腐蚀/变温环境下混凝土损伤发展过程研究

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混凝土是一种多相复合材料,在浇筑成型的阶段,材料内部已经存在一定程度的初始损伤。当混凝土投入使用后,同时又受到各种外界因素的影响,如温度变化、外荷载、海水侵蚀等。在外界因素的作用下,材料的微损伤逐步演化扩展,最终形成贯穿性裂缝,导致结构失效。本文主要围绕混凝土在热应力作用下,和侵蚀环境作用下的损伤演化规律开展研究。文章第一部分,研究了混凝土材料在温度应力作用下的损伤形成机理。将混凝土材料看作是由水泥砂浆基体和粗骨料夹杂两种组分合成的复合材料。通常,水泥砂浆的热膨胀系数大于粗骨料夹杂的热膨胀系数。即便是在均匀升温条件下,由于两相材料热膨胀系数不同所导致的热失配能够产生的温度应力。通过Eshelby等效夹杂理论,分析了粗骨料的变形,以及基体-界面处的热应力分布,揭示了微裂纹形成的两种机理。在升温条件下,微裂纹的成核主要由骨料-基体界面开裂所导致。在降温条件下,主要由界面处基体一侧受到拉伸应力作用而产生垂直于界面的微裂纹。据此理论推测,开展了混凝土的温度应力作用下的损伤实验,证实了理论预测的正确性。文章第二部分,进行了三方面研究:1)硫酸盐侵蚀混凝土表面硬度损伤演化研究;2)硫酸盐侵蚀质量演化、损伤演化研究;3)硫酸盐侵蚀混凝土表面裂纹演化规律研究。在硫酸盐侵蚀混凝土表面硬度损伤演化研究中,通过分析浸泡在硫酸盐溶液中的水泥砂浆试样表面硬度的实验结果,发现试样表面硬度的演化可分为两个阶段。第一个阶段,表面硬度随侵蚀时间而增加;第二个阶段,表面硬度则随侵蚀时间下降。基于实验结论,提出了一个新的模型,及势函数及其导数用以表征混凝土表面硬度演化。在硫酸盐侵蚀质量演化、损伤演化研究中,首先基于混凝土硫酸盐侵蚀实验的四组质量演化结果,采用一级反应速度方程来表征质量演化规律。结合混凝土动弹性模量的实验结果,建议了一个服从Weibull分布规律的混凝土侵蚀损伤模型。在硫酸盐侵蚀混凝土表面裂纹扩展规律研究中,开展了裂纹扩展的跟踪实验,对浸泡在硫酸盐中的混凝土试件进行长期观察研究,利用体式显微镜定期采集固定区域的裂纹生长画面,获得了微裂纹从萌生到扩展的整个动态发展过程,得到了硫酸盐侵蚀下裂纹的扩展规律。
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