盐冻融-荷载耦合作用下高性能混凝土试验及损伤模型研究.pdf
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1、2 0 1 5年 第 4 期 (总 第 3 0 6期) N u mb e r 4 i n 2 0 1 5 ( T o t a l No 3 0 6 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEORETI CAL RES E ARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 5 0 4 0 1 6 盐冻融 一荷载耦合作用下高性能混凝 土试验及 损伤模 型研 究 田俊 。 王文炜 ( 1 东南大学 交通学院, 江苏 南京 2 1 0 0 9 6 ; 2 青岛理工大学 土木工程学院,山东 青岛 2 6 6 0 3 3
2、) 摘要 : 通过对掺加粉煤灰 、 硅粉及矿渣 的高性能混凝土在盐冻融 一 荷载耦合作用下的试验研究 , 提出了考虑多因素作用下混 凝土疲劳损伤度模型。 试验结果表明: 荷载显著的影响盐冻融循环次数和破坏形态; 不 同应力状态下混凝土试件的质量变化率 无明显差别。 质量损失率是反映盐冻融 一荷载耦合循环次数的主要参数 , 而相对动弹性模量是反映荷载影响的主要参数。 提出 的盐冻融 一 荷载耦合作用下的混凝土损伤度模型, 可以反映出混凝土所受应力、 相对动弹性模量、 混凝土抗拉强度及循环次数对 损伤度的影响。 当耦合影响因子口接近零时, 混凝土趋近疲劳寿命; 所预测的损伤特性与实际损伤情况符合较
3、好。 关键词 : 高性能混凝土; 盐冻融 一 荷载耦合 ; 质量损失率 ; 相对动弹性模量 ; 损伤模型 中图分 类号 : T U5 2 8 O 1 文 献标 志码 :A 文章编 号 :1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5) o 4 0 0 6 0 0 5 E x p e r i me n t a l s t u d y a n d p r e dic t e d mo d e l o f h i g hp e r f o r ma n c e c o n c r e t e u n d e r c o mb i n e d a cti o ns o f sa l t f r e
4、 ez i ngt ha wi ng a nd l oad T I AN J u n 一, WANG We nwe i ( 1 S c h o o l o f T r a n s p o r t a t i o n , S o u t h e a s t U n i v e r s i t y , N a n j i n g 2 1 0 0 9 6 , C h i n a ; 2 Co l l e g e o f Ci v i l E n g i n e e ri n g , Qi n g d a o T e c h n o l o g i c a l Un i v e r s i t y,
5、Qi n g d a o 2 6 6 0 3 3, C h i n a ) Abst r a c t : Ex pe r i me n t a l wo r k s o f h i g h pe rfo r ma n c e c o n c r e t e mi x e d wi t h fly a s h, s i l i c a f u me a n d s l a g, un d e r c o mbi n e d a c t i o n s of s a l t f r e e z i n gt h a wi n g a n d e x t e r na l l o a d we r
6、e c o n du c t e d Th e d a ma g e m0 ( 1e l wa s p r o p o s e d t o p r e d i c t the f a ti g u e d eg r e e o f hi g h p e r f or ma n c e c o n c r e t e t a k i n g a c c o u n t o n the e f f e c t s o f mu l t i p l ec tor s Th e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e e x t e r na l l o
7、 a d h a s the s i g ni f i c a n t i n flu e n c e o n the r e p e a t e d c y c l e s o f s a l t f r e e z et ha w a n d f a i l u r e mo d e Th e r e a r e n o o b vi o u s d i f f e r e nc e s i n th e m a s s l o s s r a t e o f s p e c i me n s wi t h d i f f e r e n t i n i t i a l s t r e s
8、 s Th e ma s s l o s s r a t e i s a n i mp o r t a n t p a r a me t e r a f f e c t e d the n u mb e r s o f s a l tf r e e z e tha w l o a d c y c l e s ; wh i l e the r e l a t i v e d y na mi c e l a s t i c mo d u l u s c a n b e a c t e d a s a n o the r pa r a me t e r t o r e fle c t the i m
9、p a c t o f e x t e rna l l o a d o n the d u r a b i l i t y The p r o p o s e d mo d e l f o r t he h i g h p e r f o rm a n c e c o n c r e t e i n d i c a t e s tha t the c o n c r e t e a p p r o a c h e s to f a t i g u e l i f e wh e n the c o u p l i n g i mp a c t f a c t o r 卢i s c l o s e
10、 t O z e r o The p r e d i c t e d r e s u l t s a r c i n g o o d a g r e e me n t wi t h t h e e x pe rim e n t a l o ne s Key wor ds: h i g h p e rfo r ma n c e c o n c r e t e; c o u p l i ng o f s a l tf r e e z e tha w a n d e x t e rnal l o a d; ma s s l o s s r a t e; r e l a t i v e d y n a
11、 mi c e l a s t i c mo d u l U S : d a ma g e mo d e l 0 引 言 在我 国北方地区 , 桥梁结构在长期的使用过程 中通常 要经受冻融循环、 盐腐蚀和荷载的综合作用。 荷 载使 钢筋 混凝土结构产生裂缝 , 冻融循 环将加速裂缝 的扩展 , 盐 溶 液侵入混凝土内部将使钢筋发生锈蚀。 在这些因素的共同 影响下, 钢筋混凝土结构将加速劣化。 对 于受 到盐 一冻融 剥蚀破坏较严 重的结 构构件 , 可将损伤混凝土凿 除, 采 用 高性能混凝土进行修补防护。 早期 国内外学者 , Ma s o n 、 A s h r a f 、 杨全兵 、 张
12、爱莲 和陈 少峰等人对混凝 土在 水溶液及盐溶液下 的冻融性能进行 了相关研究 。 。 随着研究的深入 , 一些学者 已经逐渐意 收 稿 日期 : 2 0 1 4 0 8 0 9 基 金项 目: 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 0 7 8 0 7 9 ) 6 0 识到外部荷载引起 的内部应力对混凝 土抗 冻融性能 的影 响 , 将研究重点转变到盐冻融 一 荷载耦合作用下的混凝土 耐久性 。 这期间 , 姚燕 、 王阵地 、 黄鹏飞 、 孙伟 、 V e s a 等先后 开展 了钢筋锈蚀 、 混凝 土抗盐 冻及 耐久性 寿命预测 的研 究 。 他们 的研究结果表明, 在盐冻融 一荷载耦合
13、作用 下 , 外部荷载引起 的内部应力将加剧 混凝 土损伤速率 , 同 时也加剧了梁内的钢筋锈蚀, 对混凝土结构的耐久性产生 较大的影响。 基于上述研究现状和工程背景 , 笔者对用于钢筋混凝 土构件修补的高性能混凝土进行了配合 比设计 , 并对其 开 展了盐冻融 一 荷载耦合作用下的试验研究 , 给出了预测高 性能混凝土损伤度的方法。 氯盐 、 冻融循环 、 荷载三种因素之 间的耦合影 响 : 氯盐 将加剧饱和度 , 饱 和度加剧冻融循环 的膨胀应 力损伤 , 荷 载又加剧混凝土内部损伤 , 荷载和膨胀应力损伤又进一步 的加剧氯盐侵入。 2 2 质量变化率和相对动弹性模量 盐冻融 一 荷载耦合
14、作用下试 件的质量变化率 和相对 动弹性模量如图 3 ( a ) 、 ( b ) 所示 , 图中的质 量变化率和相 对弹性模量为三个试件实测值 的平均值 。 从 图 3 ( a ) 可知 , 不同应力状态下混凝土试件的质量变化规律无 明显差异 , 且趋势基本相同 : 即荷载等级对质量变化率影 响不敏感 , 而循环次数对的质量变化率影 响较敏感 。 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 冻融次数 ( b ) 相对 动弹模 图 3 盐冻融 一 荷载融耦合作用下高性能混凝土质量变化率和 相对动弹性模量 无初始荷载的试 件直至 3 0 0次盐 一冻融循环相对动 弹性模
15、量无 明显下降 。 1 0 荷 载 比作用 下 的试 件 , 1 2 5次 盐 一冻融循环前 相对动 弹性模量基 本没有 变化 , 此后 迅 速下降 , 最终于 2 2 5次盐 一冻融循 环后 下降到 6 0 以下 。 荷载比为 3 0 、 5 0 的试件处于较高的应力水平, 破坏的 循环次数较少 , 相对 动弹性模 量在 破坏前 均有 明显下 降 趋势。 综上所述 , 荷载是影响盐冻融 一荷载耦合作用下的主 要因素 ; 混凝 土所承受 的拉应力值对循环次数和破坏形态 影响均较大 ; 相对动弹性模量可 以作 为反 映盐冻融 一荷载 耦合作用下的高性能混凝土内部损伤 的主要参数。 3 盐冻融 一
16、荷载耦合损伤模 型 从混凝土内部损伤的角度来看 , 盐冻融 一 荷载耦合作 用下 , 混凝土破坏的本质也是 内部损伤不断积 累发展的过 程 , 故本研究 选取 A a s J a k o b s e n早期提出 的混凝土疲劳 寿命预测模型应用于盐冻融 一荷载耦合作用下混凝土寿 命的预测 : 62 = = = 1 一 ( 1 一 R ) l g ( N) ( 1 ) 式 中: 混凝土应力水平 , 可按照式 ( 2 ) 计算 ; 混凝土抗拉强度 ; o r 盐冻融 一荷载耦合作用下混凝 土最大 应力和最小应力 ; 混凝土应力 比, R= II li o - ; J 疲劳寿命。 在盐冻融 一荷载耦合
17、循环作用 中, 融化时混凝 土所受 应力最小 , 即 o r 商 = , 而冻结时应力最大 , 即 = , + ; 其中 o r 为荷载产生 的最 大拉应力 , o r 为溶液 冻结晶 体产生的膨胀应力 。 将最大应力 一代入式 ( 1 ) 可得混凝 土在盐冻融 一 荷载耦合作用下的疲劳寿命方程 : 半 _ l _ 卢 ( 1 一 lg (N ) ( 2 ) 定义混凝土损伤度 D( n ) 为: D( n ) = ( n ) 一 S o S ( n ) ( 3 ) 式中: 荷载作用下 混凝土 的应力水 平 , 即初始应 力 水平 ; S ( n ) 盐冻融 一 荷 载耦合 循环 N n次 后混
18、凝 土的应力水平 , 可按式 ( 4 ) 计算 。 对适用于式( 1 ) 疲劳寿命方程的混凝土试件 , 在初始 应力水平 作用下 , 冻融循环寿命 为, 当循环 n次后 , 剩 余寿命 为 Nn , 此 时混凝 土试 件所 承受 的实 际应力 比 S ( n ) 与疲劳寿命方程中( 一 , 1 ) 相对应的应力比相同, 即: ( )=1一 卢( 1一R) 1 g ( 一n ) ( 4) 将式( 4 ) 代人式( 3 ) 整理可得盐 冻融 一 荷载耦合作用 下的混凝土损伤度为 : D( , 1 ) : 1 一 1_ 一( 0 n N一 1 ) 郴( ) lg ( 一 n ) ( 5) 混凝土的损
19、伤度还可 以表示为u : D( n ):( 0 r 0一 ) t r o ( 6 ) 式中: o r 疲劳循 环前混凝土的抗拉强度 ; n次疲劳循环后混凝土 的抗拉强度 。 假定盐冻融 一 荷 载耦 合循 环过程 中混凝土抗 拉强度 的衰减与相对动弹性模量 的降低呈线性关系 : D( n )=( E 。一E ) E o ( 7) 式中: 冻融循环前混凝土的相对动弹性模量 ; E n次冻融循环后混凝土的相对动弹性模量 。 由式( 5 ) 和式( 7 ) 可得 : ) = 警 一1 (8 ) 由式( 8 ) 可得参数 JB 为 : 卢: ( 9 ) lg ( 1 一 号 )E 加 如 加 O B
20、d 剐 戳 由式 ( 9 ) 可知影 响参数 的变量有 : 混凝土所 受的应 力 、 相对动弹性模量 、 混凝土材料抗拉强度及循环次数 。 为 反映上述 因素的影 响, 本研究将该参数命名为多 因素耦合 影响因子 。 表 3给 出了由式 ( 9 ) 计算得到在各荷 载等级下 的参数 值 。 表 3中的 为混凝土实测抗拉强度 ; 根据王阵 地等人试验研究成果 , 溶液冻结晶体膨胀应力 o r 其数值 D( r t )=1一 与方 向, 分别取 2 0 MP a , 方 向与荷载产生 的拉应力方 向一 致。 将表 3中的 值与循环次数 n 进行回归可得 ( 图4 ) : f a一a 、 卢=a 2
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