氯盐环境中锈蚀钢筋轻骨料混凝土受弯构件性能研究

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轻骨料混凝土扩散输运机制与断裂破坏机理受多孔轻质骨料影响显著,氯盐环境中轻骨料混凝土构件耐久性损伤演变复杂,其使用阶段性能的劣化规律有待明确。因此,充分考虑轻骨料混凝土的材料构成以及力学特性开展研究,揭示氯离子侵入引起的轻骨料混凝土结构和构件耐久性退化机理,建立耐久性分析模型,是完善轻骨料混凝土结构耐久性设计理论的关键。本文针对氯盐环境中轻骨料混凝土梁的传输、锈胀开裂以及受弯性能,完成了15个轻骨料混凝土梁式试件粘结-滑移性能试验研究与23个轻骨料混凝土梁四点弯曲试验研究,建立了轻骨料混凝土传输与力学性能的细观分析模型,揭示了氯盐环境中轻骨料混凝土构件传输性能变化规律与受力性能退化机理,提出了考虑钢筋锈蚀作用的轻骨料混凝土构件分析模型,给出了传输与锈蚀两个阶段的轻骨料混凝土结构设计参数限值与耐久性评估方法,主要研究内容包括:1.轻骨料混凝土氯离子扩散与锈胀开裂行为研究。建立了轻骨料混凝土细观扩散与锈胀开裂数值模型,完成了14个轻骨料混凝土梁的通电加速锈蚀试验,分析了多孔骨料特性对轻骨料混凝土扩散与锈胀开裂行为作用规律,提出了不同氯盐环境等级下轻骨料混凝土结构的水胶比与保护层限值,建立了轻骨料混凝土锈胀开裂预测模型。研究表明:水胶比对轻骨料混凝土中氯离子扩散的影响最为显著,且水胶比的提高使轻骨料的作用权重逐渐增大;轻骨料强度下降会使得锈胀开裂过程更为严重,而水胶比的增大会降低临界锈蚀率,加速裂缝发展;梁中的两根钢筋同时发生锈蚀时可能导致保护层剥落,角部钢筋锈蚀会引起角部混凝土的剥落。2.锈蚀钢筋轻骨料混凝土梁受弯性能研究。完成了23个轻骨料混凝土梁受弯性能试验研究,其中14个试件进行了通电加速锈蚀,重点分析了轻质骨料以及钢筋锈蚀对试件受弯性能的影响,结果表明:小粒径轻骨料会降低开裂弯矩、增大其极限挠度和延性系数;钢筋锈蚀使轻骨料混凝土梁表面裂缝数量减少、间距增大,同时使极限弯矩和延性系数分别下降约3%~15%与4%~37%;钢筋锈蚀使横截面应变呈轻微非线性分布;现行规范对于锈蚀轻骨料混凝土梁裂缝宽度预测偏小,而对无锈蚀试件短期刚度的预测高出试验值约30%。3.锈蚀钢筋与轻骨料混凝土粘结强度退化模型研究。完成了15个轻骨料混凝土梁式试件的粘结-滑移性能试验研究,对11个试件进行了通电加速锈蚀,考虑箍筋约束与钢筋锈胀作用提出了轻骨料混凝土构件粘结-滑移本构关系。研究结果表明:钢筋锈蚀会引起保护层开裂,从而降低粘结强度;减小箍筋间距和提高保护层厚度都可改善粘结强度退化;所建立的粘结强度计算模型与粘结-滑移本构模型能够反映锈蚀钢筋与轻骨料混凝土的相互作用,可用于预测粘结-滑移行为。4.考虑锈蚀效应的轻骨料混凝土随机模型研究。提出了轻骨料混凝土随机分布场模型,建立了模型参数计算方法,引入粘结强度退化模型与锈胀开裂损伤参数修正了基于随机分布场建立的轻骨料混凝土构件多尺度分析模型。研究结果表明:随机分布场模型中相对尺度参数的增大会提高模型误差,建议取为3.5~7.5,模型子单元尺寸宜与最大骨料粒径相近;随机骨料分布场模型能准确模拟轻骨料混凝土构件破坏过程;轻骨料混凝土梁纵筋整体锈蚀率超过10%时有可能出现钢筋脱粘破坏。5.氯盐环境中轻骨料混凝土结构耐久性设计参数研究。基于MIV-神经网络方法对数值模拟结果完成了影响因素显著性分析,结合结构各耐久性阶段与现行规范分析了开裂与裂缝扩展阶段设计参数,综合本文结论给出了氯盐环境中轻骨料混凝土受弯构件设计参数限值,形成了基于表面裂缝宽度的轻骨料混凝土受弯构件耐久性评估流程。通过本文研究,揭示了多孔轻质骨料对轻骨料混凝土中氯离子传输行为与锈蚀钢筋轻骨料混凝土构件受力性能退化的作用规律,建立了轻骨料混凝土细观分析模型与随机骨料分布场模型,给出了氯盐环境中轻骨料混凝土受弯构件设计建议与耐久性评估流程,为轻骨料混凝土的推广应用和结构耐久性设计提供了理论参考。
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