硫酸盐腐蚀作用下道路混凝土疲劳损伤机理研究

目前对化学腐蚀作用下的混凝土疲劳损伤研究鲜有报道，已有的力学分析方法及疲劳寿命预估模型也未能真实反映道路混凝土的工作本质。本项目将采用自行研制的化学腐蚀与交变应力耦合作用试验装置，通过定性分析与定量分析相结合、数值模拟与宏观力学响应相对照，研究硫酸盐介质中混凝土在交变荷载作用下的损伤机制。利用现代物相分析技术，结合力学分析, 研究交变荷载作用下，腐蚀介质浓度、约束条件、耦合时间等因素对混凝土孔隙结构中结晶盐膨胀压及对孔壁的影响规律，揭示硫酸盐溶液在道路混凝土中的迁移机制及晶化规律；基于损伤力学理论，建立道路混凝土在硫酸盐腐蚀下的疲劳损伤本构模型，数值模拟硫酸盐腐蚀与交变应力耦合作用下道路混凝土的疲劳损伤演化过程，提出其损伤演化方程。. 研究成果从损伤力学的角度揭示在腐蚀介质作用下道路混凝土的疲劳破坏行为，可为道路工程结构的寿命预估及结构设计提供重要理论依据。

硫酸盐对混凝土的腐蚀作用是影响混凝土耐久性能的重要因素之一，但是目前对于水泥混凝土硫酸盐腐蚀的研究，通常仅限于将试件置于硫酸盐溶液中的单一因素作用对混凝土的腐蚀，探讨的也是单一因素化学介质作用下混凝土的损伤机理，虽有学者研究了硫酸盐腐蚀与恒定荷载共同作用下混凝土的损伤，但仍难以反映承受频繁交通荷载重复作用的公路、桥梁、机场道面等道路工程结构损伤的真实情况，鉴于此，本项目通过定性分析与定量分析相结合、试验研究与理论建模相对照，对交变荷载与硫酸盐腐蚀共同作用下混凝土损伤机制进行了系统的研究。. 利用自行设计的机械式混凝土应力-腐蚀疲劳加载试验装置,选择合理的腐蚀环境与加载方法，模拟水泥混凝土真实的工程环境,采用干湿质量测试、相对动弹性模量、抗弯拉强度等宏观测试方法，研究硫酸盐溶液浓度（环境因素）、交变荷载的应力水平（力学因素）、配合比设计参数（水泥混凝土自身因素）等对水泥混凝土疲劳损伤性能的影响，提出了交变荷载与硫酸盐腐蚀作用下水泥混凝土疲劳损伤评价指标。在试验分析的基础上引入叠加效应系数K，提出交变应力与硫酸盐腐蚀对水泥混凝土破坏的交互作用的形式。采用化学分析，阐明交变荷载作用下硫酸钠在混凝土孔隙中的迁移及晶化规律；结合现代物相分析技术，研究了交变荷载作用下混凝土硫酸盐腐蚀导致其内部微观结构的变化规律，提出了硫酸盐溶液在侵入混凝土内部的动力机制。. 依据扩散的基本理论，通过对混凝土单元化与裂纹均一化，表征微裂缝对硫酸盐在混凝土中传输过程的影响；基于边界移动的扩散-反应问题，建立了交变荷载作用下水泥混凝土中硫酸盐传输模型，并通过有限差分方法，给出模型数值解，结合室内试验结果，验证了理论模型的合理性。根据硫酸盐的浓度分布及扩散反应方程提出混凝土模型中反应生成物的分布情况，分析晶体生长特征、结晶膨胀及其产生的膨胀应变。采用损伤力学基本理论，结合混凝土的疲劳性能选择出合理的耗散势函数，并通过分析混凝土疲劳损伤的发展规律，建立交变荷载与硫酸盐共同作用下混凝土本构关系。用推导出的应力-应变本构模型，提出交变荷载作用下混凝土内部因腐蚀膨胀产物导致的受力和疲劳损伤机制，建立交变荷载与硫酸盐共同作用下混凝土的寿命预测模型。. 本研究通过试验研究与理论分析揭示交变荷载与硫酸盐腐蚀共同作用下道路混凝土疲劳损伤破坏机理，为道路工程结构的寿命预估及结构设计提供重要的理论依据。