干濕循環(huán)和腐蝕環(huán)境下混凝土橋墩抗側(cè)向沖擊性能研究

本項(xiàng)目以濱海環(huán)境橋梁的橋墩為工程背景，通過(guò)理論、試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，探索在干濕循環(huán)和腐蝕環(huán)境長(zhǎng)期影響下鋼筋混凝土橋墩抗側(cè)向沖擊能力的退化及其計(jì)算。 通過(guò)制作8根混凝土墩柱試件進(jìn)行通電加速腐蝕后擬靜力加載試驗(yàn)，研究獲得腐蝕鋼筋混凝土墩柱承受不同形式荷載作用下的性能變化，分析研究初始損傷裂縫、混凝土強(qiáng)度、保護(hù)層厚度及鋼筋直徑對(duì)保護(hù)層內(nèi)裂紋萌生、擴(kuò)展及混凝土力學(xué)性能的影響。 用有限元軟件Open Sees和DIANA分別對(duì)墩柱建立纖維模型單元和二維平面應(yīng)力單元模型，用不同方法考慮鋼筋腐蝕，分析獲得鋼筋腐蝕對(duì)鋼筋混凝土墩柱滯回曲線，骨架曲線，耗能能力，延性，剛度退化，剛度退化等力學(xué)性能的影響。 通過(guò)以干濕循環(huán)和氯離子濃度為控制指標(biāo)，基于試驗(yàn)研究干濕循環(huán)和腐蝕環(huán)境對(duì)混凝土材料性能的影響，并通過(guò)落錘沖擊試驗(yàn)完成15根不同腐蝕狀況的鋼筋混凝土墩柱的抗側(cè)向沖擊性能的試驗(yàn)研究。 通過(guò)考慮混凝土墩柱的材料率效應(yīng)，鋼筋腐蝕力學(xué)性能退化，鋼筋混凝土腐蝕粘結(jié)性能退化以及沖擊侵徹性能，分析得到腐蝕鋼筋混凝土墩柱的極限狀態(tài)計(jì)算方法。 利用ANSYS/LS-DYNA對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)鋼筋力學(xué)性能的退化模擬鋼筋腐蝕作用，綜合分析獲得腐蝕率和不同腐蝕形式對(duì)鋼混墩柱抗側(cè)向沖擊性能的影響。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展，分析支座形式、混凝土強(qiáng)度、主筋腐蝕率、撞擊速度和次數(shù)以及撞擊接觸面結(jié)構(gòu)形式等各個(gè)因素對(duì)其抗側(cè)沖擊性能的影響。 使用支持向量機(jī)方法對(duì)重復(fù)荷載下受腐蝕的鋼筋混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能進(jìn)行研究。獲得了基于機(jī)理建模的分段型和整體型的回歸公式以及基于黑箱建模的承載力預(yù)測(cè)模型以及最大裂紋寬度、跨中撓度和剛度的黑箱預(yù)報(bào)模型。使用支持向量機(jī)方法對(duì)受腐蝕鋼筋混凝土柱的沖擊性能進(jìn)行了預(yù)報(bào)，包括單一通電加速和干濕循環(huán)銹蝕的銹蝕率預(yù)預(yù)測(cè)、沖擊荷載下的鋼筋應(yīng)變和混凝土應(yīng)變。 本項(xiàng)目研究獲得干濕循環(huán)和氯離子腐蝕對(duì)鋼筋混凝土橋墩抗側(cè)向沖擊性能的影響，建立干濕循環(huán)和腐蝕環(huán)境長(zhǎng)期影響下鋼筋混凝土橋墩抗側(cè)向沖擊動(dòng)態(tài)極限承載力計(jì)算，為處于濱海環(huán)境遭撞擊受損的鋼筋混凝土橋墩剩余承載力評(píng)估以及新建橋墩設(shè)計(jì)提供參考。 2100433B

以濱海環(huán)境橋梁的橋墩為工程背景，擬通過(guò)理論、試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，探索在干濕循環(huán)和腐蝕環(huán)境長(zhǎng)期影響下鋼筋混凝土橋墩抗側(cè)向沖擊能力的退化及其計(jì)算。以干濕循環(huán)制度和氯離子濃度為控制指標(biāo)，基于試驗(yàn)研究干濕循環(huán)和腐蝕環(huán)境對(duì)混凝土材料性能的影響；以落錘沖擊試驗(yàn)獲得橋墩模型在沖擊過(guò)程的應(yīng)變時(shí)程曲線，由此計(jì)算割線斜率并將其等效為平均應(yīng)變率。.以應(yīng)變率為關(guān)鍵指標(biāo)，基于CEB推薦的率型經(jīng)驗(yàn)公式確定鋼筋和混凝土的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度以及混凝土動(dòng)態(tài)斷裂應(yīng)變，以抗拉區(qū)邊緣混凝土動(dòng)態(tài)斷裂應(yīng)變?yōu)槌休d力極限狀態(tài)，建立材料的動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系，確立鋼筋混凝土橋墩在側(cè)向沖擊荷載下的動(dòng)態(tài)極限承載力計(jì)算模型。利用數(shù)值模擬方法，將模型試件層次的研究結(jié)果拓展到構(gòu)件，建立干濕循環(huán)和腐蝕環(huán)境長(zhǎng)期影響下鋼筋混凝土橋墩抗側(cè)向沖擊動(dòng)態(tài)極限承載力計(jì)算，為處于濱海環(huán)境遭撞擊受損的鋼筋混凝土橋墩剩余承載力評(píng)估以及新建橋墩設(shè)計(jì)提供參考。

干濕循環(huán)服役環(huán)境是混凝土結(jié)構(gòu)最典型、最嚴(yán)酷、最容易引發(fā)混凝土耐久性問(wèn)題的外部環(huán)境。工程實(shí)踐表明，混凝土結(jié)構(gòu)在干濕循環(huán)下破壞的主要形式是初期的結(jié)構(gòu)表面有限條數(shù)的宏觀裂縫的形成和后期有害介質(zhì)沿裂縫滲入引發(fā)二次化學(xué)反應(yīng)，致使破壞模式逐漸發(fā)展成面層混凝土剝離、脫落、鋼筋外露。鑒于此，本項(xiàng)目擬從研究現(xiàn)代混凝土干濕循環(huán)環(huán)境下失水收縮和吸水腫脹的內(nèi)因- - 水分含量出發(fā)，通過(guò)研究水分變化與體積變形的關(guān)系，建立能夠統(tǒng)一描述失水收縮和吸水腫脹的物理模型。通過(guò)同時(shí)測(cè)定干濕循環(huán)下混凝土試件的自由變形和內(nèi)部濕度變化，深入研究混凝土干濕循環(huán)條件下的變形規(guī)律，揭示其變形產(chǎn)生的內(nèi)部機(jī)制，為建立統(tǒng)一的縮脹預(yù)測(cè)模型提供理論依據(jù)。同時(shí)本研究還將建立干濕循環(huán)下混凝土水分變化預(yù)測(cè)計(jì)算模型和相應(yīng)的收縮、濕脹應(yīng)力計(jì)算模型，并分析干濕循環(huán)參數(shù)、混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)脹縮應(yīng)力的影響。以期實(shí)現(xiàn)干濕循環(huán)環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)表層開(kāi)裂的預(yù)測(cè)、預(yù)防與控制。

工程實(shí)踐表明，混凝土結(jié)構(gòu)開(kāi)裂大多是由非荷載因素，即結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度及水分變化引發(fā)的混凝土體積膨脹或收縮，約束條件下導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)拉應(yīng)力大于材料抗拉強(qiáng)度所致。水既是水泥水化的必需物質(zhì)，同時(shí)也和多數(shù)混凝土性能的衰退過(guò)程相關(guān)聯(lián)。而導(dǎo)致混凝土內(nèi)部水分發(fā)生劇烈變化的外部環(huán)境最典型的是干燥與濕潤(rùn)交替的環(huán)境，即通常所說(shuō)的干濕循環(huán)環(huán)境。因此，混凝土結(jié)構(gòu)在干濕循環(huán)下服役的環(huán)境通常被認(rèn)為是最典型、最嚴(yán)酷、最容易引發(fā)混凝土耐久性問(wèn)題的外部環(huán)境。本項(xiàng)目針對(duì)干濕循環(huán)環(huán)境下混凝土性能衰退研究中存在的問(wèn)題，在申請(qǐng)人已完成的“現(xiàn)代混凝土材料自身收縮與干燥收縮一體化研究”基礎(chǔ)上，將研究范圍由混凝土單調(diào)干燥擴(kuò)展到干濕循環(huán)，研究干濕循環(huán)環(huán)境下混凝土的變形及其引發(fā)的內(nèi)應(yīng)力問(wèn)題。研究從混凝土干濕循環(huán)環(huán)境下失水收縮和吸水腫脹的內(nèi)因—“水分含量”出發(fā)，通過(guò)研究水分變化與體積變形的關(guān)系，建立了能夠統(tǒng)一描述失水收縮和吸水腫脹的物理分析模型；通過(guò)測(cè)定混凝土試件的自由變形和內(nèi)部濕度、溫度變化，揭示其變形產(chǎn)生的內(nèi)部機(jī)制；在此基礎(chǔ)上，建立了干濕循環(huán)下混凝土結(jié)構(gòu)水分變化預(yù)測(cè)計(jì)算模型和相應(yīng)的收縮應(yīng)力計(jì)算模型，研究了干濕循環(huán)參數(shù)、混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)脹縮應(yīng)力的影響。與此同時(shí)，開(kāi)展了現(xiàn)代混凝土自身與干燥收縮調(diào)控研究，提出了以預(yù)吸水多孔陶粒與面層永久性纖維水泥模板為技術(shù)基礎(chǔ)的普通與高強(qiáng)混凝土收縮調(diào)控措施，大幅度降低了中低強(qiáng)度混凝土干燥收縮的致裂風(fēng)險(xiǎn)和高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土自身收縮的致裂風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)對(duì)本項(xiàng)目研究結(jié)果總結(jié)，共發(fā)表各類文章19篇，其中SCI期刊論文13篇，EI期刊論文6篇。

混凝土結(jié)構(gòu)在大氣環(huán)境中通常認(rèn)為是耐蝕的，但在實(shí)際使用過(guò)程中，由于受環(huán)境因素的影響，會(huì)形成多種腐蝕形式，根據(jù)腐蝕機(jī)理分，其腐蝕形式可分為：物理作用、化學(xué)腐蝕、微生物腐蝕，

(1)物理作用。物理作用是指在沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生時(shí)，混凝土內(nèi)的某些成分在各種環(huán)境因素的影響下，發(fā)生溶解或膨脹，引起混凝土強(qiáng)度降低，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受到破壞。物理作用按照對(duì)混凝土影響的人小排序依次為：凍融循環(huán)、干濕循環(huán)和磨損。

凍融循環(huán)：由于混凝土是多孔隙結(jié)構(gòu)，在循環(huán)的凍融（冰凍侵蝕）作用下易于損壞。過(guò)冷的水在混凝土中遷移引起的水壓力以及水結(jié)冰產(chǎn)生體積膨脹，對(duì)混凝土孔壁產(chǎn)生拉應(yīng)力造成內(nèi)部開(kāi)裂。

干濕循環(huán)：根據(jù)已有的金屬腐蝕電化學(xué)理論，對(duì)于極為干燥的狀態(tài)；混凝土內(nèi)缺乏鋼筋腐蝕電化學(xué)反應(yīng)所必須的水分，因此腐蝕無(wú)法進(jìn)行；對(duì)于極為濕潤(rùn)的狀態(tài)，混凝土內(nèi)部的孔隙充滿了水，此時(shí)鋼筋的腐蝕速度由氧氣在水溶液中的極限擴(kuò)散電流密度所控制；對(duì)于干濕交替狀態(tài)，由于干燥和濕潤(rùn)的交替進(jìn)行，使得混凝土內(nèi)部相對(duì)既不非常干燥也不非常濕潤(rùn)，這樣氧氣的供應(yīng)相對(duì)較為充裕，同時(shí)又能降低混凝土的電阻率，故將導(dǎo)致較高的鋼筋腐蝕速度。

磨損破壞：路面、水工結(jié)構(gòu)等受到車輛、行人及水流夾帶泥沙的磨損，使混凝土表面粗骨料突出，影響使用效果。當(dāng)混凝土表面受到?jīng)_擊、磨擦、切削等磨蝕破壞作用時(shí)，與混凝土耐磨相關(guān)的最大剪應(yīng)力發(fā)生在表面以下的次表面層．磨蝕破壞的作用力首先破壞混凝土表面的水泥石，集料逐漸凸出程度的增加，受磨蝕的作用力不斷加大，磨蝕速度隨之增加。由此可見(jiàn)，如果混凝土水泥石含量較大，混凝土中集料與水泥石的磨蝕破壞難以趨于半衡，水泥路面的磨耗也會(huì)持續(xù)下去。

(2)化學(xué)腐蝕?；瘜W(xué)腐蝕是指混凝土中的某些成分與外部環(huán)境中腐蝕性介質(zhì)（如酸、堿、鹽等）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成新的化學(xué)物質(zhì)而引起混凝土結(jié)構(gòu)的破壞。從破壞機(jī)理上來(lái)分，化學(xué)腐蝕可歸納為兩大類：溶解性侵蝕和膨脹性侵蝕。常見(jiàn)的化學(xué)腐蝕有：硫酸鹽腐蝕、堿一骨料反應(yīng)、碳化現(xiàn)象、氯離子侵蝕。

硫酸鹽腐蝕：硫酸鹽腐蝕是化學(xué)腐蝕中最廣泛和最普遍的形式。

堿一骨料反應(yīng)：堿一骨料反應(yīng)是指來(lái)自混凝土中的水泥、外加劑、摻合劑或攪拌水中的可溶性堿（鉀、鈉）溶于混凝土孔隙中，與骨料中有害礦物質(zhì)發(fā)生膨脹性反應(yīng)，導(dǎo)致混凝土膨脹開(kāi)裂破壞。

碳化現(xiàn)象：空氣中二氧化碳與水泥石中的堿性物質(zhì)相互作用，降低混凝土的堿度，破壞鋼筋表面的鈍化膜，使混凝土失去對(duì)鋼筋的保護(hù)作用。同時(shí)，混凝土碳化還會(huì)加劇混凝土的收縮，這些都可能導(dǎo)致混凝土的裂縫和結(jié)構(gòu)的破壞。

氯離子侵蝕：氯離子到達(dá)混凝土鋼筋表面，吸附于局部鈍化膜上，降低了pH值，破壞鋼筋表面的鈍化膜，使鋼筋表面形成電位差。氯離子將促進(jìn)腐蝕電池，卻不會(huì)被消耗，降低陰陽(yáng)極之間的歐姆電阻，加速電化學(xué)腐蝕過(guò)程。

(3)微生物腐蝕。微生物腐蝕有相當(dāng)?shù)钠毡樾?，凡是與水、土壤或潮濕空氣相接觸的設(shè)施，都可能遭受到微生物的腐蝕。生物對(duì)混凝土的腐蝕大致有兩種形式：①生物力學(xué)作用。生長(zhǎng)在基礎(chǔ)設(shè)施周圍的植物的根莖會(huì)鉆人混凝土的孔隙中，破壞其密實(shí)度。②類似于混凝土的化學(xué)腐蝕。典型的是硫化細(xì)菌在它的生命過(guò)程中，能把環(huán)境中的硫元素轉(zhuǎn)化成硫酸。