超高程泵送鋼纖維混凝土的服役性能研究.pdf

1、混凝土開裂已成為現(xiàn)代混凝土的常見病害,裂縫往往成為有害介質(zhì)的快速入侵通道,誘發(fā)混凝土耐久性問題。同時,在疲勞荷載與環(huán)境因素耦合作用下,也易導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)耐久性劣化從而提前發(fā)生破壞,嚴(yán)重影響了混凝土的使用壽命。因此,超高索塔錨固區(qū)用的鋼纖維混凝土除了具有超高泵送的特殊性能外,同時也要滿足高抗裂、在疲勞與環(huán)境因素協(xié)同作用下高耐久性的要求。為了滿足其泵送性能和優(yōu)異的力學(xué)行為,本文經(jīng)過優(yōu)化混凝土基體組成和纖維外形與尺度,制備了索塔錨固區(qū)專用的鋼

2、纖維混凝土材料(HPSFRC),并系統(tǒng)研究了其泵送、抗拉、彎曲韌性、斷裂能以及鋼筋與鋼纖維混凝土的粘結(jié)等性能。接著,對該纖維混凝土抑制非荷載裂縫和抵抗結(jié)構(gòu)裂縫的能力進(jìn)行了研究,以確保其優(yōu)異的抗裂性能。然后,定量描述了混凝土疲勞損傷的變形規(guī)律和剛度劣化規(guī)律,建立了廣義損傷變量的理論模型,從而為混凝土耐久性的研究提供了基礎(chǔ)。最后,重點研究了疲勞載荷與環(huán)境因素耦合作用下混凝土的耐久性及其壽命預(yù)測方法。這些結(jié)論不僅有益于拓寬超高程泵送鋼纖維混凝

3、土的應(yīng)用,而且還能為疲勞載荷與環(huán)境因素耦合作用下混凝土的耐久性設(shè)計與評估提供依據(jù)。全文的研究內(nèi)容共分為六大部分。
　　 第一部分:超高程泵送鋼纖維混凝土的制備技術(shù)
　　 通過優(yōu)化纖維的尺度、外形及摻量,制備出泉程高達(dá)306米且滿足施工要求的鋼纖維混凝土。該泵送鋼纖維混凝土不僅與鋼筋的握裹力提高了近40％,而且還具有較高的抗拉強(qiáng)度、彎曲韌性、斷裂韌性和斷裂能。
　　 第二部分:超高程泵送鋼纖維混凝土的抗裂性研究

4、r>　　 通過模擬干熱環(huán)境作用,對優(yōu)選出的泵送性能優(yōu)異的高性能混凝土(HPC)和鋼錨箱錨固區(qū)專用HPSFRC進(jìn)行了塑性收縮試驗:研究了纖維摻量和種類對塑性收縮和干燥收縮性能的影響。研究表明:該鋼纖維混凝土抵抗非荷載裂縫的能力十分顯著,不僅能有效抑制早期的塑性收縮和早期自收縮,而且還能降低后期的干燥收縮。
　　 通過對梁的抗裂性試驗和索塔錨固區(qū)的足尺模型試驗的研究發(fā)現(xiàn):由于鋼纖維的加入,使混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂度提高了近40％；用該鋼

5、纖維混凝土澆筑的拉索錨固區(qū),在受荷時其開裂裂縫的寬度、長度和貫穿裂縫的數(shù)目均比用對比混凝土澆筑的拉索錨固區(qū)小得多,這表明該鋼纖維混凝土能明顯提高抵抗結(jié)構(gòu)裂縫的能力。并且,通過對足尺模型的有限元分析,也得到了與試驗結(jié)果相一致的結(jié)論。
　　 第三部分:超高程泵送鋼纖維混凝土的疲勞損傷性能研究
　　 本文首先從混凝上結(jié)構(gòu)疲勞破壞的極限狀態(tài)出發(fā),得到了適合超高程泵送的HPSFRC的S-N曲線,建立了基于兩參數(shù)威布爾分布的概率疲勞

6、方程以及95％保證概率下基準(zhǔn)混凝土和HPSFRC的S-N方程。
　　 其次,從疲勞損傷全過程的性能劣化出發(fā),應(yīng)用連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué),針對占疲勞損傷過程第二階段,定量化描述和確定了混凝土等幅疲勞累積損傷的變形發(fā)展規(guī)律和剛度衰減規(guī)律,推導(dǎo)出廣義疲勞損傷變量的表達(dá)式。該模型的計算結(jié)果與實驗結(jié)果取得了很好的一致。
　　 此外,混凝土在彎曲疲勞循環(huán)加載的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的包絡(luò)線與靜態(tài)單調(diào)彎拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線相接近?；炷恋钠谧冃渭皟?nèi)部

7、損傷可分為三個階段,從第2階段末損傷及變形開始急劇發(fā)展,其對應(yīng)的總縱向變形(εmax,B)和靜載一次破壞時峰值應(yīng)力相對應(yīng)的應(yīng)變(ε0)相接近。即基準(zhǔn)混凝土和HPSFRC的εmax,B分別為306με和400με；混凝土彎曲疲勞失效時對應(yīng)的殘余極限應(yīng)變(εPC)在300με～360με范圍,并且與加載的歷史無關(guān),因此可取300με作為殘余極限應(yīng)變來描述疲勞臨界失效點的損傷劣化值。
　　 第四部分:疲勞載荷與環(huán)境因素協(xié)同作用下混凝土

8、耐久性研究
　　 通過對疲勞損傷機(jī)理的分析,針對損傷發(fā)展的第二階段,采用不同疲勞循環(huán)壽命比對應(yīng)的殘余拉應(yīng)變和疲勞破壞時極限殘余拉應(yīng)變的比值來定義損傷變量,重點研究了疲勞載荷與環(huán)境因素協(xié)同作用下對混凝土耐久性的劣化情況。
　　 首先,疲勞損傷顯著增加了基準(zhǔn)混凝土和HPSFRC的碳化深度、氯離子擴(kuò)散速度和空氣滲透系數(shù),該趨勢隨疲勞損傷的增加而增大；當(dāng)殘余拉應(yīng)變超過30με(對應(yīng)CO2氣體擴(kuò)散系數(shù))和60με時,其殘余拉應(yīng)變越

9、大,對應(yīng)的CO2氣體擴(kuò)散系數(shù)、氯離子擴(kuò)散系數(shù)和空氣滲透系數(shù)相應(yīng)也就快速增加；然而當(dāng)殘余拉應(yīng)變?yōu)?20με時,相應(yīng)的擴(kuò)散系數(shù)大幅度增加,甚至提高了一個數(shù)量級。很明顯,疲勞損傷縮短了混凝士的服役壽命。因此,可以把殘余拉應(yīng)變?yōu)?0με～60με和120με時的對應(yīng)的疲勞損傷程度分別看作是對混凝土耐久性影響的起劣區(qū)間和陡劣點。
　　 其次,無論是基準(zhǔn)混凝土還是鋼纖維混凝土的相對動彈性模量均隨著殘余拉應(yīng)變的增加而下降,尤其是當(dāng)混凝土試件殘

10、余拉應(yīng)變超過60με時,其殘余拉應(yīng)變越大,則相對動彈性模量的下降速率就越快,即混凝土的抗凍融性能顯著下降。反過來,凍融循環(huán)也能明顯影響混凝土的抗疲勞性能,它不僅能加劇混凝土的疲勞損傷,而且也極大劣化了基準(zhǔn)混凝土的剛度,使其不再出現(xiàn)與未損傷混凝土類似的“三階段規(guī)律。此外,在疲勞載荷和凍融循環(huán)復(fù)合因素協(xié)同作用下,HPSFRC具有良好的抗凍性能和優(yōu)異的抗疲勞性能。
　　 第五部分:疲勞載荷與環(huán)境因素協(xié)同作用下混凝土耐久性的影響機(jī)理

11、r>　　 通過氮氣加壓灌注環(huán)氧和熒光拍照技術(shù),發(fā)現(xiàn)疲勞作用給混凝土引入了微細(xì)裂縫,并且這些裂縫先出現(xiàn)在骨料與水泥漿體之間的界面區(qū),隨著疲勞損傷的增大,這些裂縫穿過水泥漿體相互連通,在水泥砂漿中產(chǎn)生裂縫；并且疲勞損傷程度越大,則混凝土內(nèi)部的微裂縫在數(shù)量和尺度上也越大；相同殘余拉應(yīng)變下,鋼纖維混凝土中的微裂紋的數(shù)量和尺度均明顯低于比基準(zhǔn)混凝土的。
　　 此外,還可以發(fā)現(xiàn)未凍融的試件經(jīng)疲勞損傷后內(nèi)部裂紋的數(shù)量較少,但是裂紋長度較大。

12、而經(jīng)凍融循環(huán)之后的混凝土內(nèi)部出現(xiàn)了大量的明顯的粘結(jié)裂縫,其中抗凍性能差的集料還可能出現(xiàn)集料開裂的現(xiàn)象,這就造成其在疲勞損傷過程中內(nèi)部裂紋的萌生和擴(kuò)展相對容易,宏觀上表現(xiàn)為相對割線彈模的持續(xù)快速下降。
　　 第六部分:疲勞載荷與環(huán)境因素協(xié)同作用下混凝土壽命預(yù)測研究
　　 混凝土無論在單一碳化環(huán)境,還是在疲勞載荷與碳化復(fù)合因素作用下,其碳化過程均可以采用Fick第一定律描述；環(huán)境因素與疲勞動載對混凝土碳化的影響可以表示為其對

13、混凝土中CO2擴(kuò)散系數(shù)的影響。疲勞動載將導(dǎo)致混凝土裂紋間隙因子(f=Lm/LC,既一維方向上混凝土的寬度與裂紋寬度的比例關(guān)系)的降低,從而導(dǎo)致混凝土中CO2氣體擴(kuò)散系數(shù)隨混凝土的疲勞損傷程度增加而增大。
　　 綜合考慮混凝土承受的疲勞動載、服役環(huán)境中的相對濕度、年平均溫度、混凝土養(yǎng)護(hù)齡期、混凝土中CO2氣體擴(kuò)散系數(shù)、保護(hù)層施工變異性等因素,建立了疲勞載荷與環(huán)境因素復(fù)合作用下的結(jié)構(gòu)混凝土碳化壽命預(yù)測新模型,并形成了一套標(biāo)準(zhǔn)的混凝土

14、壽命預(yù)測試驗和計算方法?；炷练蹓勖S其養(yǎng)護(hù)齡期、保護(hù)層厚度的增加而增大,隨CO2氣體擴(kuò)散系數(shù)、年平均溫度、結(jié)構(gòu)混凝土裂紋尺度和缺陷、疲勞動載荷損傷程度的增加而降低。
　　 基于蘇通大橋索塔錨固區(qū)混凝土所處服役環(huán)境和施工情況的調(diào)查分析,結(jié)合混凝土的快速碳化試驗和疲勞試驗結(jié)果,依據(jù)建立的疲勞動載與環(huán)境因素復(fù)合作用下混凝土的碳化壽命預(yù)測新模型計算可知:當(dāng)施工過程中保護(hù)層厚度波動為8mm時,其服役壽命分別為SBH=120年,SBSF