寒冷地区机场道面混凝土在除冰液作用下疲劳失效机理研究

The airfield pavement concrete materials in cold regions have to withstand the combined actions of freeze-thaw cycle, fatigue loading and ion erosion of deicer, so it is significant to study the damage failure of the concrete material under the impact of these complex factors. This project studies how the deicer type, concentration and cycle index influence the concrete fatigue damage mode and the rigidity decay process by testing the fatigue damage of different types of deicer after the freeze-thaw cycle. The digital image correlation method is used to measure the strain distribution of concrete matrix and aggregate interface in the process of fatigue damage under complex circumstances. The microscopic damage is described and the damage equation is established based on the degradation of residual strain and bearing strain after damage. The project also studies the micro-hardness change, the pore structure distribution and development, and the crack distribution and expansion pattern of concrete matrix and aggregate interface to reveal how the crack occurs and develops in the process of damage. It analyzes the concrete fatigue damage performances in different conditions on the basis of the mesoscopic mechanical properties and the microstructure of interface and matrix. In addition, it explores the correlation between the macroscopic fatigue damage and the material's mesoscopic damage and tries to find out the concrete fatigue failure mechanism under complex conditions.

寒冷地区的机场道面混凝土材料要经受除冰液的离子侵蚀、冻融循环和疲劳荷载的共同作用，研究复杂因素作用下混凝土材料的损伤失效问题对实际工程具有重要意义。本项目通过对不同种机场除冰液冻融循环后的疲劳试验，研究机场除冰液种类、浓度、冻融循环次数对混凝土疲劳破坏模式、刚度衰减演化的影响规律；通过数字图像相关方法测量复杂环境下混凝土水泥基体、骨料界面在疲劳损伤过程中的应变分布，基于损伤后的残余应变、承载应变的衰减来描述细观损伤程度，建立损伤表征方程；研究水泥基体及骨料界面的微观硬度变化、孔结构分布及变化、裂纹分布及扩展规律，揭示混凝土在损伤过程中裂纹的萌生和发展的规律，基于界面和基体的细观力学性能和细观结构分析不同环境条件下混凝土疲劳损伤特性；探索宏观疲劳破坏与材料细观损伤之间的关联性，揭示复杂环境条件下的混凝土疲劳失效机理。

寒冷地区的机场道面混凝土材料要经受除冰液的离子侵蚀、冻融循环和疲劳荷载的共同作用，研究复杂因素作用下混凝土材料的损伤失效问题对实际工程具有重要意义。本项目通过通过快速冻融试验，研究了不同冻融介质（水、3.5%NaCl和飞机除冰液）作用下对混凝土损伤程度的大小，分析了混凝土相对动弹性模量与相对剩余抗压强度、相对剩余抗折强度之间的关系，基于相对动弹性模量建立了相对剩余抗压强度、相对剩余抗折强度衰减方程；基于不同冻融介质和冻融次数下混凝微观孔结构变化规律及其损伤劣化过程，建立含气量、气泡平均弦长、比表面积、气泡间距系数与混凝土冻融损伤度及抗压强度关系的关系，从宏观抗冻性能与微观孔结构阐释玄武岩纤维混凝土冻融损伤机理；通过纳米压痕试验研究水胶比的大小及硅灰替代水泥掺量的大小对界面过渡区力学性能以及界面区厚度的影响规律，并给出界面过渡区的厚度范围；基于数字图像相关方法研究玄混凝土冻融后破坏规律，基于切口处水平位移和应变变化规律确定起裂荷载，并研究冻融循环次数和纤维掺量对混凝土起裂韧度、失稳韧度、临界开口位移的影响，首次提出基于冻融损伤后的残余应变、承载应变的衰减表征混凝土试件弯曲破坏过程的损伤程度因子和局部化因子，并进一步分析纤维掺量和冻融次数对混凝土弯曲损伤破坏规律的影响，基于冲击次数与开裂点应变曲线，确定了起裂冲击次数和最终破坏冲击次数，研究了玄武岩纤维和冻融循环对混凝土冲击破坏的影响机制，分析了疲劳全过程中混凝土的应变、位移场、裂缝的变化规律，研究冻融循环作用下混凝土的疲劳破坏过程；通过对常温腐蚀后和冻融循环后混凝土试件进行疲劳试验，分析冻融次数、玄武岩纤维掺量对疲劳变形发展、刚度衰减演化的影响规律，建立疲劳寿命S—荷载循环次数N—冻融损伤参数之间的关系曲线。项目研究成果可为北方地区混凝土道面设计与施工提供理论和试验参考。