混凝土及預應力混凝土凍融機理及耐久性評估研究.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，嚴重影響了建筑物的正常使用性能及長期使用的安全性，帶來的經濟損失十分巨大。凍融循環(huán)對混凝土的微觀、細觀結構造成損傷，微細觀結構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混凝土結構耐久性評估具有重要意義。
　　本文從試驗、理論和有限元模擬分析三個方亟研究了凍融循環(huán)作用對混凝土材料細觀損傷、宏觀力學性能退化以及構件承載能力衰減的影響，主要成果如下:
　　(1

2、)通過材料性能試驗，采用RapidAir、金相顯微鏡及IPP等微觀測試手段，對混凝土細微觀凍融損傷進行了定性和定量分析，結合宏觀性能測試，認識到混凝土抗壓強度在評價凍融損傷的作用。隨著細觀凍融損傷的發(fā)展，混凝土抗壓強度呈三段式下降。
　　含氣量試驗研究表明:當混凝土強度較高時(本試驗中混凝土28天強度為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)前期混凝土抗壓強度的線性下降能較好地對應;相對孤立的孔隙和砂漿與粗骨料界面過渡區(qū)(ITZ)對凍融循環(huán)較不敏感，當凍融循環(huán)累計到一定程度后，這些區(qū)域才會出現(xiàn)明顯損傷，預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:對混凝土進行耐久性全周期的評價時，尤其是混凝土損傷較嚴重，相對動彈性模量(RDME)已不再適用時，混凝土抗壓強度是一個更加穩(wěn)定、可信的凍

4、融損傷評價指標。結合細觀和宏觀研究發(fā)現(xiàn):隨著細觀凍融損傷的增長，混凝土的宏觀抗壓強度呈三段式下降。初始階段，凍融引起的孔間裂縫改變了混凝土內部原有的缺陷分布，混凝土抗壓強度下降較快。中間階段，孔間裂縫穩(wěn)定擴張，一些較大的孔開始因為凍融而出現(xiàn)孔壁剝落，混凝土抗壓強度下降速度減緩。失效階段，孔間裂縫形成一個更大的孔，與其他大孔之間形成更為宏觀的裂縫，混凝土抗壓強度下降速度再一次加快，最終導致混凝土凍碎。
　　(2)編制了有限元分析子程

5、序，基于對孔隙的模擬和改進的混凝土損傷塑性模型，模擬了混凝土細觀凍融損傷，凍融損傷的混凝土抗壓強度的變化與材料試驗結果吻合。
　　通過Python語言和Fortran語言的模塊化混合編程，改進了混凝土損傷塑性模型，實現(xiàn)了受損混凝土單元的失效刪除，開發(fā)了一套自動的混凝土細、宏觀凍融損傷的模擬程序（源代碼參見附件），程序涵蓋了幾何模型的生成、材料屬性的定義、單元網格的劃分以及重啟動分析計算。該程序具有友好的用戶交互界面，良好的通用性，

6、允許用戶自定義模型的幾何參數(shù)以及材性參數(shù)，后續(xù)的數(shù)值模擬均由計算機自動執(zhí)行，大幅提高了有限元模擬的效率以及可重復性。模擬出的細觀凍融損傷與試驗現(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始出現(xiàn)孔邊剝落。隨著細觀凍融損傷的增長，模擬的抗壓強度平均值呈三段式下降，與實測數(shù)據(jù)吻合較好;同時，模擬的抗壓強度包絡圖能較好地覆蓋實測數(shù)據(jù)散點。
　　(3)基于預應力混凝土構件凍融試驗，評估了凍融引起的預應力損失，結合有限

7、元分析給出了考慮凍融的混凝土結構壽命預測的簡化方法。
　　完成了耐久性全周期的預應力混凝土構件凍融循環(huán)試驗。同條件下的預應力混凝土構件與素混凝土材料表現(xiàn)出不同的破壞形態(tài)，這是因為預壓應力改變了構件混凝土材料內的應力分布，這些應力會改變凍脹應力，導致構件內微裂縫的發(fā)生和發(fā)展改變?？椎纼裙酀{在凍融早期的不均勻破壞導致構件端部的預應力損失較大，在凍融后期灌漿完全破壞后對凍融預應力損失影響很小。即使混凝土材料完全凍碎，預壓力和箍筋也還能將

8、凍碎的混凝土保持為一個整體?；炷羶鏊闀r，測得的極限凍融預應力損失約為5％σcon（張拉控制應力），考慮到凍融引起的預應力損失是一個長期預應力損失，隨著暴露在凍融環(huán)境時間的增長，混凝土材料損傷越嚴重，凍融預應力損失越大，因此，在評估寒冷地區(qū)預應力混凝土結構時尤其要引起重視，建議軸心預應力構件的凍融預應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，構建了利用有限元模擬凍融預應力損失和凍融損傷后承載能

9、力的方法，模擬結果與試驗結果吻合較好。同時，改進了凍融預應力損失、凍融后承載力的簡化公式，與試驗結果、有限元模型結果對比發(fā)現(xiàn)，在混凝土的抗壓強度高于初值的50％時，簡化計算結果與實測結果及有限元模擬結果吻合較好，具有較高的可靠性;若混凝土抗壓強度繼續(xù)下降，因凍融損傷程度和分布的離散性而出現(xiàn)不可預測的誤差。最后，結合對混凝土材料、構件等在凍融下的試驗、理論和模擬研究以及基于性能退化的長壽命產品壽命預測技術，給出了基于混凝土抗壓強度退化的混