疲劳荷载与环境因素耦合作用下混凝土损伤劣化研究进展

建筑物真实的服役状态是承受的荷载与环境的同时作用.概述了目前关于混凝土在疲劳荷载与环境因素耦合作用下的损伤劣化规律的研究.从材料、结构角度对疲劳荷载和腐蚀介质的耦合作用进行了总结与分析.重点论述了严寒地区桥梁、高速铁路等在疲劳荷载和冻融循环耦合作用下的损伤劣化特征.阐述了目前广泛采用的间接耦合作用方式--交替作用存在的问题,并提出从与材料细观结构密切相关的内应力角度,同时结合疲劳效应解决这一问题的可能办法.     

持续荷载与冻融循环耦合作用下纤维混凝土损伤性能研究

为了研究纤维混凝土在持续荷载与冻融循环耦合作用下的损伤性能,开展了不同压应力水平(0、0.3、0.5)作用下的纤维混凝土冻融循环试验,研究了不同应力水平作用下试件质量损失、相对动弹性模量和抗压强度损失等参数随冻融循环次数的变化规律。结合损伤力学,以超声波波速为损伤变量,分析了冻融损伤与荷载耦合作用的变化关系,并基于Weibull分布建立了冻融损伤预测模型,推导出冻融损伤与抗压强度的演化方程。结果表明,随着冻融循环次数的增加,冻融损伤程度表现出加剧上升的现象,应力水平为0.3的耦合作用能减小纤维混凝土的冻融损伤,应力水平为0.5的耦合作用会进一步加剧纤维混凝土的冻融损伤。建立的损伤预测模型具备较高的可行性,能够较精准预测不同冻融循环次数后的损伤,推导的演化方程相关性较好,能灵活实现损伤与强度之间的转化。     

循环荷载下再生混凝土疲劳试验*

为了研究再生混凝土循环荷载下的疲劳寿命,采用实验室废弃[C30]混凝土试块,加工处理制成连续粒径级配的再生骨料（5～31.5 mm）,用这种再生骨料部分取代天然骨料配制的混凝土试样（100 mm×100 mm×300 mm）进行循环荷载试验。结果表明：随着荷载上限幅值的增大,再生混凝土疲劳寿命逐渐减小。并对再生混凝土疲劳寿命随荷载上限幅值进行线性拟合,且相关系数R的绝对值均大于0.9,表明疲劳寿命与荷载上限线性相关。另外,通过对再生粗骨料取代率与疲劳寿命之间的变化关系研究,得到了当再生粗骨料取代率小于等于50%时,疲劳寿命减小趋势不明显;当再生粗骨料取代率大于50%时,疲劳寿命曲线斜率明显增大,表明疲劳寿命减小趋势迅猛。因此,当采用再生粗骨料进行路基路面施工时,建议再生粗骨料取代率小于等于50%。     

冻融循环与氯盐侵蚀作用下混凝土的损伤模型

越来越多的研究学者使用残余应变表征由冻融引起的混凝土损伤。本文通过快冻法测试了冻融单因素以及冻融与3.5wt%NaCl溶液侵蚀双因素耦合(盐冻)作用下混凝土的残余应变,并结合残余应变的增长是连续的且符合阻滞模型这一特点,建立了同时符合冻融和盐冻作用的混凝土损伤模型。结果显示,混凝土的残余应变变化规律符合冻融损伤机理,它可以用来表征混凝土的冻融损伤程度;冻融损伤模型对各混凝土损伤程度变量曲线的拟合相关系数均在0.95以上,说明该模型能够较好地反映冻融或盐冻过程中混凝土的损伤程度;该模型结合更加全面系统的试验研究工作可以预测特定环境下服役混凝土的寿命,为有抗冻要求的服役混凝土耐久性设计研究提供了新思路。     

冻融循环作用后橡胶混凝土与钢筋锚固性能试验研究

在混凝土中掺入橡胶粉制成橡胶混凝土,既可对废旧轮胎进行高附加值利用,又可提高混凝土的抗裂、耐磨、抗滑、减振、降噪等多方面路用性能.为研究冻融循环作用后橡胶混凝土与钢筋的锚固性能,采用钢筋开槽内贴应变片的方法,快速冻融后做中心拉拔试验,研究了冻融循环次数以及橡胶掺量对橡胶混凝土与钢筋锚固性能的影响.试验结果表明:掺入5％、10％的橡胶粉,有利于冻融循环作用后钢筋与混凝土间的锚固性能;未经冻融循环的橡胶混凝土试件与橡胶粉掺量为0％的试件相比,橡胶掺量为15％的混凝土试件极限粘结强度下降56％,而橡胶掺量为5％、10％的试件极限粘结强度几乎没有下降;冻融循环至125次,橡胶掺量为5％、10％、15％的混凝土试件粘结强度分别下降60％、58％、50％,与未掺橡胶混凝土粘结强度相比下降幅度减小了约8％.     

硫酸盐侵蚀与冻融循环共同作用下混凝土损伤研究

对水胶比为0.45的引气混凝土分别在质量分数为1％ Na,SO4、5％ Na2 SO4、5％ MgSO4溶液及水中进行快速冻融试验,采用超声平测法测量混凝土损伤层厚度,分析了不同溶液中混凝土的损伤层、未损伤层超声波速及损伤层厚度随冻融循环次数的变化规律.结果表明:混凝土损伤层厚度能够反映硫酸盐-冻融共同作用下混凝土损伤程度;不同溶液与冻融共同作用下混凝土损伤程度有所不同,原因在于硫酸盐溶液对混凝土冻融破坏既存在抑制作用,又存在促进作用;随着硫酸钠溶液浓度的升高,硫酸钠溶液对混凝土的冻融破坏由促进作用逐渐转变为抑制作用,由于硫酸镁具有镁盐和硫酸盐的双重腐蚀,对混凝土的冻融破坏促进作用最大.     

冻融循环条件下路面粉煤灰混凝土损伤检测研究

针对现有损伤检测方法存在的检测精度低的问题，在充分考虑冻融循环作用的前提下，实现对路面粉煤灰混凝土损伤检测方法的优化设计。根据冻融循环原理，模拟粉煤灰掺量混凝土的损伤过程；在混凝土可能发生损伤的位置上，利用超声脉冲波测定混凝土的声学数据；从弹性模量、剪切模量和断裂能三个方面，计算混凝土的力学强度衰减损伤量，根据超声声学数据度量混凝土的表征结果损伤量；通过定位损伤故障位置，得出路面粉煤灰混凝土的损伤检测结果。结果表明：损伤检测方法在力学损伤和表征结构损伤两个方面的检测误差均低于预设值，检测精度满足设计与应用要求。     

混凝土超低温冻融循环损伤机理及控制措施

通过冻融循环前后混凝土抗压强度、质量、表观及微观现象的改变揭示了其超低温冻融循环损伤机理.在此基础上,探究了抗冻剂和引气剂分别对混凝土超低温抗冻性的影响.根据试验结果可得到以下结论:1)循环最低温度越低,混凝土表面和内部结构劣化越严重,抗压强度降低越显著;2)混凝土超低温冻融循环损伤主要是由混凝土内部水结冰所致,在降温过程中,其体积膨胀对孔隙壁产生冻胀压力,使得孔隙逐渐增大、连通甚至出现裂缝,内部损伤逐渐累积使结构变得疏松;3)与抗冻剂相比,引气剂对混凝土超低温抗冻性的改善效果更好;4)抗冻剂和引气剂掺量分别不应大于水泥质量的5％和0.03％,两者在低温下的掺量宜为2％和0.02％～0.03％.     

荷载-冻融耦合作用下充填层自密实混凝土的耐久性及损伤模型

为掌握处于冻融服役环境条件下充填层自密实混凝土(SCC)的耐久性,设计了轴压荷载-冻融耦合作用模拟试验,对比研究了SCC在冻融循环作用、荷载-冻融循环耦合作用下的质量、峰值应力、峰值应变等参数随冻融循环次数的变化规律;结合统计损伤理论,建立了相应的损伤本构模型,讨论了损伤变量与冻融循环作用次数的变化关系。结果表明:相较于单一冻融作用,1/3应力水平的轴压荷载与冻融循环耦合作用下的充填层自密实混凝土劣化速率更大,此时难以抵抗300次冻融循环作用,掺适量聚丙烯纤维或橡胶粉可较好改善其在荷载-冻融循环耦合作用下的耐久性。所建立的损伤本构模型可较好地描述荷载-冻融耦合作用后混凝土应力-应变关系,其损伤变量与冻融次数具有良好相关性。     

循环荷载对煤矸石混凝土损伤试验研究

为了研究煤矸石混凝土在疲劳荷载作用下的损伤特性,制作了煤矸石质量取代率分别为0、20％、40％、60％、80％、100％的混凝土试件,循环荷载取0.3fc0和0.5fc0,分别在循环加载2500次、5000次、7500次、10000次后测试其抗压强度和相对动弹性模量.结果表明:不同质量取代率的煤矸石混凝土在循环加载次数较少时,可致密内部结构,抗压强度不但无损而且性能还有所提升,煤矸石的质量取代率越高,混凝土抗压强度越小,达到最大值所需的循环次数越少,循环10000次煤矸石质量取代率40％的混凝土抗压强度开始出现损伤,且疲劳荷载越大,损伤越大;不同质量取代率的煤矸石混凝土在循环加载初期相对动弹性模量下降较快,后期逐渐趋于稳定,疲劳荷载越大,煤矸石质量取代率越高,损伤越严重,加速了结构内部微裂隙的扩展以及新孔隙的产生.     

不同类型沥青混凝土冻融疲劳性能研究

冬季突遇雨雪天气,在水分和温度的影响与作用下,沥青混凝土路面易产生冻融损害,但目前这方面的研究还很少.因此,根据华东地区的冬季气温,采用间接拉伸疲劳试验研究冻融循环对不同类型沥青混凝土疲劳性能的影响.试验结果表明:在相同的冻融温度和冻融次数下,SBS改性沥青混凝土疲劳寿命高于AH-70号基质沥青混凝土,随着冻融次数的增加,它们的疲劳寿命明显下降,SBS改性沥青混凝土疲劳寿命降低速度低于AH-70号基质沥青混凝土.通过对冻融条件下不同类型沥青混凝土疲劳性能的研究,为提高沥青路面耐久性提供理论依据.     

应力损伤轻骨料混凝土抗冻融性能

通过反复加载对浮石轻骨料混凝土预制初始应力损伤,采用"快冻法",以相对动弹性模量和质量损失率为评价指标,研究损伤度分别为0、0.05、0.12、0.19、0.27的轻骨料混凝土抗冻融性能。借助扫描电子显微镜分析冻融后应力损伤轻骨料混凝土的微结构特征,探讨初始应力损伤对轻骨料混凝土抗冻融性能的影响机理。最后,通过对轻骨料混凝土冻融损伤演化过程的分析,以Loland混凝土损伤模型为基础建立包含初始应力损伤和冻融损伤的轻骨料混凝土力学损伤演化方程。结果表明:初始应力损伤的存在会加速轻骨料混凝土冻融损伤的发展,且初始应力损伤越大,冻融损伤越严重;力学损伤演化方程拟合值和试验值吻合良好,可为灾变后轻骨料混凝土的抗冻融性能预测及维护加固提供理论依据。     

冻融环境下钢筋与粉煤灰混凝土的粘结承载力

通过对粉煤灰混凝土试件的直接拔出试验,分析粉煤灰掺量与冻融作用对粘结试件的初始滑移粘结强度、劈裂强度、极限粘结强度及粘结强度-滑移曲线下的面积作为粘结试件韧性评价指标的变化规律.试验结果表明:钢筋与粉煤灰混凝土的粘结强度随粉煤灰掺量的增加而降低;试件粘结韧性随粉煤灰掺量的增加先降低后增强,粉煤灰掺量较大的试件在加载过程中表现出良好的韧性;冻融作用对试件极限粘结强度的影响程度随粉煤灰掺量增大而减小,40%粉煤灰试件在冻融环境下表现出较好的粘结韧性.掺入较多粉煤灰可以在一定程度上减缓粘结试件的冻融损伤.     

冻融环境混凝土氯离子扩散性能试验研究

目前针对混凝土冻融损伤影响下的氯离子扩散系数衰减规律尚未建立完善模型.本文应用自然扩散方式对冻融损伤混凝土中的自由氯离子和总氯离子扩散性能进行了试验研究,分析了冻融损伤对混凝土中氯离子分布和扩散系数的影响,并将损伤度概念引入,建立了考虑冻融损伤影响的混凝土中氯离子扩散系数衰减模型.研究表明:随着混凝土冻融损伤的加剧,自由氯离子和总氯离子扩散系数逐渐增大,而氯离子扩散系数的衰减指数总体呈降低趋势;随着混凝土冻融损伤程度的加剧,混凝土深层扩散区的氯离子含量呈升高趋势,但浅层扩散区中的氯离子含量呈降低趋势.     

冻融损伤后喷射混凝土耐久性研究

采用快速冻融法,比较同配合比喷射混凝土与模筑混凝土冻融循环作用后质量损失率、相对动弹性模量、立方体抗压强度及劈裂抗拉强度损失率,研究喷射混凝土的抗冻性能,并分析钢纤维的掺入对其抗冻性能的影响,同时,采用扫描电镜(SEM)分析冻后喷射混凝土微观结构的演变特征.试验结果表明,冻融循环150次,喷射混凝土的相对动弹性模量为0.819,而模筑混凝土已进入破坏状态,喷射混凝土抗冻性能优于模筑混凝土;冻融循环200次,钢纤维喷射混凝土(SFRS)劈裂抗拉强度损失率较普通喷射混凝土减小60％,说明钢纤维的掺入能够显著提高喷射混凝土的抗冻性能.     

Rubber fatigue life prediction using a random forest method and nonlinear cumulative fatigue damage model

In this study, a random forest machine-learning method is introduced on the basis of the analysis of measured constant amplitude stress fatigue data. This method aims to predict rubber fatigue life under constant amplitude stress. Strain mean value, strain amplitude, and strain ratio are used as independent variables, and the prediction model of rubber fatigue life under constant amplitude stress is established. A nonlinear cumulative fatigue damage model is proposed to calculate rubber fatigue life under the variable amplitude stress. Results show that the random forest method has high precision and generalization capability for rubber fatigue life prediction under constant amplitude stress and the nonlinear cumulative fatigue damage model could be employed to calculate the fatigue life of rubber under variable amplitude stress with enough accuracy according to the constant amplitude stress fatigue life data. This research can provide a reference for rubber fatigue life prediction. © 2019 Wiley Periodicals, Inc. J. Appl. Polym. Sci. 2020 , 137, 48519.     

浮石混合骨料混凝土冻融损伤模型及剩余寿命预测

本文在对浮石轻骨料混凝土实验研究得到实验数据的基础上,对浮石轻骨料混凝土的抗冻性能做更深层次的研究,基于浮石轻骨料混凝土的质量和相对动弹性模量的变化规律,建立了浮石轻骨料混凝土的冻融损伤模型,并对浮石轻骨料混凝土的剩余寿命进行预测,通过试验研究表明浮石轻骨料混凝土的抗冻性能较好,随着浮石替代量的增加,混凝土的剩余寿命增加但抗压强度降低.     

不同掺合料的透水混凝土冻融循环性能研究

透水混凝土的冻融破坏一直是一个影响其在北方地区大规模推广的严重问题,为解决这些问题,分别用粉煤灰、乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)乳胶和聚乙烯纤维作为掺合料,通过用掺合料置换透水混凝土混合物中不同比例的水泥来分析掺合料比例的影响,对透水混凝土的渗透性、抗压强度等基本物理性能作了验证试验,采用快冻法以质量损失率和相对动弹模量来评价透水混凝土的冻融循环性能.试验结果表明,不同掺合料对透水混凝土的冻融循环性能均有一定的有利作用,但影响程度和作用机理不同.     

纤维轻骨料混凝土冻融损伤模型研究

选用钢纤维、聚丙烯纤维及混杂纤维掺入轻骨料混凝土进行抗冻性试验.对冻融循环试验结果研究,提出基于动弹性模量衰减的纤维轻骨料混凝土冻融损伤模型.比较发现模型采用直线方程与一元二次方程的分段型数学模型拟合精度高.并根据损伤理论分析掺入不同纤维对轻骨料混凝土冻融损伤速度的影响,结果说明掺人混杂纤维优于聚丙烯纤维及钢纤维.     

高寒高海拔地区玄武岩纤维沥青混凝土损伤自愈合性能分析

为探究玄武岩纤维沥青混凝土在不同损伤程度及冻融循环、紫外辐射老化作用下的损伤自愈合性能,利用四点弯曲疲劳试验及扫描电子显微镜从宏、微观角度进行分析。通过对比分析试件愈合前后疲劳损伤速率v_D及累计耗散能ECD分别得到相应的愈合系数R_HI,结果表明:玄武岩纤维能提高普通基质沥青混凝土的损伤自愈合性能,其损伤愈合系数最大值为96％;在相同环境因素中,试件的损伤程度与愈合系数成反比;在相同的损伤程度下,冻融循环对试件的愈合性能影响最大,损伤愈合系数下降幅度最高达到4％;利用累计耗散能作为评价指标,可以更精确地表征沥青混凝土的损害自愈合性能。通过扫描电镜图像分析,从微观上解释了玄武岩纤维对于沥青混凝土紫外辐射老化及冻融作用前后自愈合性能的影响机理。