加载历史对后续疲劳变形的应变速率有影响，当加载顺序为先低后高时，第二级荷载作用下的应变 速率小于相同水平等幅疲劳荷载作用下的应变速率，当加载顺序为先高后低时，则相反。论文通过 提高疲劳应力水平的估算精度，降低了两级疲劳荷载作用下混凝土疲劳寿命的离散性，从而澄清了 加载顺序对混凝土疲劳寿命的影响规律。基于上述研究成果，论文建立了等幅弯曲疲劳荷载作用下 混凝土的变形曲线演化方程和考虑了加载顺序影响的两级疲劳荷载作用下混凝土的寿命预测模型。 第二部分主要研究冻融损伤对混凝土疲劳性能的影响及机理 根据损伤力学理论，选择合适的损伤变量，从损伤的角度研究了混凝土遭受水冻或盐冻作用后 的强度( 抗压、抗折，疲劳) 、变形( 峰值应变、应力应变关系) 和弹性模量( 动弹性模量、抗 折弹性模量) ，分析了冻融损伤对强度、变形、弹性模量的影响规律，并建立了具有普适性、能描述 混凝土性能劣化规律的衰减方程。在上述研究的基础上，进行了不同水灰比、不同含气量混凝土经 水冻或盐冻损伤后的疲劳试验，分析了冻融损伤对混凝土疲劳寿命和疲劳变形性能的影响规律，建 立了损伤混凝的疲劳方程和疲劳破坏准则，研究结果表明，在疲劳荷载相同的情况下，冻融损伤 对混凝土疲劳性能的影响非常明显，当1 3 = 1 时，冻融损伤混凝土的疲劳寿命只有未损伤混凝士的 i 6 0 左右，而当d - - 9 时，混凝土的疲劳寿命还不到未损伤混凝土的1 ；在损伤度d 相同的情况下， 盐冻对混凝土疲劳寿命的影响比水冻大；在应力水平相同的情况下，损伤混凝土的疲劳寿命、各阶 段所占的比例以及第二阶段的应变速率与未损伤混凝土的相等。但四个特征点o 、a 、b 、f 的变形、 第一、三阶段的应变速率均比未损伤混凝土的大。 论文利用压汞仪和光学显微镜从细观结构层次分析了冻融损伤混凝土的孔结构、微裂纹和界面， 揭示了冻融损伤对混凝土疲劳性能影响的机理：在冻融循环作用下，混凝土的孔隙率增大，有害孔 增多，混凝土内微裂纹的萌生、扩展导致粗集料中、砂浆一集料界面的微裂纹数量、宽度、长度的不 断增加是影响混凝土疲劳性能的主要原因。 第三部分主要研究如何在路面设计中考虑冻融损伤的影响 通过对现行路面混凝土抗冻性试验和评价方法的分析，指出抗冻性评价指标临界值偏低也是北 方寒冷地区水泥混凝土路面提前破坏的重要原因之一，又由于冻融损伤对混凝土疲劳性能的影响非 常明显，论文提出要想使寒冷地区的水泥混凝土路面达到预期的使用寿命，需在提高路面混凝土抗 冻性评价指标临界值的基础上，再在路面结构设计中合理地考虑冻融损伤对混凝土路面使用寿命的 影响。因此，研究了在不改变现行水泥混凝土路面设计框架和体系的基础上，通过引入冻融损伤系 数幻来考虑冻融损伤对混凝土疲劳性能的影响的方法，并给出了混凝土动弹性模量临界值和不同冻 融介质情况下冻融损伤系数幻的建议值。 关键词：混凝土含气量冻融损伤疲劳机理冻融损伤系数 i i a b s t r a c t f r e e z i n g - t h a w i n gd a m a g eo fc o n c r e t ec o m p o n e n t si sv e r yc o m m o ni nc o l da r e a sa l l o v e rt h ew o r l d ， w h i e hc a u s e sh e a v ye c o n o m i cl o s s e st ot h e s ec o u n t r i e s s i n c et h el a s t3 0 s i th a sb e e nf o u n dt h a t a i r - e n t r a i n i n ga d m i x t u r ec a ni n t r o d u c em a s sm i c r oa i rb u b b l e sa n dt h u s i m p r o v et h ef r o s tr e s i s t a n c eo f c o n c r e t e w i mt h ed e v e l o p m e n to fa d m i x t u r ea p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y , a i r - e n t r a i n i n ga d m i x t u r eh a sb e e na n e c e s s a r yc o m p o n e n to fc o n c r e t e ，s u c h 丛p a v e m e n t s ，b r i d g e sa n da i r f i e l d s ，w h i c ha r es u b j e c t e dt of a t i g u e l o a d s a l t h o u 【g hm u c ha t t e n t i o nh a sb e e np a i do l lt h ef a t i g u ep r o p e r t i e so fa i r - e n t r a i n e dc o n c r e t e , s o m e r e s u l t sa r eu n d e rd i s p u t e d i nn o r t ha r e a s ，c o m p o n e n t s ，s u c h 笛p a v e m e n t s ，b r i d g e s ，a i r f i e l d se t e ，a r eu s u a l l ys u b j e c tt ob o t hf a t i g u e l o a d sa n df r e e z i n g - t h a w i n gc y c l e sa tt h es a m et i m e f r e e z i n g - t h a w i n gd a m a g ei ss u r et oa f f e c tt h ef a t i g u e p r o p e r t i e so fc o n c r e t e b u lt i l ln o w , r e s e a r c h e so nt h i ss u b j e c th a v e n tb e e nd e v e l o p e d i fi g n o r i n g f r e e z i n g - t h a w i n gd a m a g ed u r i n gd e s i g n ，g r e a tl i m i t a t i o nm i g h tb ec r e a t e df o rt h ec e m e n tc o n c r e t e p a v e m e n t si nt h ec o l dn o r t b e r nc h i n a f o rt h e s er e a s o n s ，t h ei n f l u e n c eo fa i rc o n t e n ta n df r e e z i n g - t h a w i n gd a m a g eo nc o n c r e t ef a t i g u e p r o p e r t i e si ss t u d i e ds y s t e m a t i c a l l yi nt h i sp a p e r t h ee f f e c t i n gm e c h a n i s mo ff r e e z i n g - t h a w i n gd a m a g eo n c o n c r e t ef a t i g u ep r o p e r t yi sd e v e l o p e d b a s e do nt h e s er e s e a r c h e s ，t h ew a yt oc o n s i d e rt h ee f f e c to f f r e e z i n g - t h a w i n gd a m a g eo nf a t i g u ep r o p e r t i e si np a v e m e n td e s i g ni s s t u d i e d t h ew h o l ep a p e rc a nb e d i v i d e di n t o t h r e ep a r t s p a r ti ：e f f e c to f a i rc o n t e n to nc o n c r e t ef a t i g u ea n df a t i g u ed e f o r m a t i o na n dp r o g r e s sr u l e so f a i re n t r a i n i n gc o n c r e t e i nt h i sp a p e r , t h ec h a r a c t e r i s t i co fc o n c r e t es t r e s s s t r a i nc a l v eu n d e rb e n d i n ga n dt e n s i l el o a d si sd e e p l y a n a l y z e d t h e nt h ep r e - e s t i m a t em e t h o do fb e n d i n gs f f e n g t hi sa d v a n c e db a s e do np r o p o r t i o n a ll i m i t t h ee f f e c to fa i rc o n t e n ta n dw a t e rc e m e n tr a t i oo nc o n c r e t ef a t i g u ei ss y s t e m a t i c a l l ys t u d i e db a s e do ni t a n dv a r i a n t ea n a l y s i si su s e dt os t u d vt 1 1 e i ri n f l u e n c eo nc o n c r e t ef a t i g u e1 i r e i t si n d i c a t e dt h a tt h e r ei sn o e f f e c to i lb e n d i n gf a t i g u el i f ew h e na i rc o n t e n ti sb e l o w7 ；w h e na i rc o n t e n ti s5 ，t h e r ei sn os u f f i c i e n t d i f f e r e n c ei nf a t i g u el i f eb e t w e e nc o n c r e t e sw i t hw a t e rc e m e n tr a t i o o 3 9a n d0 4 4 h o w e v e r , i fw a t e r c e m e n tr a t i oi n c r e a s e st oo 5 0 t h ef a t i g u el i f ei so b v i o u s l ys h o r t e n e d an e wm e t h o dt od e l i m i t a t et h ef a t i g u es t r a i ni n t ot h r e es t e p sb yv a r i a t i o no fs t r a i nr a t ei nf a t i g u e c u r v ei sd e v e l o p e d a i d e ru s i n gt h i sm e t h o dt od i v i d ef a t i g u ed e f o r m a t i o nc u r v ec o r r e c t l y , t h ep r o p o r t i o n ， s t r a i nr a t ea n dd e f o r m a t i o nm l e si nt h eb e g i n n i n gp o i n to f e a c hs t e pa r es t u d i e d ，w h e r et h eb e g i n n i n gp o i n t s a r ei d e n t i f i e d o ，a ，b ，ef u r t h e r m o r e ，t h ee f f e c to fl o a d i n gh i s t o r yo ns u b s e q u e n ts t r a i nr a t ea n d d e f o r m a t i o no f c h a r a c t e r i s t i cp o i n t si nt h e2 - s t a g ef a t i g u ei 暮a l s or e s e a r c h e d i ti n d i c a t e st h a tt h el a r g e rt h e v a l u es m ，t h el a r g e rt h ep r o p o r t i o no f t h ef i r s ts t e p ，b w h i l ew i t hs mi n c r e a s i n g , t h es l i mo f t h ef i r s ta n d s e c o n ds t e pp r o p o r t i o n d e c r e a s e s t h e r ei sq u i t eg o o dl i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nk ，k b a n ds 擀t h e m a x i m u md e f o r m a t i o no nt h ee n do ft h el i n e a rs t e p ，bi se q u a lt ot h es t r a i np e a kv a l u eu n d e rs t a t i c b e n d i n gl o a d s ，号和t h a ti s 饰= = i i i a k b s t r a i nv a l u eo f t h ef a t i g u ef a i l u r ep o i n t ，r - f ，i se q u a lt ot h es t r a i na t t h ey i e l dp o i n to fm o n o t o n i cl o a d i n g a n di th a sa ni n v e r s er e l a t i o nw i t ht h es t r e s sl e v e lo ff a t i g u el o a d w h e n e x p o s e dt o2 - s t a g ev a r i a b l e - a m p l i t u d ef a t i g u ec y c l e s ，t h es t r a i ni n c r e m e n to f u n i tl o a d s ，a j a p i sa s m u c ha st h a tu n d e rs t a t i cl o a d i n g u n d e rc o n s t a n ta m p l i t u d ef a t i g u el o a d s ，c l e a rl i n e a rr e l a t i o n se x i s t b e t w e e n s 。l o g n i a n dl o g 舌d ，l o g 叠，a sw e l l a s l o g 叠l h e r el o g z o ，l o g g f ，l o g i st h e s t r a i nr a t eo nf a t i g u ei n i t i a lp o i n to ，f a i l u r ep o i n tfa n dl i n e a rs t a g e u n d e r2 - s t a g ef a t i g u el o a d i n g ，t h e l o a d i n gh i s t o r yh a se f f e c to ns u b s e q u e n tf a t i g u ed e f o r m a t i o n w h e n t h el o a d i n go r d e ri sf r o ml o wt oh i g h , t h es t r a i nr a t ei nt h es e c o n ds t a g ei ss m a l l e rt h a nt h a tu n d e rt h e a m ec o n s t a n ta m p l i t u d ef a t i g u el o a d i n g , v i c ev e r s a b yi m p r o v i n gt h ee s t i m a t i n ga c c u r a c yo f f a t i g u es t r e s sl e v e l ，t h ed i s c r e t e n e s so f t e s t e dt w o - s t a g e 1 1 1 l o a d i n gf a t i g u el i f ec a r lb er e d u c e d s ot h ei n f l u e n c el a w so fl o a d i n gs e q u e n c eo i lc o n c r e t ef a t i g u el i f ea l e c l a r i f i e d b a s e do nt h er e s u l t sm e n t i o n e da b o v e ，ad e f o r m a t i o ne q u a t i o na b o u tt h ec o n c r e t eu n d e rc o n s t a n t a m p l i t u d ec y c l el o a d i n ga n dal i f ep r e d i c a t i o nm o d e lf o rt w o s t a g el o a d e dc o n c r e t ea l ee s t a b l i s h e di nt h e p 印e r p a r ti ie f f e c to f f r e e z i n g - t h a w i n gd a m a g eo nc o n c r e t ef a t i g u ep r o p e r t i e sa n di t sm e c h a n i s m f o l l o w i n gt h ed a m a g em e c h a n i c st h e o r y , p r o p e rd a m a g ev a r i a b l e sa l ec h o s e nt os t u d yt h er e s i d u a l s t r e n g t h ，d e f o r m a t i o na n de l a s t i cm o d u l u so fw a t e ra n ds a l tf r o z e nc o n c r e t ef r o mt h ep o i n to fd a m a g e ，a n d e f f e c to f f r e e z i n g - t h a w i n gd a m a g et ot h e s ep a r a m e t e r sa r ea n a l y z e d t h e na g e n e r a ld e g r a d a t i o ne q u a t i o ni s e s t a b l i s h e dt or e v e a lt h ed e t e r i o r a t i o no f c o n c r e t ep r o p e r t i e s b a s e do nt h e s er e s e a r c h e s f a t i g u et e s t so nt h e f r o z e nc o n c r e t ew i t hv a r i e dw a t e rc e m e n tr a t i oa n da i rc o n t e n ta r ec a r r i e do u t t h ee f f e c to f f r e e z i n g - t h a w i n gd a m a g eo nc o n c r e t ef a t i g u ep r o p e r t i e si ss u m m a r i z e da n daf a t i g u ee q u a t i o no fd a m a g e d c o n c r e t ei sp r o p o s e d i ti n d i c a t e st h a tf r e e z i n g - t h a w i n gd a m a g eh a so b v i o u si n f l u e n c eo nc o n c r e t e sf a t i g u e p r o p e a i e s u n d e rs o m ei d e n t i c a ll o a d s ，w h e n1 3 = - 1 ，t h er e s i d u a lf a t i g u el i f eo f f r e e z i n g - t h a w i n gd a m a g e d c o n c r e t ei sj u s t6 0 o fi t so r i g i n a lf a t i g u el i f e ，h o w e v e r , i fd e 9 。t h ep e r c e n t a g ei sl e s st h a nl w h e n d a m a g ed e g r e ei si d e n t i c a l ，t h ei n f l u e n c eo fs a l tf r e e z i n go nc o n c r e t ef a t i g u el i f ei sg r e a t e rt h a nt h a to f w a t e rf r e e z i n g m e r c u r yi n t r u s i o np o r o s i m e t r ya n do p t i c a lm i c r o s c o p ea r eu s e dt oa n a l y z et h ep o r es t r u c t u r e , m i c r o c r a c k sa n di n t e r f a c eo fd a m a g e dc o n c r e t e t h ed e t e r i o r a t i o nm e c h a n i s mo fc o n c r e t ew h e ne x p o s e dt o f r e e z i n g - t h a w i n gc i r c u m s t a n c ei sr e v e a l e db a s e do nt h et e s tr e s u l t s u n d e rf r e e z i n g - t h a w l n gc y c l e s , b o t h t h ew h o l ep o r o s i t ya n dt h en u m b e ro f h a r m f u ip o r e si nc o n c r e t ea r ei n c r e a s e d c o n t i n u o u si n i t i a t i o na n d s p r e a dl e a dt h ea m o u n t , w i d t ha n dl e n g t ho f m i c r oc r a c k i n gi nm o r t a r - a g g r e g a t ei n t e r r a c i a lt r a n s i t i o nz o l e i n c r e a s i n gg r a d u a l l y , w h i c hi st h ep r i n c i p a lc a u s eo f d e g r a d a t i o no f c o n c r e t em a c r op r o p e r t i e s p a r t h o wt oc o n s i d e rt h ee f f e c to fd a m a g ef r o mf r e e z i n g - t h a w i n gc y c l e si nt h ed e s i g no fc o n c r e t e p a v e m e n t b ya n a l y z i n gt h ec u r r e n tt e s t sa n de v a l u a t i n gm e t h o d so fc o n c r e t ef r o z e nr e s i s t a n c e ，if i n dt h a tt o ol o w c r i t i c a lv a l u ei ne v a l u a t i n gt h ef r o z e nr e s i s t a n c em i g h tb ea ni m p o r t a n tc a u s ef o rt h ee a r l yd e s t r u c t i o no f c o n c r e t ep a v e m e n t si nn o r t hc h i n & t h ei n f l u e n c eo ff r e e z i n g - t h a w i n gd a m a g eo nc o n c r e t ef a t i g u ei sv e r y p r o n o u n c e d s ot h ec o n s i d e r a t i o no f t h i si n f l u e n c ed e g r e ea n dah i g l 】e re v a l u a t i n gc r i t i c a lv a l u ea r en e e d e d t oe n s u r et h ep a v e m e n t sb e h a v i n gt h e i re x p e c t e ds e r v i c el i f e s t i c k i n gt ot h ec u r r e n td e s i g nf r a m ea n d s y s t e mo fc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t , t h ec o e f f i c i e mo ff r e e z i n g - t h a w i n gd a m a g e ，k ，i si n t r o d u c e dt o d e s c r i b et h ee f f e c to ff r e e z i n g - t h a w i n go nc o n c r e t ef a t i g u ep r o p e r t i e s t h ec r i t i c a ld y n a m i cm o d u l u so f e l a s t i c i t ya n dt h es u g g e s t i v ev a l u eo f 幻i nd i f f e r e n tm e d i u ma r ep r e s e n t e di nt h ee n d k e yw o r d s ：c o n c r e t e ；a i rc o n t e n t ；f r e e z i n g - t h a w i n g ；d a m a g e ；f a t i g u e ；m e c h a n i s m ；c o e f f i c i e n to f f r e e z i n g - t h a w i n gd a m a g e 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。 虢蛳眸日期：峄7 ， 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：导师签名：二坠日期：导师签名：二笪竺日期： 第一章绪论 1 1 研究的目的与意义 第一章绪论 1 1 1 混凝土结构冻融破坏的普遍性和严重性 自1 9 世纪2 0 年代波特兰水泥问世以来，混凝土材料及其应用技术不断得到发展。混凝土现已 成为现代土木工程中用量最大、用途最广的建筑材料。如果能根据使用环境对混凝土正确地设计， 同时按要求进行施工和养护，混凝土将是一种很耐久的结构材料，其使用寿命可达百年甚至更久。 然而。国内外都出现了相当多的混凝土结构因受冻融循环作用而过早破坏的实例。 由于水泥混凝土道面、桥面大面积裸露在大自然环境中，易受到大气降雨和大气温度的影响， 在出现雨雪天气的情况下，混凝土很易处于水饱和状态。因此寒冷地区的混凝土路面和桥面极容易 出现冻融破坏，在撤除冰盐的情况下，在很短的时阋内会产生盐腐蚀剥落破坏。 据1 9 8 0 年的报导，美国有几万座公路桥因除冰盐引起混凝土剥蚀和钢筋锈蚀，须大修或重建， 仅1 9 7 8 年l a 的经济损失就达6 3 亿美元。1 9 8 6 年欧洲、北美、澳大利亚、日本等1 6 个国家组成 一个专家组，用了近4 年的时间，对这些国家内及跨国的约8 0 万座水泥混凝土道路桥梁( 长度至少 5 米) 的现状进行了细致和全面的调查，结果表明钢筋锈蚀和冻融破坏是两种最主要的破坏形式， 尤其在使用除冰盐时更加严重1 2 j 。假如要对这些破坏的桥梁进行修复或更新。其费用要高达5 0 0 9 0 0 美y r d m 2 ，远比当年造价高，且发展趋势很不乐观。例如。美国1 9 9 2 年在这方面的维修费用已高达 2 5 8 0 亿美元，为当年造价的4 倍 3 1 t 英国仅英格兰中环线的l l 座高架桥，使用1 2 年就破坏严重， 修费用已高达1 2 亿英磅，为当年造价的6 倍 4 1 。 我国的基础设施建设虽然比西方发达国家晚3 0 年。但长期以来对混凝土结构耐久性问题重视不 够。此外，由于历史的原因，与水工结构、海港结构相比，我国对路桥结构耐久性的研究滞后了约 2 0 年，1 9 9 9 年以前建成的路面基本上没有采取抗冻融技术措施，使得我国的混凝土道面和桥面也已 经暴露出严重的耐久性问题。混凝土路面设计基准期为3 0 年，而大部分实际使用不到l o 年就需进 行大修。在我国的东北、西北、华北地区，水泥混凝土路面和机场道面大都在建成后不久就出现了 不同程度和范围的冻融破坏：2 0 0 1 年进行的东北地区民用机场道面损坏研究调查发现，所有被调查 机场均发现不同程度和范围的冻融损坏，某机场开通不足l o 年，其道面9 0 以上混凝土板块发生冻 融耐久性裂纹损坏，在某机场停机坪发现较大面积严重的盐冻剥蚀损坏；黑龙江省交通部门调查发 现，东北地区的混凝土路面一般在建成后孔8 年就产生较为严重的冻融破坏9 1 ；北京市从2 0 世纪 7 0 年代末和8 0 年代初开始兴建大量立交桥，9 0 年代初就发现严重的破坏；北京市市政工程研究院 从1 9 9 1 开始对破坏原因进行追踪调查和分析，得出冻融和盐冻是引起桥梁混凝土破坏主要原因的结 论1 6 1 ；哈绥公路因为撤除冰盐，在通车后不到2 年就出现了大面积的剥蚀破坏。 在水工、港工混凝土结构中冻融破坏的情况同样不容乐观。1 9 8 5 年水电部调查报告表明：我国 水工混凝土的冻融破坏在三北地区的工程中占1 0 0 ，这些大型混凝土工程一般也就运行3 0 年左右， 有的甚至不到2 0 年，如云峰宽缝重力坝，运行1 9 年后下游面受破损显著，表面剥蚀漏出骨料，总 面积约s 5 0 0 平方米；丰满重力坝自从运行后就年年维修，运行3 3 年后，上、下游面及尾水闸墩冻 融破损严重。表面露出钢筋 港口码头工程，特别是接触海水的工程，其受冻破坏的现象更为严重， 破坏的结构主要是防波堤、胸墙、码头、栈桥等。如天津新港的防波堤，采用普通混凝土的部分， 经过几十年左右的运行就被冻融破坏以致完全失效。 综上所述，混凝土结构的冻融破坏在世界范围内的寒冷地区是普遍存在的，各国为此付出了沉 重的经济代价。 东南大学博士学位论文 i i 2 研究含气量对混凝土疲劳性能影响的必要性 由于混凝土结构冻融破坏的普遍性和严重性，自上世纪三十年代起，人们开始发现并研究在混 凝土中引入大量微小气泡以改善其抗冻耐久性。 引气剂的主要作用是提高混凝土的抗冻性和抗除冰盐对路面混凝土的剥蚀性。但随着外加剂应 用技术的不断发展，人们逐渐发现引气荆不但能显著提高混凝土的抗冻性，减少盐冻引起的表面剥 落，而且能提高混凝土的抗渗、抗碳化以及抗硫酸盐侵蚀性能，降低混凝土碱骨料反应危害，还能 改善混凝土的施工性能，减少离析和泌水，提高混凝土拌合物的保水能力，减小混凝土拌合物的经 时损失，从而提高混凝土的施工质量。因此，引气剂已成为混凝土中不可或缺的组分。在市政建设、 道路、桥梁、机场、水工、港1 ：3 码头等混凝土工程中得到了广泛的应用。美国在2 0 世纪3 0 年代就 开始使用引气剂，并在2 0 世纪4 0 年代首先制定了引气混凝土的施工规范。目前，在北美和北欧寒 冷地区的国家，如美国、加拿大、瑞典、芬兰、挪威等国，几乎7 0 - , 8 0 的混凝土都掺引气剂，特 别在水工、公路、桥梁、海港工程的混凝土中无例外地都掺有引气剂；在日本，绝大部分混凝土都 必须使用引气剂：在韩国，要求混凝土的含气量必须兰3 。 在我国，嗅中伟惋生首先于上世纪5 0 年代开发了松香类引气剂，并在水利工程中推广使用，这 对保证建国初期建设的水利工程混凝土抗冻耐久性起了很大作用。我国使用引气剂虽然已有4 0 年的 历史，但直到2 0 世纪9 0 年代，引气混凝土的优良性质还没有被工程界很好地认识，引气混凝土的 使用范围和比例都很有限，只在一些北方重要的水工、港口工程的混凝士中使用。但随着我国混凝 土技术的不断发展以及近年来对混凝土耐久性问题的重视，引气混凝土的使用已经相当普遍，不再 局限于冻融破坏现象严重的水工、港工领域，也不只局限于有抗冻要求的混凝土，如我国2 0 0 3 年发 布的公路水泥混凝土路面施工技术规范1 7 j 中规定路面混凝土无论有无抗冻性要求都必须使用引 气剂，并应达到表i 1 所规定的含气量：2 0 0 5 年发布的客运专线高性能混凝土暂行技术条件 s l 也明确规定，非抗冻混凝土的含气量必须大于3 o 表i 1路面混凝土含气量及允许偏差 值得注意的是，混凝土引气虽然能带来上述诸多优点，但同时也会带来一些负面影响，如降低 强度、增加收缩等。随着被广泛应用于道路、桥梁、机场跑道、海洋平台和铁路轨枕等遭受重复荷 载的混凝土建筑物或构件的增多，人们开始担心混凝土引气后其疲劳性能是否会受到影响。因此， 有必要研究引气混凝土的疲劳性能。 1 1 3 研究冻融损伤对混凝土疲劳性能影响的必要性 由于混凝土结构耐久性问题的普遍性和严重性，对进入服役后期的损伤、老化结构进行安全性、 耐久性评估并制定维修决策是我们现在和将来相当长的一段时问内面l 临的重大课题之一，“十一五” 国家科技支撑计划将“既有建筑综合改造关键技术研究与示范”作为重大项目进行资助就是最好的说 明。冻融循环作用是导致我国北方寒冷地区混凝土结构损伤失效的主要原因之一为了对冻融损伤 混凝土结构进行安全性、耐久性评估并制定维修决策，近年来，人们开始全面深入地研究冻融循环 作用下混凝土的性能衰减规律，主要包括力学性能、变形性能、耐久性能以及冻融损伤混凝土的细 观结构变化等方面。由前面的论述可知，我国北方地区的混凝土路面、桥梁、机场道面等承受疲劳 荷载作用的混凝土结构已经暴露出严重的冻融破坏问题。工程实践中迫切需要对这类既有冻融损伤 2 第一章绪论 混凝土结构的抗力、耐久性进行综合评定。预测其剩余疲劳寿命，算制定维修决策。因此，有必要 研究冻融损伤对混凝土疲劳性能的影响。而目前国内外还没发现研究冻融损伤对混凝土疲劳性能影 向的文献。 此外，我国正处于基本建设的高峰期。大规模的基础设施工程正在或即将建设，承受疲劳荷载 作用的混凝结构正逐渐增多，如海洋平台、跨江海大型桥梁、高等级公路、大中型飞机场、高速 铁路等，这些工程关系国计民生。必须实现百年大计甚至千年大计。而随着近年来研究的不断深入， 人们逐渐认识到遭受冻融循环作用的混凝土结构，其性能会随冻融损伤的累积而衰减。可靠度、安 全性将逐步降低，服役寿命会显著缩短。而目前北方寒冷地区的混凝土结构在进行强度和耐久性设 计时并没有考虑冻融损伤对这些性能的影响，这势必会影响到混凝土结构的使用寿命。虽然北方地 区的混凝土结构的抗冻性已引起了人们的重视，并得到了很大的改善，但混凝土的抗冻性能力苒强， 冻融循环作用对混凝土的损伤只能减小，不能避免。因此，要想使北方寒冷地区的混凝土桥梁、公 路、机场道面、海洋平台、铁路轨枕等遭受重复荷载作用的疲劳结构真正耐久，一方面要求混凝土 具有优异的抗冻耐久性，以防止混凝土因冻融循环作用而直接发生破坏；另一方面还需在结构设计 中合理地考虑冻融损伤对混凝土疲劳性能的影响。 因此，研究冻融损伤对混凝土疲劳性能的影响规律，对北方地区既有