彎曲荷載作用下UHPFRCC的氯離子傳輸性能和服役壽命預測.pdf

1、超高性能纖維增強水泥基復合材料(UHPFRCC)是一種具有優(yōu)異力學性能和耐久性能的新型水泥基材料，具有十分廣闊的應用前景。UHPFRCC已經(jīng)在北美、歐洲、日本和澳大利亞等地得到了一定的應用，并取得了極佳的反饋和評價。然而，如今UHPFRCC仍未能在世界范圍內(nèi)得到廣泛的應用，其原因除了價格因素之外，主要是由于缺乏相應的UHPFRCC材料和結(jié)構(gòu)的設(shè)計標準。UHPFRCC的微觀結(jié)構(gòu)致密，具有十分優(yōu)異的抗氯離子滲透性能，因此海洋工程是其潛在的應

2、用領(lǐng)域之一。鋼筋銹蝕是造成海洋環(huán)境中混凝土結(jié)構(gòu)破壞的主要原因，而采用UHPFRCC建造海洋工程能夠延長工程的服役壽命，進而降低維護和重建成本。另一方面，在實際工程中，混凝土結(jié)構(gòu)通常是在承載和開裂的狀態(tài)下工作的，而混凝土結(jié)構(gòu)開裂最為常見的原因是彎曲荷載的作用，因此本文研究了彎曲荷載和氯離子侵蝕耦合作用下UHPFRCC結(jié)構(gòu)的氯離子傳輸性能并提出了壽命預測方法，研究結(jié)果能為氯鹽環(huán)境中UHPFRCC材料和結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計提供參考和依據(jù)。本研究主

3、要內(nèi)容包括：
　?、磐ㄟ^實驗研究明確了UHPFRCC主要的力學性能和耐久性能，并著重研究了UHPFRCC在彎曲荷載作用下的耐久性能。制備了強度等級為150 MPa的UHPFRCC材料，測試了UHPFRCC的抗壓強度，抗折強度和韌性等力學性能，研究了養(yǎng)護齡期、纖維摻量和養(yǎng)護制度對UHPFRCC力學性能的影響;測試了UHPFRCC干燥收縮、抗氯離子滲透、抗凍融和抗碳化等耐久性能，研究了浸泡時間、纖維摻量、荷載和養(yǎng)護制度對UHPFRCC

4、抗氯離子滲透性能的影響以及荷載、鋼纖維摻量和養(yǎng)護制度對UHPFRCC抗凍融性能的影響。結(jié)果表明:UHPFRCC具有極其優(yōu)異的力學性能，標準養(yǎng)護時早期強度增長快，后期強度高且增長平穩(wěn);高溫養(yǎng)護和蒸汽養(yǎng)護能使UHPFRCC在較短的時間內(nèi)得到足夠的力學性能;鋼纖維的摻加顯著的提高了UHPFRCC的抗折強度和韌性;UHPFRCC具有十分優(yōu)異的耐久性能，收縮應變值較低，抗氯離子滲透性能、抗凍融性能以及抗碳化性能均十分優(yōu)異;在彎曲荷載作用下，UHP

5、FRCC的抗氯離子滲透性能和抗凍融性能均有一定程度的降低。
　?、评貌煌叨壬系慕Y(jié)構(gòu)模型，建立了UHPFRCC的微觀、細觀和宏觀結(jié)構(gòu)。通過材料科學可知，UHPFRCC在不同尺度上的組成結(jié)構(gòu)決定了它的宏觀性能。將UHPFRCC的結(jié)構(gòu)分成了三個尺度:微觀（μm級）、細觀（mm級）和宏觀(cm級)。在微觀尺度上，研究對象為UHPFRCC的漿體，其微觀結(jié)構(gòu)通過擴展的HYMOSTRUC模型模擬得到，該模型可以用于模擬含有粉煤灰和硅灰的UH

6、PFRCC漿體的微觀結(jié)構(gòu)，并考慮了粉煤灰和硅灰在體系中的填充效應和火山灰效應;細觀尺度上的研究對象是UHPFRCC基體，包括漿體和集料，其細觀結(jié)構(gòu)通過Anm模型模擬得到，Anm模型最大的優(yōu)勢是可以模擬不規(guī)則集料顆粒的堆積過程;宏觀尺度上的研究對象即為UHPFRCC試件，包括基體和鋼纖維，其宏觀結(jié)構(gòu)通過自編的Matlab程序模擬得到。
　?、峭ㄟ^有限元法求解Fick擴散方程，建立了預測UHPFRCC氯離子傳輸性能的多尺度方法。UHP

7、FRCC本身的氯離子傳輸性能是決定其在氯鹽環(huán)境中服役壽命的主要因素。文中以UHPFRCC的微觀和細觀結(jié)構(gòu)為輸入條件，利用有限元法求解擴散方程，預測了UHPFRCC漿體和基體的氯離子擴散系數(shù)。在微觀尺度上，研究了水膠比、粉煤灰摻量和硅灰摻量對UHPFRCC漿體氯離子擴散系數(shù)的影響。結(jié)果表明，在通常情況下，UHPFRCC漿體的氯離子擴散系數(shù)隨著水膠比和粉煤灰摻量的升高而升高，隨著硅灰摻量的升高而降低。在細觀尺度上，研究了集料體積分數(shù)及形狀對

8、UHPFRCC基體氯離子擴散系數(shù)的影響。結(jié)果表明，UHPFRCC基體的氯離子擴散系數(shù)隨著集料體積分數(shù)的升高而降低，而集料形狀對UHPFRCC基體氯離子擴散系數(shù)的影響不大。在宏觀尺度上，基于兩相模型預測了UHPFRCC本身的氯離子擴散系數(shù)，其值與鋼纖維摻量有關(guān)。
　?、壤肔attice斷裂模型，模擬了UHPFRCC在彎曲荷載作用下的力學行為，跟蹤了UHPFRCC中裂縫的形成過程，提出了從模擬結(jié)果中提取裂縫形貌信息的方法。在彎曲應力

9、作用下，UHPFRCC通常會表現(xiàn)出應變強化和多縫開裂的性質(zhì)。利用Lattice斷裂模型模擬得到了UHPFRCC在彎曲荷載作用下的荷載撓度曲線和裂縫的形成過程，Lattice斷裂模型的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果相符，能較好的模擬UHPFRCC的應變強化和多縫開裂行為。利用Lattice斷裂模型研究了纖維分布和摻量對UHPFRCC抗折性能的影響。結(jié)果表明，纖維單向分布時UHPFRCC的抗折性能優(yōu)于隨機分布，隨著纖維摻量的提高UHPFRCC的抗折性能

10、提高。此外，在Lattice斷裂模型結(jié)果的基礎(chǔ)上，本文提出了提取裂縫形貌信息的方法。裂縫的形貌信息包括深度和寬度等，這些信息對研究開裂UHPFRCC的氯離子傳輸性能至關(guān)重要。
　?、衫糜邢薏罘址?，模擬了氯離子在開裂UHPFRCC中的傳輸過程，在此基礎(chǔ)上建立了開裂UHPFRCC結(jié)構(gòu)在氯鹽環(huán)境中服役壽命的預測方法。除了UHPFRCC本身的氯離子擴散系數(shù)以外，氯離子在裂縫中的傳輸性能對氯離子在整個開裂UHPFRCC中的傳輸過程也有極大

11、的影響。本文通過模擬氯離子穩(wěn)態(tài)擴散實驗，計算得到了裂縫中的表觀氯離子擴散系數(shù)，并研究了裂縫形貌對開裂混凝土氯離子傳輸性能的影響。研究結(jié)果表明，裂縫的表觀氯離子擴散系數(shù)與裂縫的寬度并不直接相關(guān)，而與裂縫的曲折度和狹窄處的寬度和數(shù)量有關(guān)。基于電化學，研究了氯離子在裂縫溶液中的傳輸性能，研究結(jié)果表明，氯離子在溶液中的傳輸速度與其在溶液中的濃度有關(guān)。基于有限差分法，建立了氯離子在開裂UHPFRCC中傳輸過程的模擬方法，并給出了計算實例，從計算結(jié)

12、果可知氯離子除了可以從裂縫的表面向UHPFRCC內(nèi)部傳輸以外，還可以通過裂縫尖端向材料內(nèi)部傳輸，裂縫尖端處的氯離子滲透深度最大。根據(jù)模擬得到的氯離子傳輸過程，預測了完好和開裂的UHPFRCC結(jié)構(gòu)在氯鹽環(huán)境中的服役壽命，并研究了UHPFRCC氯離子擴散系數(shù)、表面氯離子濃度、裂縫形貌等因素對UHPFRCC結(jié)構(gòu)服役壽命的影響，結(jié)果表明UHPFRCC結(jié)構(gòu)的服役壽命隨著UHPFRCC本身氯離子擴散系數(shù)和表面氯離子濃度的減小而增加，隨著裂縫寬度和深