拉伸疲劳对混凝土的氯离子扩散影响的研究

拉伸疲劳对混凝土氯离子扩散的影响研究拉伸疲劳对混凝土氯离子扩散的影响研究 摘要 采用不同的最大应力水平和不同的疲劳次数对 C30 混凝土进行拉伸疲劳试验 将经受疲劳的混凝土 试件分别采用残余拉应变 基于超声波形的分形维数的疲劳损伤度和基于电化学阻抗谱的损伤电阻对疲劳 损伤进行表征 研究疲劳损伤和混凝土的氯离子扩散系数的关系 结果表明 应用残余拉应变 分形维数 疲劳损伤度和损伤电阻表征疲劳损伤时可行的 残余拉应变越大 混凝土氯离子扩散系数也越大 残余拉 应变超过 25时 混凝土的氯离子扩散系数增速显著 可将残余拉应变 25作为起劣点 混凝土的氯 u u 离子扩散系数随着疲劳损伤的增加而增大 呈指数函数关系 混凝土的氯离子扩散系数随着损伤电阻的增 大而减小 呈指数函数关系 关键词 拉伸疲劳作用 氯离子扩散系数 疲劳损伤 残余拉应变 分形维数 损伤电阻 中图分类号 TU 528 0 文献标志码 A Effect of tensile fatigue on chloride diffusion in concrete Abstract The tensile fatigue was enforced on C30 concrete with different stress levels and different fatigue life cycles Use residual tensile strain the fatigue damage based on ultrasonic waveform s fractal dimension and damage resistance based on Electrochemical Impedance Spectroscopy as damage parameters respectively to study the effect of tensile fatigue on chloride diffusion coefficient in concrete It is shown that the diffusion coefficient of chloride in concrete under tensile fatigue increases with the increase of residual tensile strain As the residual tensile strain exceeds 25 the ingression of chloride ions into the concrete increases rapidly So we can use the u residual tensile strain 25 as a point concrete starts degradation The chloride diffusion coefficient in concrete u under tensile fatigue increases at an exponential function with fatigue damage increase The chloride diffusion coefficient in concrete under tensile fatigue decreases with the damage resistance RCCP RCP increase the relationship between chloride diffusion coefficient and damage resistance is exponential Key words tensile fatigue chloride ion diffusion fatigue damage residual tensile strain fractal dimension damage resistance 在沿海地区 大桥 码头等构筑物周围环境中的氯含量相对较高 而氯离子是被认为 影响钢筋混凝土结构耐久性最重要的因素之一 服役过程中的混凝土不仅遭受氯离子侵蚀 而且承受风荷载 波浪荷载以及车辆荷载等疲劳荷载作用 因此研究疲劳荷载对于氯离子 在混凝土中扩散的影响具有重要意义 到目前为止 国内外已有一些疲劳作用对混凝土氯离子扩散影响的研究 Saito 等对经 受循环压缩荷载后混凝土的氯离子渗透性进行了研究 1 Gontar 等采用三点加载和两种疲 劳控制方式 荷载和位移 研究了疲劳荷载与混凝土氯离子扩散的关系 2 蒋金洋等研究 了弯曲疲劳载荷作用下混凝土和钢纤维混凝土的抗氯离子扩散性能 3 4 李炜等研究了压缩 疲劳作用对混凝土的氯离子扩散系数的影响 5 Xiang 等采用损伤力学 非线性分析 数值 模拟和可靠度方法 对疲劳损伤混凝土的氯离子扩散进行了可靠性评价 6 已有的文献多数集中在压缩和弯曲疲劳作用 而拉伸疲劳作用对混凝土中氯离子扩散 影响的研究鲜见报导 由于混凝土的抗拉性能控制着混凝土内部裂缝的发生发展的全过程 因此开展拉伸疲劳对混凝土氯离子扩散影响的研究十分必要 传统的损伤表征以疲劳次数 作为损伤指标 由于疲劳次数与混凝土的损伤的关系是非线性的 只能从宏观上定性了解 疲劳损伤对混凝土性能的影响 并不能真正表征混凝土的疲劳损伤程度 3 所以本文将采 用超声参数 电化学阻抗谱以及残余拉应变等方法进行损伤研究 建立拉伸疲劳损伤程度 与氯离子扩散系数的定量关系 为进一步研究疲劳与氯盐耦合情况下钢筋混凝土损伤劣化 及其寿命预测提供依据 1 1 试验试验 1 11 1 试验原材料与配合比试验原材料与配合比 水泥采用安徽海螺水泥长生产的 P O42 5 级水泥 细骨料为南京产天然河砂 细度模 数 2 6 粗骨料为 5 20mm 连续级配碎石 拌合水为自来水 混凝土配合比如表 1 表 1 混凝土配合比 Table 1 Mix propositions of concrete 混凝土材料用量 m3 强度等级水灰比 水泥砂子石子水 C300 53906351180195 1 21 2 混凝土轴心拉伸疲劳试验混凝土轴心拉伸疲劳试验 综合考虑疲劳试验机性能 试验夹具尺寸要求和试件安装等 采用 100mm 100mm 515mm 长方体试件 在试件两端轴心各预埋一根直径 16mm 的钢筋 预 埋长度为 60mm 标准养护 90d 后测其轴心抗拉强度 同一批混凝土成型 150mm 150mm 150mm 的正方体试件 标准养护 90d 后测其抗压强度 采用 MTS 810 电液伺服万能疲劳试验机对试件进行单轴拉伸疲劳试验 试验采用的加 载波形为常用的无间歇正弦波 采用的加载参数列于表 2 表 2 拉伸疲劳试验参数 Table 2 Parameters of tensile fatigue tests Item12345678910111213 max S 00 50 50 50 60 60 60 70 70 70 750 750 75 min S00 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 1 f Hz 0101010101010555555 N 104 01351351350 511 5 注 1 2 f 为加载频率 3 N 为试件疲劳次数 t fS maxmax t fS minmin 1 31 3 混凝土疲劳损伤试验混凝土疲劳损伤试验 1 3 11 3 1 混凝土残余拉应变混凝土残余拉应变 在疲劳试验过程中 在试件非浇筑面的 2 个对面的中心位置各设置一支 LVDT 装置 通过 LVDT 首先进行位移量测 然后换算为应变 通过 2 支 LVDT 量测按平均值计算 1 3 2 混凝土超声波波形的分形维数混凝土超声波波形的分形维数 将经受疲劳作用的试件切去两端预埋钢筋的部分 制成 100mm 100mm 300mm 的试 件 切面用砂纸打磨光滑 采用非金属超声检测仪进行测定 测试选用直穿法 将超声发 射和接收端头分别置于试件轴向两端 对称放置 接触面涂以凡士林作为耦合剂 使端头 与试件表面充分接触 每个试件选取 5 个测点测试 将测试所得的波形通过 USB 接口导出 采用 MATLAB 编程 利用功率谱法计算测得波形的分形维数 1 3 3 混凝土电化学阻抗谱测定混凝土电化学阻抗谱测定 将经受疲劳作用的试件切割成 100mm 100mm 100mm 的试件 切面用砂纸打磨光滑 将两个切割面用铜箔胶带粘贴 作为电极 为使试件充分饱水 将试件放入水养箱中常温 饱水 72h 后取出进行电化学测试 电化学测试由 PARSTAT2273 型电化学工作站完成 试 验采用两电极法 电化学阻抗谱 EIS 由 PowerSine 模块中的 Default SS 标准模板测得 频率范围选取 10mHz 100kHz 阻抗测试信号采用 5mv 的正弦波 对数扫描点 40 个 1 4 氯离子扩散系数测定试验氯离子扩散系数测定试验 混凝土氯离子扩散系数采用改进的 RCM 法进行测定 将经受疲劳作用的试件切成 100mm 100mm 100mm 的试件 切面打磨光滑 用环氧树脂粘合剂在两非切面中心粘上直 径 75mm 的 PVC 弯管 待环氧树脂固化后将试件置于水养箱中 饱水 72h 后取出用环氧树 脂将试件密封 在两端弯管中放入直径 75mm 的钢丝网 用导线连接钢丝网和直流稳定电 源 电源正极连接的一端弯管注入 0 3mol L 的 NaOH 溶液 负极一端注入 10 质量浓度的 NaCl 溶液 电源电压设置为 60V 通电后记录每个试件的初始电流和阳极初始温度 通电 24h 后关闭电源 记录每个试件的最终电流和阳极的最终温度 脱去弯管 沿试件轴线切 开 在切面喷涂 0 1mol L 的 AgNO3溶液显色剂 15min 后用彩色防水笔画出显色轮廓线 将切面均分成 10 部分 测试中间 7 个测点的显色深度 取平均值作为扩散深度 试件的氯离子扩散系数 D 可以通过式 1 计算得出 2 273 0238 0 2 273 0239 0 U XT X tU LT D d d 1 式中 为氯离子扩散系数 为电源电压 V T 为阳极溶液的初始Dsm 101 0 212 U 温度和结束温度的平均值 L 为试件厚度 mm 为氯离子扩散深度的平均值 d X mm t 为试验通电试件 h 2 试验结果与分析试验结果与分析 2 1 残余应变与混凝土氯离子扩散的关系残余应变与混凝土氯离子扩散的关系 通过 LVDT 位移测量 计算出残余应变 结果如图 1 所示 r 012345 0 5 10 15 20 25 30 35 Smax 0 5 Smax 0 6 Smax 0 7 Smax 0 75 r 10 6 N 104 图 1 不同拉伸疲劳情况下的残余拉应变 Fig 1 Residual strains of concrete for different tensile fatigue tests 由图 1 可以看出 1 在最大应力水平相同的疲劳作用下 混凝土疲劳后的残余拉应变随着疲劳次数的增 加而增大 2 相同疲劳次数下 疲劳的最大应力水平对混凝土疲劳后的残余拉应变影响很大 在 疲劳初期尤为显著 经过最大应力水平为 0 75 的拉伸疲劳 5000 次后混凝土的残余拉应变 分别是经过最大应力水平为 0 5 和 0 6 的拉伸疲劳 10000 次的 4 倍和 3 倍 利用改进的 RCM 法测出不同疲劳情况下混凝土的氯离子扩散系数 经过不同疲劳 f D 情况的混凝土的残余应变与氯离子扩散系数的关系如图 2 所示 0102030 20 40 60 Df 10 12m2 s 1 r 10 6 图 2 残余拉应变与混凝土中氯离子扩散系数的关系 Fig 2 The relationship between the diffusion coefficient of chloride ion and residual tensile strains 由图 2 可以看出 1 混凝土的氯离子扩散系数随着混凝土的残余应变的增大而增加 并且残余应变越大 氯离子扩散系数的变化率也越大 2 当残余应变超过 25 0时 氯离子扩散系数的变化幅度十分显著 u 3 将混凝土的残余应变与氯离子扩散系数进行拟合 发现存在如下关系式 R 0 983 2 61 4 exp 037 0 38 16 r f D 根据上述分析 对于经受拉伸疲劳的混凝土而言 残余拉应变为 25 0是影响混凝土 u 氯离子扩散系数的一个特征点 残余拉应变是混凝土内部微裂纹 孔洞等的累积 残余拉 应变的增大是混凝土内部微裂纹 孔洞变化的结果 而混凝土裂缝宽度与氯离子扩散系数 有着密切的关系 Mustafa Sahmaran 的研究表明裂缝宽度大于 135 m 时 开裂混凝土的氯 离子扩散系数比未开裂混凝土大 1 2 个数量级 有效扩散系数与裂缝宽度是幂函数关系 7 Ismail 的研究显示裂缝宽度显著影响沿裂缝方向的氯离子扩散 沿裂缝方向的氯离子扩散 随着裂缝宽度增加而增加 但对于宽度小于 30 m 的裂缝基本对氯离子扩散基本没有影响 8 Djerbi 的试验结果表明当裂缝宽度在 30 80 m 时 裂缝处的氯离子扩散系数随裂缝宽度线 性增加 当裂缝宽度大于 80 m 时 裂缝处的氯离子扩散系数基本恒定 9 以上研究都表 明裂缝宽度对于氯离子扩散的影响必然存在一个阀值 只有裂缝宽度大于这个阀值氯离子 扩散系数才会显著增大 而残余拉应变超过 25 0时氯离子扩散系数的变化幅度十分显著 u 说明当残余拉应变在 25 0时 混凝土内部宽度大于阀值的裂缝数量和分布也达到了一个 u 临界状态 2 2 基于超声波形的分形维数损伤与氯离子扩散系数的关系基于超声波形的分形维数损伤与氯离子扩散系数的关系 随着超声检测的发展 超声检测逐渐应用于混凝土损伤缺陷检测 一般采用超声波速 作为损伤指标 然而超声波波形是对损伤最敏感直观的表现 并且稳定性很高 10 由于混 凝土内部的微裂纹 孔洞以及宏观裂缝使超声波在传播过程中产生绕射 透射和反射使波 形十分复杂 所以对于波形的处理没有很好的方法 11 分形维数作为科学研究的重要工具 之一 它是描述自然界和非线性系统中不光滑和不规则几何体的有效工具 12 应用功率谱 法来计算波形的分形维数 来描述波形的复杂程度 混凝土内部损伤越大 超声波在传播 过程中产生的绕射 透射和反射越多 那么波形也就越复杂 分形维数也就越大 波形是 平面图形 所以维数最大为 2 因此定义损伤程度如下 u u G D DD D 2 3 式中 为混凝土内部损伤 为未进行疲劳试验试件的分形维数 为进行过疲劳试 G D u DD 验试件的分形维数 利用式 3 计算混凝土拉伸疲劳损伤结果如图 3 所示 012345 0 10 20 30 40 50 60 70 80 DG N 104 Smax 0 5 Smax 0 6 Smax 0 7 Smax 0 75 图 3 不同拉伸疲劳情况下混凝土的疲劳损伤 Fig 3 Fatigue damage of concrete for different tensile fatigue tests 由图 3 可以看出 1 随着疲劳次数的增加 疲劳损伤不断增大 相同疲劳最大应力水平下 初期的损伤 增长速度最快 2 经过相同疲劳次数的混凝土的疲劳损伤随着疲劳的最大应力水平的提高而增大 当 拉伸疲劳的最大应力水平超过 0 7 时 混凝土的疲劳损伤将随疲劳次数迅速增大 混凝土 将迅速劣化 基于超声波形分形维数的拉伸疲劳损伤度与氯离子扩散系数的关系如图 4 所示 G D f D 03060 20 40 60 Df 10 12m2 s 1 DG 图 4 混凝土疲劳损伤与混凝土氯离子扩散系数的关系 Fig 4 The relationship between the diffusion coefficient of chloride ion and fatigue damage 由图 4 可以看出 随着损伤的增大 混凝土的氯离子扩散系数也逐渐增大 且符合如 下关系 R 0 993 77 52 exp 0 G f D DD 4 将 3 式代入 4 式可得超声波形分形维数与氯离子扩散系数的关系 2 77 52 exp 0 u u f D DD DD 5 2 3 电化学阻抗谱与氯离子扩散系数的关系电化学阻抗谱与氯离子扩散系数的关系 近年来 电化学阻抗谱已经成为水泥混凝土结构与性能的有力工具 交流阻抗谱的电 化学参数与水泥混凝土材料的结构参数之间存在对应关系 能反应材料的许多性能 13 14 混凝土成分 结构复杂 Guangling Song 15 通过忽略次要因素描述了混凝土导电相关 的细观结构 指出混凝土中与导电相关的路径有三种 许多孔隙连接组成的连续导电路径 CCP 水泥水化产物阻塞孔隙的不连续导电路径 DCP 和除 CCP DCP 以外的混凝 土绝缘路径 ICP 当视混凝土为绝缘体 介电体 时 交流电是通过基体的充放电作用 来穿越混凝土的 因而等同于纯电容 Cmat 此外 连续导电路径 CCP 与纯电阻 RCCP等 效 所以不连续导电路径 DCP 可由纯电阻 RCP和电容 CDP的串联电路来模拟 所以 素混 凝土的等效电路如图 5 所示 图 5 Guangling Song 提出的素混凝土等效电路图 Fig 5 Equivalent circuit model for concrete proposed by Guangling Song 由于电化学设备存在着分辨率和连接电极缆线影响自身的问题 出现在高频处 大约 在 10MHz 的容抗弧并不能被正确显示 因此 高频处的 EIS 测试意义并不大 通常素混 凝土只会出现单个容抗弧 也即忽略了混凝土水泥浆的介电电容 Cmat 即 Cmat 0 由于混 凝土一般出现非理想的电容行为 因此 需引入 CPE 元件 Q1代替图 5 中的 CDP 此时素混 凝土等效电路如图 6 所示 图 6 简化的混凝土等效电路图 Fig 6 Simplified equivalent circuit model for concrete bulk 比较图 5 和图 6 可以得到 CCPCP CCPCP RR RR R 0 6 CCPCP CCP RR R R 2 1 7 由式 6 7 可得 10 RRRCCP 8 9 1 010 R RRR RCP 在经受拉伸疲劳时 混凝土的损伤逐渐增大 内部的微裂缝以及孔结构不断的生长 部分的绝缘路径 ICP 转变为不连续导电路径 DCP 部分的不连续导电路径扩展为连 续导电路径 CCP 而部分的连续导电路径也有所扩展 在这过程中 RCCP和 RCP会随着 导电路径的变化而变化 所以选取损伤电阻 RCCP RCP 作为损伤表征量 来研究拉伸疲 劳对于混凝土氯离子扩散的影响 混凝土试件的 Nyquist 图如图 7 所示 a b c d 分别是经受最大应力水平为 0 5 0 6 0 7 和 0 75 的拉伸疲劳作用的混凝土的 Nyquist 图 05000 100001500020000250003000035000 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 blank 0 5 1w 0 5 3w 0 5 5w Z ohm cm2 Z ohm cm2 05000 100001500020000250003000035000 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 Z ohm cm2 Z ohm cm2 blank 0 6 1w 0 6 3w 0 6 5w a b 05000 100001500020000250003000035000 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 Z ohm cm2 Z ohm cm2 blank 0 7 1w 0 7 3w 0 7 5w 05000 100001500020000250003000035000 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 Z ohm cm2 Z ohm cm2 blank 0 75 0 5w 0 75 1w 0 75 1 5w c d 图 7 不同拉伸疲劳后混凝土的 Nyquist 图 Fig 7 Nyquist plots of concrete for different tensile fatigue tests 对图 7 按等效电路图 6 用 ZsimpWin 软件进行拟合 得到 R0和 R1 按式 8 9 求 得损伤电阻 RCCP RCP 结果如图 8 所示 012345 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 Smax 0 5 Smax 0 6 Smax 0 7 Smax 0 75 RCCP RCP 106 N 104 图 8 不同拉伸疲劳情况下的损伤电阻 Fig 8 Damage resistance of concrete for different tensile fatigue tests 由图 8 可以看出 1 相同疲劳最大应力水平下 随着疲劳次数的增加 损伤电阻不断的减小 2 相同疲劳次数下 随着拉伸疲劳的最大应力水平的增大 RCCP RCP不断的减小 当最大应力水平为 0 75 时 RCCP RCP的变化幅度尤为明显 3 拉伸疲劳的最大应力水平为 0 5 和 0 6 时 疲劳次数的增加与 RCCP RCP的减小基本 呈线性关系 而疲劳的最大应力水平超过 0 7 时 初期疲劳损伤对 RCCP RCP的影响很大 尤其是疲劳的最大应力水平为 0 75 的混凝土试件 经过 5000 次疲劳后 RCCP RCP变化几乎 是疲劳最大应力为 0 7 的混凝土试件经过 10000 次疲劳的 2 倍 损伤电阻 RCCP RCP 和混凝土疲劳试件的氯离子扩散系数的关系如图 9 所示 1234 20 40 60 Df 10 12m2 s 1 RCCP RCP 106 图 9 混凝土损伤电阻和混凝土氯离子扩散系数的关系 Fig 9 The relationship between the diffusion coefficient and damage resistance 由图 9 可以看出随着损伤电阻的增大 混凝土的氯离子扩散系数逐渐减小 并且符合 如下关系 R 0 988 11 85 0 exp93 32947 9 CPCCP f RR D 混凝土在拉伸疲劳过程中 损伤电阻的变化反映着连续导电路径和不连续导电路径的 变化 而导电路径的变化恰恰说明了混凝土在拉伸疲劳过程中的内部损伤的发展 即混凝 土内部微裂纹以及孔洞的产生和发展 裂缝和孔洞可以显著改变材料的质量传输性能并促 进介质的渗透和溶出 连续裂缝或孔洞的存在可以增大扩散系数 2 10 倍 16 所以用损伤 电阻作为损伤量可以较好的表征混凝土的疲劳损伤 3 结论结论 1 拉伸疲劳作用导致的残余拉应变与混凝土的氯离子扩散性有较好的相关性 拉伸 疲劳作用下混凝土的氯离子扩散系数 随残余拉应变的增大而增大 并且当残余拉应变为 25时 混凝土的氯离子扩散系数迅速增大 可以把残余拉应变 25作为混凝土抵抗氯 u u 离子侵入的起劣点 2 利用基于混凝土超声波形的分形维数作为损伤量研究拉伸疲劳对于混凝土氯离子 扩散的影响是可行的 可用定量的表征混凝土损伤程度 混凝土的氯离子 u u G D DD D 2 扩散系数随着疲劳损伤增加而增大 拉伸疲劳损伤度和混凝土氯离子扩散系数存在 G D f D 着指数函数关系 77 52 exp 0 G f D DD 3 电化学阻抗谱中的损伤电阻 RCCP RCP 能较好的表征混凝土的拉伸疲劳损伤 经过疲劳作用的混凝土的氯离子扩散系数随着损伤电阻 RCCP RCP 的减小而增大 呈指 数函数关系 参考文献参考文献 1 Saito M Ishimori H Chloride permeability of concrete under static and repeated compressive loading J Cement and Concrete Research 1995 25 4 803 808 2 Gontar W A Martin J P Popovics J S Effects of cyclic loading on chloride permeability of plain concrete J Condition Monitoring of Materials and Structures 2000 1 95 109 3 蒋金洋 孙伟 王晶 等 弯曲疲劳载荷作用下结构混凝土抗氯离子扩散性能 J 东南大学 学报 自然科学版 2010 40 2 362 366 JIANG Jing yang SUN Wei WANG Jing et al Resistance to chloride ion diffusion of structural concrete under bending fatigue load J Journal of Southeast University Natural Science Edition 2010 40 2 362 366 in Chinese 4 蒋金洋 孙伟 刘加平 等 疲劳载荷作用下超高程泵送钢纤维混凝土的耐久性 J 东南大 学学报 自然科学版 2006 36 2 259 262 JIANG Jing yang SUN Wei LIU Jia ping et al Fatigue durability of steel fiber reinforced concrete with super high vertical pumping distance J Journal of Southeast University Natural Science 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