早期扰动对混凝土性能的影响及其微细观损伤机理

The internal microstructure of cement-based materials is formed mainly in the early period of hydration. In this stage, the bond strength of the interface transition zone is not fully formed, and the influence of the external disturbance is very sensitive. If it exists disturbances surrounding the new pouring concrete, disturbing force is easy to make concrete generate tensile stress inside. Consequently, it will produce some unbridgeable micro-cracks, affect concrete strength growing, and thus lead to durability problems. At present the system research for the effect of the disturbance mechanism on the strength, the degree of damage and the durability of concrete are lacked. Based on the theoretical analysis and experimental study, the influence of early disturbance on the mechanics and durability of different strength grade concrete will be studied systematically in this research. By adjusting the disturbance parameters, the critical disturbance energy which influences the performance of concrete will be obtained. The qualitative and quantitative relationship between the early disturbance mechanism and the performance of concrete will be established. From the micro structure of concrete to determine its performance, the concept of micro features will be used to describe the damage of disturbed concrete process to obtain the basic information of the formation process of the internal micro structure of concrete. Combined with numerical simulation analysis, the physical phenomena of progressive damage of meso-structure will be revealed. In order to provide the necessary theoretical basis for the quality control of concrete, the internal essence of the influence of the disturbance on the macro performance of concrete will be expounded.

混凝土内部微结构主要形成于水泥水化的早期，此阶段界面过渡区的粘结强度尚未完全形成，对外界扰动非常敏感。若新浇筑混凝土周围存在扰动，则扰动力使混凝土内部产生拉应力，产生一些不可弥合的微裂纹，影响混凝土强度和耐久性。目前尚缺乏扰动机制对混凝土强度、损伤劣化程度及耐久性影响的系统研究。课题拟采用理论分析与试验研究相结合的方法，系统研究早期扰动对不同强度等级混凝土力学性能和耐久性能的影响。通过调整扰动参数，获得影响混凝土性能的临界扰动能量，建立早期扰动机制对混凝土性能影响的定性与定量关系。从混凝土的微观结构决定其性能出发，用细观特征描述受扰混凝土损伤劣化过程，获得混凝土内部微结构形成过程的基本信息。结合数值模拟分析，揭示其内部细观结构渐进损伤的物理现象，阐明扰动对混凝土宏观性能影响的内在实质，进行扰动影响机理分析，为浇筑期的混凝土质量控制提供必要的理论依据。

作为一种非均质混合材料，混凝土硬化后的性能取决于其早期微结构的形成过程。混凝土在终凝前，内部微结构尚未完全形成，对外界扰动的影响会非常敏感。扰动力可能使混凝土内部产生不可弥合的微裂纹，影响混凝土强度和耐久性。基于此，项目将混凝土初凝后、终凝前的阶段定义为“早期”，通过对混凝土施加早期扰动，研究了扰动对混凝土宏观力学性能的影响，分析了扰动对混凝土性能影响的尺寸效应，揭示了其影响机理；通过对受扰混凝土进行硫酸盐侵蚀试验和对其受压破坏过程进行声发射数据采集，评价了扰动对混凝土受硫酸盐侵蚀过程和受荷声发射特性的影响，建立了受扰混凝土在硫酸盐侵蚀作用和压力荷载作用下的损伤演化模型。研究发现：与基准混凝土相比，早期受扰混凝土28d抗压强度、抗折强度均降低。混凝土受扰龄期处于凝结硬化中期时，最大抗压、抗折强度下降率均超过了25%；受硫酸盐侵蚀130d后，相对动弹模量出现了急剧下降。临近初凝和临近终凝的扰动对混凝土影响比较小。早期扰动加速了混凝土在硫酸盐侵蚀环境下的劣化，使混凝土的峰值应力和弹性模量有不同程度的降低，凝结硬化中期受扰的混凝土降低幅度最大。受扰混凝土试件在加载初期声发射事件数较少，能量释放率较小，声发射活跃区间后移。扰动会使混凝土内部结构承受拉应力，降低水泥石与骨料间的粘结力，这是扰动对混凝土强度影响的实质。以微裂纹扩展表征混凝土侵蚀损伤后的力学性能，建立的损伤模型曲线可以较好地反映受扰混凝土在硫酸盐侵蚀环境下的损伤演化规律；以声发射事件数表征混凝土的损伤程度，推导出的混凝土受压本构关系与试验结果吻合较好，早期扰动形成的初始损伤越大，可靠度指标降低越显著。本项目所得出的扰动对混凝土力学性能和耐久性能的影响研究结论，相对以往的研究成果更加系统化，对现浇混凝土的施工质量控制具有一定的学术意义与应用价值。所建立的考虑扰动影响的损伤演化模型，可为早期受扰混凝土在服役期的损伤评定和可靠度评价提供参考。