基于Weibull模型的混凝土冻融损伤寿命预测及应用

对北方严寒和寒冷地区水工混凝土结构而言,其抗冻性能是混凝土耐久性最具代表性的指标,也是影响工程实体服役寿命的关键因素。为了能够准确预测既有混凝土构筑物的使用寿命,本文以冻融损伤理论为基础,采用棱柱体试件进行了混凝土快速冻融物理模型试验,建立了基于Weibull模型和混凝土快速冻融试验的混凝土冻融损伤模型。基于该模型提出一种迭代逼近的混凝土寿命预测方法,通过室内试验和实际工程案例进行验证。结果表明：通过所建立损伤模型得到的冻融损伤预测值和试验实测值基本吻合,提出的寿命预测方法得到的预测数据较为可靠。     

海洋环境结构混凝土耐久性试验研究综述

综述了海洋环境结构混凝土暴露试验及室内加速试验的特征及现状,总结了国内外海洋环境结构混凝土耐久性试验方法,指出该领域的发展趋势是对不饱和状态、载荷与环境多因素耦合作用下的混凝土耐久性进行研究,进而探索海洋暴露试验与室内模拟环境加速试验之间的相关性,并建立结构混凝土的损伤劣化与寿命预测模型,从而利用室内模拟环境加速试验的模型预测海洋环境下结构混凝土损伤劣化规律和使用寿命。     

冻融与碳化交替作用下混凝土损伤模型

应用损伤力学和断裂力学理论,求解出冻胀力作用下混凝土裂纹扩展前后的应变能,建立了基于能量守恒原理的裂纹扩展和损伤模型,并从细观裂纹扩展角度探讨了碳化对冻融的影响,提出了冻融与碳化交替作用时混凝土的损伤模型。研究表明,两者交替作用下,渡槽混凝土冻融损伤有所延缓。     

冻融环境下水工混凝土结构碳化时变可靠度分析

碳化作用是水工混凝土结构最为普遍的耐久性劣化因素.在寒冷地区,混凝土冻融损伤进一步加剧了碳化作用,特别在干湿交替部位更为严重.针对冻融环境下混凝土碳化问题,分析了服役龄期内冻融损伤混凝土的碳化时变可靠水平.结合已有混凝土碳化模型、混凝土冻融损伤模型、实验室与自然环境冻融相关关系等建立了冻融环境下混凝土碳化深度模型,进而...     

盐冻耦合作用下早冻混凝土寿命预测试验研究

工程在昼夜温差大、低温环境条件下施工,极易造成处于初凝或养护期混凝土早冻,导致混凝土性能损伤和使用寿命降低问题。为此,根据现场环境改变水胶比和粉煤灰掺量,开展室内模拟试验,探究早冻混凝土耐久性衰减规律并进行使用寿命预测。试验结果表明：随着冻融次数的增加,不同水胶比和粉煤灰掺量对混凝土孔隙分布及耐久性能影响显著;水胶比越大,混凝土内部孔隙越大,抗压及抗冻耐久性能降低;粉煤灰掺量越大,混凝土内部更加密实,抗压及后期抗冻耐久性能提高。根据威布尔模型寿命预测可知,水胶比小、粉煤灰掺量大的混凝土寿命周期长。为改善早冻混凝土的耐久性,建议水胶比选为0.35,粉煤灰掺量选为20%。     

混凝土冻融损伤可靠度分析及剩余寿命预测

本文基于宏观损伤力学理论，分析混凝土冻融损伤的可靠性，把混凝土结构冻融损伤近似看作由不同正负峰值温度差顺序作用产生的，提出了三参数Weibull损伤可靠度分析模型，并在混凝土损伤等效的基础上，推导出冻融循环作用后混凝土剩余寿命计算公式。结合混凝土冻融的定量化分析，得出了在遭受一定的冻融损伤后混凝土结构的剩余工作年限。     

盐冻侵蚀作用下混凝土力学性能变化研究

针对西北寒旱灌区混凝土结构在侵蚀冻融复合作用下的破坏问题,采用快速冻融试验,分别研究了水、3%NaCl、5%Na_2SO_4作用下混凝土试件质量损失、抗压强度及相对动弹性模量的变化规律,采用损伤度来描述混凝土的损伤情况,分析了盐冻作用机理,建立了相对动弹性模量和抗压强度相关联的力学衰减模型,并利用试验数据对其进行验证分析。结果表明:混凝土试件在不同的冻融介质作用下存在不同程度的损伤,在3%NaCl溶液中冻融试件损伤度最高达到清水冻融的5倍以上,75次冻融之前5%Na_2SO_4溶液对混凝土损伤有抑制作用,冻融环境下三种介质对混凝土损伤度大小排序为3%NaCl5%Na_2SO_4水;混凝土相对剩余抗压强度和相对动弹性模量相关性良好,服役中的混凝土结构可以通过测定相对动弹性模量评估抗压强度。相关研究可为寒旱区混凝土结构维护和病害预防提供参考。     

冻融循环下玄武岩纤维混凝土抗冻性能试验研究及灰色预测

中国西北地区广泛存在混凝土结构在盐冻侵蚀下耐久性降低的问题,为探明混凝土的劣化规律,选取不同掺量的玄武岩纤维混凝土和普通混凝土进行抗冻性能试验研究。以室内数据为基准,通过改变冻融介质和循环次数,科学合理的预测在不同掺量和工况下玄武岩纤维混凝土的力学性能。试验结果表明：使用氯化钠、硫酸钠溶液作为冻融介质时会加速混凝土的损伤破坏;玄武岩的掺入可以有效降低混凝土在冻融作用下相关力学性能的衰减速率,当取0.15%～0.20%时达到最优;获得的灰色GM(1,1)预测模型满足精度要求,可对灌区内混凝土建筑物的力学性能进行预测。研究成果可为其他特性混凝土的力学性能预测提供研究方法。     

氯盐环境下钢筋混凝土结构使用寿命评价的研究进展

氯离子引起的钢筋腐蚀是造成海洋环境下混凝土结构性能劣化的主要原因．氯盐环境下混凝土结构的使用寿命预测和寿命周期经济评价已成为目前研究的重点．文中讨论了混凝土结构使用寿命的定义，较为系统地总结和评述了近年来有关氯盐环境下混凝土结构使用寿命评价的研究进展，并提出了需要进一步研究的问题．     

不同冻融方式下混凝土双K断裂韧度对比试验

为了研究不同冻融方式对混凝土双K断裂韧度带来的不同影响,设计了5组共计15个试件,分别经历干燥、水浸泡、水冻融、盐浸泡、盐冻融作用20 d后进行三点弯曲梁试验。测定了试件断裂过程中的荷载、张口位移、裂缝尖端应变等参数的特征值和全过程曲线,基于双K断裂理论分别计算了各组环境下混凝土的有效裂缝长度、起裂荷载、失稳荷载等断裂参数。结果表明:不同冻融方式对混凝土造成的影响具有一定的相似性,水冻融与盐冻融均会对混凝土的弹性模量造成损失,使其断裂力学性能下降,但会提高混凝土韧性。在损伤程度和损伤后混凝土受力表现上不同冻融方式有显著区别。水冻融后混凝土受荷时更易开裂,但水冻融环境对混凝土抵抗裂缝发展能力的影响不明显。盐冻融后混凝土抵抗裂缝发生以及发展的能力同时降低,但混凝土受力时裂缝的发生会相对推迟。     

论混凝土坝的使用寿命及实现混凝土坝超长期服役的可能性

给出了设计大坝预期使用寿命和在役大坝剩余使用寿命的定义及其计算方法,分析了各种因素对混凝土坝使用寿命的影响。坝体内部钻孔取芯试验资料表明,坝工混凝土具有足够的长期强度,根据当前的筑坝水平,混凝土碳化、冻融和冲蚀等表面损伤可以控制在允许范围内,实体混凝土坝断面厚度较大,即使产生了一些表面损伤,完全可以在不影响大坝正常运用条件下进行修复,因此优质实体混凝土坝可以长期服役。这与一般钢筋混凝土构件是完全不同的,我国是坝工大国,实现混凝土坝的超长期服役,对我国国民经济的长久发展无疑将发挥积极作用。钢筋混凝土支墩坝,如平板坝,因存在钢筋锈蚀问题,断面也较薄,其使用寿命是有限的。本文从设计、施工和管理等方面全面提出了实现实体混凝土坝超长期服役的技术措施。     

冻融与碳化交替作用下的混凝土性能试验

为了研究冻融与碳化同时作用下混凝土的耐久性,采用冻融和碳化交替作用的方法对不同水胶比、不同粉煤灰掺量的混凝土进行抗冻性能和抗碳化性能试验。试验结果表明:冻融与碳化交替作用下混凝土碳化深度不再服从时间的二次方根的发展趋势,而是随着交替次数的增加发展得更快;冻融作用所占比例越大,混凝土损伤越快,碳化也越严重。     

掺钢和玄武岩纤维混凝土的冻融循环试验研究

钢纤维和玄武岩纤维能够有效提高混凝土耐久性,利用冻融循环试验,对掺钢和玄武岩纤维的混凝土抗冻性能及其冻融损伤计算模式进行研究。试验结果表明:混凝土抗冻性受到纤维种类和纤维体积掺量影响明显,当掺加体积率1.5%钢纤维和0.05%玄武岩纤维时混凝土抗冻性能最优,可达到F250等级水平。并对混凝土的冻融损伤机理和纤维的增强作用进行深入分析,确定了基于相对动弹性模量的冻融损伤计算模式和基于冻融累积损伤的冻融损伤计算模式。经过试验数据的对比分析,得出基于相对动弹性模量的冻融损伤计算模式精度更高,拟合而成的一元二次函数衰减模式比指数函数衰减模式具有更高的精度,相关系数均达到0.99以上,更适合用来预测纤维混凝土的冻融耐久性。     

论混凝土坝的使用寿命及实现混凝土坝无限期服役的可能性

提要：给出了设计大坝预期使用寿命和在役大坝剩余使用寿命的定义及其计算方法，分析了各种因素对混凝土坝使用寿命的影响。坝体内部钻孔取芯试验资料表明，坝工混凝土具有足够的长期强度，根据当前的筑坝水平，混凝土碳化、冻融、冲蚀等表面损伤可以控制在允许范围内，实体混凝土坝断面厚度较大，即使产生了一些表面损伤，完全可以在不影响大坝正常运用条件下进行修复，因此优质实体混凝土坝可以长期服役，其使用寿命有可能为无限大。这与一般钢筋混凝土构件是完全不同的，我国是坝工大国，实现混凝土坝的无限期服役，对我国国民经济的长久发展无疑将发挥积极作用。钢筋混凝土支墩坝，如平板坝，因存在钢筋锈蚀问题，断面也较薄，其使用寿命是有限的。本文从设计、施工和管理等方面全面提出了实现实体混凝土坝无限期服役的技术措施     

冻融环境下变形钢筋与混凝土间黏结应力计算模型

为研究冻融作用对钢筋混凝土无箍筋试件黏结强度的影响,引入相应的损伤变量对Hsieh-Ting-Chen四参数混凝土破坏准则进行修正,确定冻融损伤下的混凝土破坏准则,建立冻融环境下黏结失效的理论计算模型。通过对钢筋肋间混凝土在挤压力、摩擦力等作用下的受力分析,给出冻融环境下变形钢筋与混凝土之间极限黏结应力的计算方法及锥面斜角、摩擦因数等参数的取值,详细阐述了极限黏结应力的求解思路。利用已有文献试验结果对该理论计算模型进行验证,结果表明冻融次数在一定范围内计算值与试验值吻合较好,模型精度较高。     

软基上闸坝工程的寿命预测

本文利用化学试剂对闸坝表面进行预处理,去除盐脂分子活性基团和可溶盐等干扰因素,提出闸坝工程混凝土损伤演化算法,对预处理后的闸坝表面损伤情况进行检测,获取不同影响因素下闸坝损伤趋势参数,提出对应寿命算法,实现软基上闸坝工程寿命预测。实验数据表明:单段损伤下软基上闸坝的寿命预测误差降低19.5%,多段损伤下软基上闸坝的寿命预测误差降低22.5%,可以有效降低闸坝工程寿命预测误差。     

冻融循环与疲劳荷载作用下混凝土损伤研究

为研究冻融循环与轴向疲劳荷载作用下混凝土力学性能损伤演化规律,对混凝土试件分别进行冻融循环、疲劳加载、先冻融循环后疲劳加载和先疲劳加载后冻融循环4种损伤试验,以试件经历损伤后的抗压强度劣化作为损伤评价指标研究混凝土的损伤特性和机理,同时研究相对动弹性模量和质量的劣化规律。研究结果表明:不同联合作用下,混凝土的相对动弹性模量均呈现降低趋势。冻融循环单一因素作用下,混凝土强度随冻融次数的增加逐渐降低;疲劳荷载单一因素作用下,混凝土强度随疲劳次数增加呈先升后降的趋势,疲劳4万次时,混凝土的损伤度为1.8%;先冻融循环后疲劳加载作用下,即混凝土先受冻融循环作用,再受1万次应力水平(0.1 f_c~0.5 f_c)的疲劳荷载作用时,随疲劳次数的增加,试件的强度均呈现升高趋势;先疲劳加载后冻融循环作用下,随冻融次数的增加,混凝土的力学性能损伤显著,历史疲劳次数为0.5万次和1万次,再经历75次冻融循环作用时,其损伤度分别为19%和24.2%。研究成果可为建立符合实际工程的混凝土结构耐久性设计理论提供较可靠的基础依据。     

冻融作用下粉煤灰引气混凝土动弹性模量的衰减规律研究

针对我国西北寒旱区水工混凝土结构长期遭受冻融循环作用导致耐久性能衰减的问题,以研究冻融作用下混凝土力学性能变化规律为目标,依据实际工程,采用室内加速试验与理论分析方法,以试块相对动弹性模量为评价指标,研究了混凝土水胶比、粉煤灰掺量、引气剂掺量及冻融循环次数对混凝土耐久性衰减的影响规律,采用回归分析法建立了混凝土动弹性模量损失的衰减模型,并基于该模型构建冻融循环作用下混凝土的寿命预测模型。结果表明:以初始动弹性模量的60%(2.424×10~4MPa)为破坏条件,甘肃省景泰川提灌工程二期总干渠5#渡槽的混凝土能经历1 502次快速冻融循环,渡槽材料耐久性安全运行年限为153年。研究成果为冻融环境下混凝土结构的寿命预测提供了参考和依据。     

基于FOTP-GM(1,1)模型的聚丙烯纤维混凝土劣化过程研究

为研究西北干寒地区聚丙烯纤维混凝土建筑物受到干湿-冻融双因素耦合作用下产生的材料耐久性问题,设计室内加速试验,模拟该地区聚丙烯纤维混凝土在干湿和冻融作用下的劣化过程,并以质量损失率和抗压强度损失率为劣化指标进行研究;选用全阶时间幂灰色预测模型对抗压强度损失率变化过程进行建模,确定了对应试验工况下模型的最优结构形式。研究表明：试件的质量损失率经时变化规律为先减小、后增加、再减小直至试验结束,试件的抗压强度损失率经时变化规律为先减小、后增加直至破坏;在试验所取的纤维掺量范围内,0.9 kg/m³的纤维掺量对试件抵抗干湿-冻融破坏能力的改善效果最为明显,试验结束时该掺量下的试件还未达到破坏标准,而其他掺量下的试件均已破坏;当时间幂项阶数h=3时,全阶时间幂灰色预测模型与聚丙烯纤维混凝土劣化过程的原始数据之间的拟合度达到98%,预测值与实际值之间的相对误差低于0.15。室内加速试验和全阶时间幂灰色预测模型的结合,为混凝土结构耐久性设计及寿命预测提供了理论支持。     

盐冻融环境下钢筋混凝土结构锈蚀寿命预测

针对北方海洋环境冻融作用和氯离子侵蚀对钢筋混凝土结构的服役寿命的影响,基于Fick第二定律,建立了混凝土内综合考虑时间、温度、湿度、氯离子结合和冻融损伤效应的氯离子传输模型,并运用该模型对青岛海湾大桥桥墩混凝土进行了结构锈蚀寿命预测。结果表明:混凝土构件中钢筋对氯离子的传输具有明显的阻滞效应,氯离子在靠近保护层一侧的钢筋表面累积,而远离保护层一侧钢筋表面会产生浓度迟滞;角区较非角区钢筋表面氯离子浓度峰值更高,且浓度峰值随侵蚀时间延长而增大;角区钢筋表面氯离子浓度分布形式随侵蚀时间而变,初期钢筋表面氯离子浓度峰值在钢筋距构件正、侧表面最近处,后期转向两侵蚀面对角处;较无盐冻融环境而言,其他条件相同时,经历冻融循环作用后混凝土结构的锈蚀寿命显著降低,且角区与非角区钢筋锈蚀寿命的差异明显增大。