混凝土及预应力混凝土冻融机理及耐久性评估研究

摘要

冻融循环破坏是寒冷地区建筑物的主要病害之一，严重影响了建筑物的正常使用性能及长期使用的安全性，带来的经济损失十分巨大。冻融循环对混凝土的微观、细观结构造成损伤，微细观结构的改变决定了混凝土材料宏观性能的退化、失效、破坏，材料宏观性能的退化对混凝土结构耐久性评估具有重要意义。
　　本文从试验、理论和有限元模拟分析三个方亟研究了冻融循环作用对混凝土材料细观损伤、宏观力学性能退化以及构件承载能力衰减的影响，主要成果如下:
　　(1)通过材料性能试验，采用RapidAir、金相显微镜及IPP等微观测试手段，对混凝土细微观冻融损伤进行了定性和定量分析，结合宏观性能测试，认识到混凝土抗压强度在评价冻融损伤的作用。随着细观冻融损伤的发展，混凝土抗压强度呈三段式下降。
　　含气量试验研究表明:当混凝土强度较高时(本试验中混凝土28天强度为66.55MPa)，较大的孔隙间距系数以及较小的含气量并不一定意味着较差的抗冻性。细观研究表明:孔隙群更容易受到冻融循环的影响而出现微裂缝，出现时间较早，利于消散孔隙间的压力，该区域的损伤累积与冻融循环前期混凝土抗压强度的线性下降能较好地对应;相对孤立的孔隙和砂浆与粗骨料界面过渡区(ITZ)对冻融循环较不敏感，当冻融循环累计到一定程度后，这些区域才会出现明显损伤，预示着混凝土材料将出现宏观性能的加速退化甚至失效破坏。宏观研究表明:对混凝土进行耐久性全周期的评价时，尤其是混凝土损伤较严重，相对动弹性模量(RDME)已不再适用时，混凝土抗压强度是一个更加稳定、可信的冻融损伤评价指标。结合细观和宏观研究发现:随着细观冻融损伤的增长，混凝土的宏观抗压强度呈三段式下降。初始阶段，冻融引起的孔间裂缝改变了混凝土内部原有的缺陷分布，混凝土抗压强度下降较快。中间阶段，孔间裂缝稳定扩张，一些较大的孔开始因为冻融而出现孔壁剥落，混凝土抗压强度下降速度减缓。失效阶段，孔间裂缝形成一个更大的孔，与其他大孔之间形成更为宏观的裂缝，混凝土抗压强度下降速度再一次加快，最终导致混凝土冻碎。
　　(2)编制了有限元分析子程序，基于对孔隙的模拟和改进的混凝土损伤塑性模型，模拟了混凝土细观冻融损伤，冻融损伤的混凝土抗压强度的变化与材料试验结果吻合。
　　通过Python语言和Fortran语言的模块化混合编程，改进了混凝土损伤塑性模型，实现了受损混凝土单元的失效删除，开发了一套自动的混凝土细、宏观冻融损伤的模拟程序（源代码参见附件），程序涵盖了几何模型的生成、材料属性的定义、单元网格的划分以及重启动分析计算。该程序具有友好的用户交互界面，良好的通用性，允许用户自定义模型的几何参数以及材性参数，后续的数值模拟均由计算机自动执行，大幅提高了有限元模拟的效率以及可重复性。模拟出的细观冻融损伤与试验现象较一致，即首先在距离较近的孔间形成微裂缝，孔隙膨胀到一定程度后开始出现孔边剥落。随着细观冻融损伤的增长，模拟的抗压强度平均值呈三段式下降，与实测数据吻合较好;同时，模拟的抗压强度包络图能较好地覆盖实测数据散点。
　　(3)基于预应力混凝土构件冻融试验，评估了冻融引起的预应力损失，结合有限元分析给出了考虑冻融的混凝土结构寿命预测的简化方法。
　　完成了耐久性全周期的预应力混凝土构件冻融循环试验。同条件下的预应力混凝土构件与素混凝土材料表现出不同的破坏形态，这是因为预压应力改变了构件混凝土材料内的应力分布，这些应力会改变冻胀应力，导致构件内微裂缝的发生和发展改变。孔道内灌浆在冻融早期的不均匀破坏导致构件端部的预应力损失较大，在冻融后期灌浆完全破坏后对冻融预应力损失影响很小。即使混凝土材料完全冻碎，预压力和箍筋也还能将冻碎的混凝土保持为一个整体。混凝土冻碎时，测得的极限冻融预应力损失约为5％σcon（张拉控制应力），考虑到冻融引起的预应力损失是一个长期预应力损失，随着暴露在冻融环境时间的增长，混凝土材料损伤越严重，冻融预应力损失越大，因此，在评估寒冷地区预应力混凝土结构时尤其要引起重视，建议轴心预应力构件的冻融预应力损失的取值不小于5％σcon。
　　以混凝土材料冻融循环损伤的研究成果为基础，构建了利用有限元模拟冻融预应力损失和冻融损伤后承载能力的方法，模拟结果与试验结果吻合较好。同时，改进了冻融预应力损失、冻融后承载力的简化公式，与试验结果、有限元模型结果对比发现，在混凝土的抗压强度高于初值的50％时，简化计算结果与实测结果及有限元模拟结果吻合较好，具有较高的可靠性;若混凝土抗压强度继续下降，因冻融损伤程度和分布的离散性而出现不可预测的误差。最后，结合对混凝土材料、构件等在冻融下的试验、理论和模拟研究以及基于性能退化的长寿命产品寿命预测技术，给出了基于混凝土抗压强度退化的混凝土结构冻融寿命预测的简化方法。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

摘要

关键词

1．1 研究背景

1．1．1 混凝土结构的耐久性

1．1．2 混凝土结构的冻融破坏

1．2 混凝土冻融研究现状

1．2．1 混凝土冻融损伤机理研究现状

1．2．2 混凝土材料冻融损伤研究现状

1．2．3 混凝土构件冻融损伤研究现状

1．2．4 混凝土结构冻融损伤研究现状

1．3 本文的主要研究工作

第二章 混凝土材料多尺度冻融损伤试验

摘要

关键词

2．1 试验设计

2．1．1 试验材料及配合比

2．1．2 试件尺寸及数量

2．1．3 试件浇筑及养护

2．2 试验过程

2．2．1 混凝土拌合物含气量试验

2．2．2 制备用于RapidAir试验和金相显微镜观察的小试块

2．2．3 硬化混凝土孔隙参数试验——RapidAir试验

2．2．4 混凝土快速冻融试验

2．2．5 金相显微镜观察

2．2．6 测定细观冻融损伤

2．2．7 棱柱体外观检查，质量及长度测试

2．2．8 棱柱体动弹性模量试验

2．2．9 立方体抗压试验

2．3 试验结果

2．3．1 混凝土的含气量

2．3．2 细观冻融损伤现象

2．3．3 细观冻融损伤定量分析

2．3．4 宏观冻融损伤现象

2．3．5 质量、长度、动弹性模量和力学性能

2．4 讨论

2．4．1 混凝土细观结构与冻融损伤

2．4．2 混凝土宏观冻融损伤评价指标

2．4．3 混凝土细观冻融损伤与宏观冻融损伤

2．5 小结

第三章 混凝土材料多尺度冻融损伤模拟

摘要

关键词

3．1 混凝土多相细观模型

3．2 建模和分析工具——Python语言

3．3 二维二相细观模型

3．3．1 生成原理

3．3．2 生成过程

3．4 混凝土冻融损伤的实现

3．4．1 混凝土损伤塑性模型

3．4．2 材料模型参数的确定

3．4．3 对混凝土损伤塑性模型的改进

3．5 混凝土细观冻融损伤模拟

3．5．1 接近实际情况的冻融模拟

3．5．2 简化的冻融模拟

3．6 冻融损伤后混凝土受压模拟

3．7 结果与讨论

3．7．1 细观响应

3．7．2 宏观响应

3．8 小结

第四章 预应力混凝土构件的冻融循环试验

摘要

关键词

4．1 试验设计

4．1．1 试验材料

4．1．2 构件设计

4．1．3 构件浇筑及养护

4．1．4 预应力张拉及孔道灌浆

4．2 试验方法的改进

4．2．1 预应力钢筋应变测试的改进

4．2．2 冻融预应力损失测试的改进

4．2．3 预应力锚具的选择

4．3 冻融预应力损失试验

4．4 试验结果

4．4．1 冻融损伤后的预应力试件

4．4．2 冻融预应力损失

4．5 讨论

4．5．1 外力对混凝土冻融破坏的影响

4．5．2 冻融循环引起的预应力损失

4．6 小结

第五章 冻融环境下混凝土结构寿命预测

摘要

关键词

5．1 轴向预应力混凝土构件冻融有限元模拟

5．1．1 问题描述

5．1．2 创建部件

5．1．3 材料属性

5．1．4 截面属性

5．1．5 装配部件

5．1．6 定义约束

5．1．7 定义荷载

5．1．8 划分网格

5．1．9 结果与讨论

5．2 预应力混凝土梁冻融有限元模拟

5．2．1 问题描述

5．2．2 有限元建模

5．2．3 结果与讨论

5．3 混凝土构件冻融简化计算方法

5．3．1 冻融预应力损失简化计算方法

5．3．2 冻融环境下受弯承载力简化计算方法

5．4 基于混凝土抗压强度退化的混凝土结构冻融寿命预测

5．5 小结

第六章 结论与展望

6．1 研究结论

6．2 研究展望

参考文献

附件

致谢

攻读博士学位期间撰写和发表论文清单