ASR與環(huán)境和力學(xué)因素協(xié)同作用下混凝土的損傷失效過(guò)程與機(jī)理.pdf

1、混凝土耐久性的本質(zhì)是其與環(huán)境之間的作用,通常是雙重或多重因素的作用。ASR是個(gè)特殊的耐久性問(wèn)題,它更多地反映了材料本身與環(huán)境因素的協(xié)同作用。對(duì)ASR與環(huán)境因素協(xié)同作用下混凝土耐久性的深入探討,揭示其損傷的規(guī)律性、特點(diǎn)和作用機(jī)理,既可深入理解ASR耐久性問(wèn)題,對(duì)其它耐久性問(wèn)題的研究也有重要參考價(jià)值。 本文采用宏觀和微觀層次相結(jié)合的方法,探討了ASR與凍融循環(huán)、氯化鈉溶液以及彎曲荷載協(xié)同作用下混凝土的損傷失效過(guò)程與機(jī)理。在宏觀層次上

2、,建立了多重因素下混凝土損傷的測(cè)試系統(tǒng),通過(guò)在協(xié)同作用下混凝土的膨脹性能變化和相對(duì)動(dòng)態(tài)彈性模量的變化,對(duì)損傷隨時(shí)間的變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤；在細(xì)觀和微觀層次上,通過(guò)光學(xué)顯微鏡(OM)、激光共聚焦顯微鏡(LSCM)、帶能譜的電子顯微鏡(SEM-EDXA)和環(huán)境掃描顯微鏡(ESEM-EDXA)對(duì)微觀損傷過(guò)程進(jìn)行跟蹤測(cè)試,探討各環(huán)境協(xié)同作用下混凝土損傷的特點(diǎn)和規(guī)律：采用壓汞法對(duì)各協(xié)同作用下混凝土的孔結(jié)構(gòu)演變規(guī)律進(jìn)行研究；采用ESEM-EDXA對(duì)不同

3、環(huán)境中形成的凝膠的組成和膨脹性能進(jìn)行了直接觀察和分析。本文還提出了模擬多重因素作用下?lián)p傷失效過(guò)程的一般方法。 研究結(jié)果表明,當(dāng)ASR與氯化鈉協(xié)同作用時(shí),混凝土損傷加劇；即使是在低堿的高濕度環(huán)境下,含有活性集料的混凝土仍然發(fā)生ASR作用,只不過(guò)低堿環(huán)境中形成的是膨脹能力很小的高鈣硅比(C/S)凝膠。而在高堿的環(huán)境中,形成膨脹性大的低C/S凝膠。ASR凝膠在某一濕度之上會(huì)突然發(fā)生膨脹。當(dāng)氯化鈉協(xié)同作用時(shí),形成的凝膠C/S很低,即使是

4、在低堿的情況下,氯鹽的存在也降低了凝膠中的C/S,從而導(dǎo)致膨脹增加。此過(guò)程中,孔隙進(jìn)一步填充細(xì)化,孔隙率減小,在反應(yīng)程度較高的情況下,凝膠膨脹產(chǎn)生新的裂縫,加劇損傷。 在ASR共存的情況下,氯離子擴(kuò)散到混凝土中的速度顯著變慢,混凝土對(duì)氯離子的結(jié)合能力也大大降低,進(jìn)入混凝土中的氯離子基本上是自由氯離子,混凝土對(duì)氯離子呈現(xiàn)出線(xiàn)性結(jié)合。ASR凝膠在孔隙中的存在,降低了孔徑,減緩了氯離子擴(kuò)散速率,降低了氯離子結(jié)合能力。 ASR與

5、凍融循環(huán)協(xié)同作用時(shí),不管是先凍融循環(huán)后ASR,還是先ASR后凍融循環(huán),損傷均加劇。先ASR后凍融循環(huán),混凝土不再產(chǎn)生剝落,而先凍融循環(huán)再損傷的混凝土則仍然會(huì)產(chǎn)生剝落現(xiàn)象。凍融循環(huán)的過(guò)程中,伴隨有物質(zhì)的遷移和混凝土結(jié)構(gòu)的變化,混凝土中K+、Na+、Ca2+等元素在界面區(qū)富集,在細(xì)小孔隙中則有堿等物質(zhì)的富集。這些堿和鈣離子等的富集對(duì)二次ASR作用的環(huán)境產(chǎn)生很大的影響,誘發(fā)和加劇ASR作用。凍融循環(huán)使混凝土孔隙率增加,最可幾孔徑變大,孔隙形狀

6、變得復(fù)雜,對(duì)后期的ASR損傷產(chǎn)生影響。先ASR后凍融循環(huán),ASR形成的凝膠填充混凝土的孔隙,降低了孔隙率,減小了最可幾孔徑,孔隙扭曲度增加,使混凝土在受到二次凍融循環(huán)作用時(shí),滲透壓增加,損傷加劇；ASR所形成的凝膠附著在孔隙上,促進(jìn)凍結(jié)時(shí)冰晶體生長(zhǎng)。早期ASR或凍融循環(huán)還會(huì)對(duì)混凝土產(chǎn)生微損傷。這些也會(huì)加劇二次損傷作用。 荷載和ASR協(xié)同作用對(duì)混凝土的損傷有顯著的交互作用。混凝土開(kāi)裂并產(chǎn)生較大的變形而不斷裂,受拉區(qū)出現(xiàn)多縫開(kāi)裂。荷

7、載對(duì)受壓區(qū)的影響較受拉區(qū)更大一些。受壓區(qū)的交互作用與壓力加劇了ASR作用有關(guān),也與ASR凝膠在荷載作用下產(chǎn)生遷移有關(guān)；受拉區(qū)的交互作用與荷載作用下混凝土開(kāi)裂加劇ASR有關(guān)。采用粘性界面模型和粘彈性本構(gòu)定律,可以用有限元法對(duì)ASR和荷載作用下的膨脹和損傷過(guò)程進(jìn)行模擬,并可拓展到其它損傷過(guò)程。 本文的研究揭示了在雙重或多重因素作用下,單一因素的作用結(jié)果會(huì)因物質(zhì)遷移等改變材料所處環(huán)境,影響混凝土及內(nèi)部孔溶液的組成和孔隙結(jié)構(gòu),從而對(duì)二次