应力-化学介质-冻融循环协同作用下水泥基材料失效机理及寿命预测的研究

针对水泥基材料在应力-化学介质-冻融循环协同作用下的耐久性进行了研究,并开发了多种材料失效试验方法和装置。砂浆试件应力-化学腐蚀协同作用试验装置的特点是加载稳定,克服了应力松弛;协同作用耐久性试验装置可以用于监测协同作用下钢筋混凝土试件性能的衰减过程。研究发现:矿物掺合料改善抗渗性的能力依次是矿渣粉、活化煤矸石粉、粉煤灰;随应力比加大和冻融循环次数增加,水泥基材料中钢筋锈蚀加速、化学介质的渗透速度和深度增大,协同作用加速了水泥基材料的失效;可以用一元二次函数来近似预测氯盐-冻融循环-弯曲荷载协同耦合作用下的寿命。     

弯曲疲劳载荷作用下HPC和HPFRCC抗氯离子扩散性能研究

在疲劳和环境因素耦合作用下,混凝土材料与结构易于加速损伤劣化,从而影响到混凝土结构的服役寿命.针对混凝土损伤发展的第Ⅱ阶段,采用残余拉应变来表征损伤变量,研究了疲劳载荷与氯离子协同作用下对高性能混凝土(HPC)和高性能纤维混凝土(HPFRCC)耐久性的影响.研究结果表明:随着残余拉应变的增加,氯离子在HPC和HPFRCC扩散系数均增大,而且当残余拉应变超过60×10-6时,这种增加幅度开始更加明显;在疲劳载荷与氯盐耦合作用下,HPC和HPFRCC的服役寿命均低于单一环境因素作用下的混凝土服役寿命.因此,疲劳载荷会加速因环境因素作用引起混凝土损伤劣化进程.文章还从混凝土内部微结构的演变来解释这种损伤耦合效应.     

荷载作用下开裂混凝土中多离子传输的数值研究

临海地区的混凝土结构因氯离子侵蚀会导致严重的耐久性问题,尤其是在同时承受荷载作用的情况下。服役中的混凝土往往存在初始缺陷,荷载的持续作用会使得混凝土内部的孔隙结构进一步粗化并引起开裂,进而加剧氯盐侵蚀。同时,混凝土孔隙液中存在的多种离子也会影响到氯离子的传输。为了深入研究荷载-氯盐影响下的混凝土结构耐久性劣化,本工作针对前述机理开展多相数值研究,通过全面考虑荷载引起的混凝土开裂和孔隙损伤,以及异种离子间的电化学耦合效应的共同影响,提出了经过第三方试验验证的荷载-多离子传输耦合模型。研究发现,荷载大小和荷载施加方式的改变不仅会影响孔隙结构和裂缝形态,也会使静电势的分布产生差异,进而共同影响离子浓度的变化。荷载作用下的多离子电化学耦合效应会显著影响离子的传输规律,仅考虑单一离子会导致氯离子摄入量的预测偏低。荷载的作用同时还会放大环境条件(如盐溶液浓度)对氯传输的影响。     

受荷混凝土中钢筋锈蚀速率计算方法

为研究荷载对钢筋锈蚀速率及结构耐久性的影响,在潮汐区与盐雾区开展不同荷载条件下氯离子扩散试验,荷载大小分别为无荷载、0.3倍和0.5倍混凝土抗折强度.在混凝土中掺入氯盐,开展不同浓度氯盐条件下的钢筋锈蚀试验.通过氯离子扩散试验得到荷载对氯离子扩散影响系数与荷载大小的关系,修正菲克第二定律中的氯离子扩散系数.钢筋锈蚀试验中测试不同时间下混凝土构件中钢筋的锈蚀电流密度,拟合出钢筋锈蚀电流密度与氯盐浓度和锈蚀时间之间的关系.结合混凝土中考虑荷载影响的氯离子扩散模型与钢筋锈蚀模型,给出荷载作用下混凝土中钢筋锈蚀速率的计算方法.该方法对于海洋环境中荷载作用下钢筋混凝土结构耐久性寿命计算具有重要意义.     

冻融循环和荷载耦合作用下CFRP(碳纤维增强聚合物)片材的耐久性试验研究

碳纤维增强聚合物(CFRP)在混凝土结构加固领域正在迅速发展,但关于这类材料的耐久性研究仍不充分,尤其对遭受恶劣环境与荷载耦合作用下的耐久性研究。该文研究冻融循环与荷载双因素作用对CFRP片材长期性能的影响,冻融循环次数分别考虑50次、100次、200次、300次,荷载等级考虑极限荷载的30%和60%。分析了双因素作用后CFRP片材的极限抗拉强度、弹性模量和延伸率的影响。结果表明:荷载与冻融循环双因素作用对CFRP片材的抗拉强度和延伸率影响较大,对弹性模量影响较小。最后给出了冻融循环与荷载共同作用下的CFRP片材剩余强度损伤模型。     

纳米氧化铝提升海洋环境高速铁路桥梁混凝土结构服役寿命研究

氯离子传输并诱导内部钢筋锈蚀是海洋环境高速铁路桥梁混凝土结构耐久性失效的主要原因之一,增大混凝土氯离子传输阻力是提升混凝土结构服役寿命的根本途径。纳米技术与纳米材料的发展为混凝土材料高性能化提供了新的可能。本工作研究了纳米氧化铝(NA)对砂浆氯离子电迁移系数(D_RCM)与自然扩散系数的影响,基于氯离子等温吸附曲线,建立了考虑氯离子结合参数的氯盐传输模型,分析了NA对氯盐侵蚀环境下混凝土结构服役寿命的影响。结果表明：适宜掺量的NA可降低砂浆氯离子传输性能;承台桩基础混凝土钢筋保护层厚度为60 mm时,在C45混凝土中掺入2%(质量分数)NA后,仅考虑氯离子侵蚀时混凝土预期服役寿命由68年提升至107年。NA为提升海洋环境下高速铁路混凝土结构服役寿命提供了新的技术途径。     

氯盐环境下纤维编织网增强混凝土拉伸性能

通过拉伸试验研究了氯盐干湿、氯盐冻融循环和常规环境下纤维编织网层数、种类以及氯盐浓度和循环次数等因素对纤维编织网增强混凝土（纤维/混凝土）拉伸性能的影响。结果表明：三种环境下,增加纤维编织网层数均可提高纤维/混凝土的拉伸性能,且碳纤维编织网较玄武岩纤维编织网的增强作用更明显;氯盐浓度、干湿或冻融循环次数对纤维/混凝土拉伸极限荷载影响不明显;常规环境和氯盐干湿循环下,掺入短切聚乙烯醇（PVA）纤维和耐碱玻璃（AR-glass）纤维均可以提高纤维/混凝土的拉伸极限荷载;氯盐冻融循环下,掺入短切PVA纤维的纤维/混凝土的拉伸极限荷载未有提高,而掺入短切AR-glass纤维的纤维/混凝土的拉伸极限荷载增大。     

跨海大桥混凝土服役挑战及检测方法综述

跨海大桥除了承受车辆荷载、风荷载以及潜在的船舶撞击等，还面临潮汐、海浪、海上盐雾、氯盐、硫酸盐等复杂环境的侵蚀风险，服役环境恶劣。作为跨海大桥的主要建造材料——钢筋混凝土，其耐久性直接影响大桥的服役寿命。本文对跨海大桥混凝土服役挑战及检测方法进行了综述，阐述了近40年来跨海大桥的发展、混凝土的服役现状、跨海大桥混凝土常见损伤类型及成因分析；分析了在海洋环境下影响混凝土耐久性的因素并归纳了跨海大桥桥墩基础受力损伤的类型。根据跨海大桥不同部位混凝土的劣化原因和检测难点，对现阶段跨海大桥混凝土的检测技术进行总结；分析以水下成像、多波束测探、三维成像声呐、声波、雷达、无人机、基于动力响应和动态实时检测技术等为代表的检测手段在跨海大桥混凝土检测方面的技术路线和优缺点，并总结了未来跨海大桥在检测和运维过程中的发展方向。     

荷载与环境共同作用下混凝土耐久性研究进展

混凝土结构都是在荷载与环境的共同作用下工作的,而荷载作用可能引起混凝土物理性能的改变,进而影响混凝土结构的耐久性能,忽略荷载的作用得到的混凝土耐久性研究结果存在一定的片面性。综合评述了目前荷载与其他因素共同作用下混凝土耐久性研究的进展情况,着重介绍了在荷载和环境共同作用下,混凝土的抗渗性能、混凝土抗中性化、抗离子侵蚀,以及抗冻融循环作用方面已有的研究成果,对相关的成果进行了讨论,并对混凝土耐久性研究提出了展望。     

高性能混凝土研究进展Ⅱ:耐久性能及寿命预测模型

综述了高性能混凝土耐久性能方面的研究进展,包括高性能混凝土的抗氯离子渗透性能、抗冻融性能、抗碳化性能、抗盐侵蚀性能以及多种因素耦合作用下的耐久性能等,介绍了与高性能混凝土耐久性相关的损伤模型和寿命预测模型,并分析了高性能混凝土耐久性能研究现存的一些问题。分析发现:高性能混凝土的耐久性能受材料种类、掺量、实验条件等因素的影响,适量的矿物掺合料和外加剂能够减少混凝土内部有害孔的数量,增加结构的密实度,提高混凝土的耐久性能。多种因素耦合作用下的混凝土耐久性及损伤模型、寿命预测模型等更接近结构所处环境的实际情况,这将会成为高性能混凝土耐久性方面研究的一个热点。     

氯盐侵蚀-冻融循环耦合作用下改性糯米灰浆耐久性能增强方法

为改善传统糯米灰浆应用在砖石古建筑修复与加固中的酥碱冻害,掺加质量分数为12.5％、25％和50％的偏高岭土与1％的麻纤维,获得了一种改性糯米灰浆复合材料.以力学强度、质量损失及相对动弹性模量为依据,详细研究了改性灰浆的应用性能.利用红外光衍射、X-ray粉末衍射和扫描电镜等微观分析方法,系统探究了改性灰浆在标准养护、冻融老化及氯盐侵蚀-冻融循环耦合作用下的性能演变机理.结果表明,混掺纤维和偏高岭土能显著改善灰浆的强度、抗冻性与耐盐性.偏高岭土生成的水化凝胶C-S-H与C-A-H可固化氯离子生成弗里德尔盐以抵抗孔隙破坏,增强了灰浆在氯盐环境下的抗冻性.氯盐侵蚀-冻融循环耦合作用下耐久性指标随麻纤维的掺加而小幅增大,随偏高岭土掺加而先提升后降低.其中以在糯米灰浆中混掺1％麻纤维与25％偏高岭土的增强方法最优.     

氯盐环境下混凝土耐久性研究进展

氯盐环境下混凝土结构的耐久性是沿海地区混凝土结构的一项关键指标,直接影响其正常使用寿命。从环境、材料、构件及结构4个层次系统论述了氯盐环境下混凝土耐久性的研究成果。分析认为当前的研究成果仍无法直接应用到实际工程中,还需继续研究。氯离子侵蚀环境和试件本身的受力状态应作为今后研究重点考虑的因素。     

考虑温度时变效应氯离子侵蚀混凝土的格子Boltzmann数值模型

对于长期暴露在氯盐环境下的混凝土结构,在外界温度影响下氯离子的侵蚀作用非常复杂,会影响钢筋锈蚀进程及其耐久性.为此,基于格子Boltzmann方法,采用双分布函数分别描述混凝土温度场和氯离子浓度场的演化过程,考虑外界温度的时变效应,建立氯离子侵蚀混凝土的数值模型.在此基础上,讨论水灰比、饱和度和昼夜温差等因素对氯离子侵蚀机制以及混凝土服役寿命的影响.研究表明:随着水灰比的增大,氯离子扩散系数逐渐增大,从而加剧了氯离子的侵蚀作用.混凝土饱和度越大,氯离子的扩散速率越快,从而导致混凝土的服役寿命缩短,当饱和度超过75%时,混凝土的服役寿命变化趋势逐渐趋于稳定.此外,昼夜温差越大,其对扩散系数的影响越显著,但总体而言,昼夜温差的变化对混凝土服役寿命的影响并不突出.     

基于可靠度的海洋浪溅区大掺量矿渣混凝土结构服役寿命预测

海洋浪溅区的混凝土结构,由于长期受到氯盐的侵蚀和海浪冲刷作用,导致混凝土结构发生钢筋锈蚀、保护层胀裂剥落等耐久性破坏,无法满足长期服役要求。本工作选取3种不同矿渣掺量的高性能矿渣混凝土进行实验室自然扩散和海洋浪溅区现场暴露试验,基于可靠度理论和修正氯离子扩散理论的ChaDuraLife V1. 0寿命分析软件,对海洋浪溅区的高性能矿渣混凝土结构进行寿命分析与研究。结果表明:随着服役时间的延长,海洋环境下高性能矿渣混凝土结构的失效概率逐渐增大,可靠度指标逐渐降低。随着矿渣掺量和保护层厚度的增大,高性能矿渣混凝土结构的服役寿命呈增长趋势。海洋浪溅区环境下,矿渣含量为35%、粉煤灰含量为15%、强度等级为C50的高性能矿渣混凝土在保护层厚度取7 cm、8 cm和9 cm的情况下,其服役寿命分别可以满足50 a、100 a和120 a的使用寿命要求。同时,建议将GBT50476-2008《混凝土结构耐久性设计规范》中规定的浪溅区混凝土最小保护层厚度和28 d氯离子侵入指标DRCM最大值进行修正,以满足其规定的设计使用年限要求。     

利用抛填骨料工艺提升混凝土护栏抗盐冻性能效果分析

本研究通过表观形貌、抗压强度及质量损失等方法，探究在冻融循环-氯盐侵蚀作用下抛填骨料混凝土抛填率对混凝土抗盐冻性能的影响规律。结果表明：抛填骨料工艺可有效提高混凝土的抗冻耐久性，但当抛填率超过一定程度后，对抗盐冻性能的提升作用减弱，抗压强度与抛填率存在二次函数关系。通过数值拟合的方式得到兼顾混凝土强度与抗盐冻性能的最佳抛填率为12%～14%。     

考虑氯离子侵蚀维度的钢筋混凝土码头服役寿命预测

合理评估和预测海洋环境下考虑氯盐侵蚀的钢筋混凝土(RC)码头结构服役寿命,对港口正常、安全运营意义重大.根据混凝土多相复合材料的细观组成结构,建立考虑粗骨料为凸多边形的混凝土细观数值模型.基于氯离子侵蚀混凝土的有限元数值模拟仿真方法,评估得到混凝土细观模型中氯离子一维、二维侵蚀的浓度分布,并建立氯离子一维、二维侵蚀模型.以沿海某RC高桩码头工程中方桩构件为例,根据建立的氯离子侵蚀模型并结合钢筋锈蚀速率模型,预测RC方桩构件的服役寿命.结果表明:在氯离子二维侵蚀下RC方桩的服役寿命预测值较一维侵蚀提前了约34％,RC结构的服役寿命大幅缩短.建议在RC码头耐久性设计过程中充分考虑氯离子侵蚀维度对结构物服役寿命的影响,以保障RC码头结构的运营安全.     

基于相似性的海洋潮汐区环境混凝土抗氯盐侵蚀性能研究进展

随着我国"海洋强国"战略的实施,海洋工程结构基础设施建设规模空前,滨海环境下混凝土材料耐久性问题也逐渐引起人们的重视.氯离子侵蚀是导致海洋环境下钢筋混凝土结构耐久性能劣化的主要因素,因此,针对滨海环境下钢筋混凝土中氯离子侵蚀规律的试验研究引起了广泛关注.实海暴露试验存在受区域影响较大、推广性差、试验周期长和影响因素复杂等缺点,不能为寿命预测模型建立提供充足的数据基础,而室内模拟加速试验可有效弥补实海暴露试验的不足.以实海暴露试验为依据,通过研究二者之间的相似性,构建实际海洋工程结构的寿命预测模型,进而将室内模拟试验结果应用到现场实际情况中,可准确地实现海洋环境下基础设施建筑结构服役寿命的预测.目前,学者们已对海洋潮汐区环境混凝土抗氯盐侵蚀性能的实海暴露试验与室内模拟加速试验开展了大量的研究,并取得了丰富的成果.一方面,建立了相应的相似性模型,进而从理论方面分析实海暴露环境和人工模拟环境下混凝土中氯离子的侵蚀规律,为寿命预测模型的建立奠定理论基础;另一方面,试验设备得到不断的研发升级,为获取更加准确可靠的试验数据提供了一定技术支持.针对海洋潮汐区环境条件,对流区深度、表面氯离子浓度、扩散系数和氯离子浓度峰值等参数是建立寿命预测模型的关键要素,本文主要考虑这几方面的影响,分析总结了实海暴露环境下氯离子侵蚀规律,从实海暴露试验与室内模拟试验的角度出发,总结了海洋潮汐区环境混凝土抗氯盐侵蚀性能的研究进展,基于相似性理论分析探讨了氯盐侵蚀规律的相似性,并进行了讨论和展望.     

荷载与氯离子耦合作用下混凝土耐久性试验方法与装置的研究进展

20世纪20年代初,随着设计理论和施工技术的不断成熟,钢筋混凝土开始被大规模应用于基础建设中。钢筋混凝土兼具钢与混凝土的优点——坚固又耐用,但是人们却低估了环境因素对它的影响并为此付出了巨大的代价,氯离子、碳化、冻融、硫酸盐、化学侵蚀等环境因素均可导致钢筋混凝土的耐久性劣化。其中,氯离子引起的钢筋锈蚀问题最为突出,空气或水中的氯离子可穿透混凝土保护层到达钢筋表面,从而引起钢筋锈蚀。针对这一问题,学者们集中研究了氯离子如何穿透混凝土,并取得了相当丰硕的成果。然而,服役中的钢筋混凝土需时刻承受荷载的作用,复杂的应力状态会引起混凝土材料内部细观结构的变化,从而影响甚至改变氯离子的扩散行为。上述研究忽略了荷载因素,难以应用于实际工程。此外,氯离子扩散行为还与应力在材料内累积的损伤有关。因此,近年来,荷载与氯离子侵蚀耦合的耐久性研究越来越受到重视,且已成为重大工程项目中不可缺少的一部分。针对实际工程中钢筋混凝土的荷载形式,研究人员开发了大量耦合试验方法与装置,较为成熟的有单轴拉伸、单轴压缩、静力弯曲分别与氯离子耦合。但研究人员在运用上述方法时所采用的实验制度不同,导致其结果没有可比性。此外,还有部分研究人员探索了更为复杂的耦合因素(劈裂拉伸、偏心压缩、疲劳弯曲、静力剪切分别与氯离子耦合),复杂耦合因素更符合实际工程状态,也是近年来研究的趋势,但关于它的研究仍处在起步阶段。本文归纳了拉伸、压缩、弯曲、剪切荷载作用下混凝土的抗氯离子侵蚀耐久性试验方法,对存在的问题进行了讨论,并提出了改进建议和进一步的研究方向,以期为制定统一、标准化的耦合耐久性试验方法与装置提供参考。     

动荷载-水-冻融共同作用下混凝土宏观裂缝扩展与演变的研究进展

混凝土是土木工程建设的重要材料.由于设计、施工、服役环境及其材料自身等原因,混凝土在投入使用时就存在部分非结构裂缝.工程实践发现,在长期动荷载作用下,混凝土裂缝会在长度、宽度和深度方向出现扩展和演变,而动荷载和环境共同作用将会加快裂缝的扩展,加速混凝土材料的劣化,导致混凝土力学和耐久性能降低,严重影响其结构安全.动荷载的长期作用将导致混凝土裂缝尖端附近的应力场和位移场出现复杂的变化,从而引起应力集中和应变能释放,当裂缝尖端应力强度因子大于材料断裂韧度时,裂缝将发生失稳扩展.动荷载对裂缝中的水产生动水压,动水压作用下水对裂缝内壁产生反复冲刷和溶蚀,导致裂缝内壁的集料和水化产物流失,从而加速了裂缝的扩展.低温冻融过程中,水在裂缝内壁反复结冰溶解,在裂缝内产生了冻胀应力,而动荷载作用使裂缝发生的体积变化增大了冻胀应力,同时冻融对裂缝内壁的集料和水化产物产生了剥蚀作用,加速了混凝土裂缝的扩展.动载-水-冻融共同作用对混凝土宏观裂缝的扩展演化更加复杂,目前尚无系统研究.本文归纳了目前对混凝土宏观裂缝在动载-水-冻融共同作用下扩展演变研究的最新进展,梳理了动荷载作用下水和冻融对裂缝扩展演化的加速机制、裂缝扩展与演化的计算方法和有效预测模型,并提出了该研究方向需要进一步解决的问题,以期为进一步掌握混凝土结构的长期服役性能、完善混凝土结构损伤理论及养护维修技术奠定基础.     

结构混凝土耐久性影响因素的研究进展与探讨

综述了不同因素对结构混凝土耐久性的影响。主要讨论了服役环境对结构混凝土耐久性的影响,包括荷载、氯离子、冻融、硫酸盐及碳化;还分析了如粉煤灰、细晶粒钢筋等材料对氯离子临界值浓度的影响;对今后研究结构混凝土耐久性问题提出了一些建议。