混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土凍融機(jī)理及耐久性評(píng)估研究.pdf

1、凍融循環(huán)破壞是寒冷地區(qū)建筑物的主要病害之一，嚴(yán)重影響了建筑物的正常使用性能及長(zhǎng)期使用的安全性，帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失十分巨大。凍融循環(huán)對(duì)混凝土的微觀、細(xì)觀結(jié)構(gòu)造成損傷，微細(xì)觀結(jié)構(gòu)的改變決定了混凝土材料宏觀性能的退化、失效、破壞，材料宏觀性能的退化對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估具有重要意義。
　　本文從試驗(yàn)、理論和有限元模擬分析三個(gè)方亟研究了凍融循環(huán)作用對(duì)混凝土材料細(xì)觀損傷、宏觀力學(xué)性能退化以及構(gòu)件承載能力衰減的影響，主要成果如下:
　　(1

2、)通過(guò)材料性能試驗(yàn)，采用RapidAir、金相顯微鏡及IPP等微觀測(cè)試手段，對(duì)混凝土細(xì)微觀凍融損傷進(jìn)行了定性和定量分析，結(jié)合宏觀性能測(cè)試，認(rèn)識(shí)到混凝土抗壓強(qiáng)度在評(píng)價(jià)凍融損傷的作用。隨著細(xì)觀凍融損傷的發(fā)展，混凝土抗壓強(qiáng)度呈三段式下降。
　　含氣量試驗(yàn)研究表明:當(dāng)混凝土強(qiáng)度較高時(shí)(本試驗(yàn)中混凝土28天強(qiáng)度為66.55MPa)，較大的孔隙間距系數(shù)以及較小的含氣量并不一定意味著較差的抗凍性。細(xì)觀研究表明:孔隙群更容易受到凍融循環(huán)的影響而出

3、現(xiàn)微裂縫，出現(xiàn)時(shí)間較早，利于消散孔隙間的壓力，該區(qū)域的損傷累積與凍融循環(huán)前期混凝土抗壓強(qiáng)度的線(xiàn)性下降能較好地對(duì)應(yīng);相對(duì)孤立的孔隙和砂漿與粗骨料界面過(guò)渡區(qū)(ITZ)對(duì)凍融循環(huán)較不敏感，當(dāng)凍融循環(huán)累計(jì)到一定程度后，這些區(qū)域才會(huì)出現(xiàn)明顯損傷，預(yù)示著混凝土材料將出現(xiàn)宏觀性能的加速退化甚至失效破壞。宏觀研究表明:對(duì)混凝土進(jìn)行耐久性全周期的評(píng)價(jià)時(shí)，尤其是混凝土損傷較嚴(yán)重，相對(duì)動(dòng)彈性模量(RDME)已不再適用時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度是一個(gè)更加穩(wěn)定、可信的凍

4、融損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)。結(jié)合細(xì)觀和宏觀研究發(fā)現(xiàn):隨著細(xì)觀凍融損傷的增長(zhǎng)，混凝土的宏觀抗壓強(qiáng)度呈三段式下降。初始階段，凍融引起的孔間裂縫改變了混凝土內(nèi)部原有的缺陷分布，混凝土抗壓強(qiáng)度下降較快。中間階段，孔間裂縫穩(wěn)定擴(kuò)張，一些較大的孔開(kāi)始因?yàn)閮鋈诙霈F(xiàn)孔壁剝落，混凝土抗壓強(qiáng)度下降速度減緩。失效階段，孔間裂縫形成一個(gè)更大的孔，與其他大孔之間形成更為宏觀的裂縫，混凝土抗壓強(qiáng)度下降速度再一次加快，最終導(dǎo)致混凝土凍碎。
　　(2)編制了有限元分析子程

5、序，基于對(duì)孔隙的模擬和改進(jìn)的混凝土損傷塑性模型，模擬了混凝土細(xì)觀凍融損傷，凍融損傷的混凝土抗壓強(qiáng)度的變化與材料試驗(yàn)結(jié)果吻合。
　　通過(guò)Python語(yǔ)言和Fortran語(yǔ)言的模塊化混合編程，改進(jìn)了混凝土損傷塑性模型，實(shí)現(xiàn)了受損混凝土單元的失效刪除，開(kāi)發(fā)了一套自動(dòng)的混凝土細(xì)、宏觀凍融損傷的模擬程序（源代碼參見(jiàn)附件），程序涵蓋了幾何模型的生成、材料屬性的定義、單元網(wǎng)格的劃分以及重啟動(dòng)分析計(jì)算。該程序具有友好的用戶(hù)交互界面，良好的通用性，

6、允許用戶(hù)自定義模型的幾何參數(shù)以及材性參數(shù)，后續(xù)的數(shù)值模擬均由計(jì)算機(jī)自動(dòng)執(zhí)行，大幅提高了有限元模擬的效率以及可重復(fù)性。模擬出的細(xì)觀凍融損傷與試驗(yàn)現(xiàn)象較一致，即首先在距離較近的孔間形成微裂縫，孔隙膨脹到一定程度后開(kāi)始出現(xiàn)孔邊剝落。隨著細(xì)觀凍融損傷的增長(zhǎng)，模擬的抗壓強(qiáng)度平均值呈三段式下降，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好;同時(shí)，模擬的抗壓強(qiáng)度包絡(luò)圖能較好地覆蓋實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)散點(diǎn)。
　　(3)基于預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件凍融試驗(yàn)，評(píng)估了凍融引起的預(yù)應(yīng)力損失，結(jié)合有限

7、元分析給出了考慮凍融的混凝土結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測(cè)的簡(jiǎn)化方法。
　　完成了耐久性全周期的預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件凍融循環(huán)試驗(yàn)。同條件下的預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件與素混凝土材料表現(xiàn)出不同的破壞形態(tài)，這是因?yàn)轭A(yù)壓應(yīng)力改變了構(gòu)件混凝土材料內(nèi)的應(yīng)力分布，這些應(yīng)力會(huì)改變凍脹應(yīng)力，導(dǎo)致構(gòu)件內(nèi)微裂縫的發(fā)生和發(fā)展改變?？椎纼?nèi)灌漿在凍融早期的不均勻破壞導(dǎo)致構(gòu)件端部的預(yù)應(yīng)力損失較大，在凍融后期灌漿完全破壞后對(duì)凍融預(yù)應(yīng)力損失影響很小。即使混凝土材料完全凍碎，預(yù)壓力和箍筋也還能將

8、凍碎的混凝土保持為一個(gè)整體?；炷羶鏊闀r(shí)，測(cè)得的極限凍融預(yù)應(yīng)力損失約為5％σcon（張拉控制應(yīng)力），考慮到凍融引起的預(yù)應(yīng)力損失是一個(gè)長(zhǎng)期預(yù)應(yīng)力損失，隨著暴露在凍融環(huán)境時(shí)間的增長(zhǎng)，混凝土材料損傷越嚴(yán)重，凍融預(yù)應(yīng)力損失越大，因此，在評(píng)估寒冷地區(qū)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)尤其要引起重視，建議軸心預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的凍融預(yù)應(yīng)力損失的取值不小于5％σcon。
　　以混凝土材料凍融循環(huán)損傷的研究成果為基礎(chǔ)，構(gòu)建了利用有限元模擬凍融預(yù)應(yīng)力損失和凍融損傷后承載能

9、力的方法，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。同時(shí)，改進(jìn)了凍融預(yù)應(yīng)力損失、凍融后承載力的簡(jiǎn)化公式，與試驗(yàn)結(jié)果、有限元模型結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在混凝土的抗壓強(qiáng)度高于初值的50％時(shí)，簡(jiǎn)化計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果及有限元模擬結(jié)果吻合較好，具有較高的可靠性;若混凝土抗壓強(qiáng)度繼續(xù)下降，因凍融損傷程度和分布的離散性而出現(xiàn)不可預(yù)測(cè)的誤差。最后，結(jié)合對(duì)混凝土材料、構(gòu)件等在凍融下的試驗(yàn)、理論和模擬研究以及基于性能退化的長(zhǎng)壽命產(chǎn)品壽命預(yù)測(cè)技術(shù)，給出了基于混凝土抗壓強(qiáng)度退化的混