氯盐环境与冻融循环耦合作用后钢筋-PVA纤维水泥基复合材料疲劳损伤机理的研究

A great mass of deicing salt is used to ensure traffic safety and transportation smooth in winter in Inner Mongolia and other provinces in northern China. Concrte bridge, road, building and other concrte structures were deteriorated significantly coupling chloride ion from deicing salt and Inland Salt Lake with freeze-thaw cycle action, which caused great economic loss. Polyvinyl alcohol fiber reinforced cementitious composites (PVA-FRCC) has many advantages such as good toughness, high tensile strength, strong ability in crack controlling, low temperature resistance, corrosion resistance, no pollution and other advantage, and it has better application prospect. In addition, silica sand as aggregates of PVA-FRCC reserves richly in Inner Mongolia. For the poorer durability characteristics of concrete structure in Inner Mongolia and other provinces in northern China, applicant intends to study the fatigue damage mechanism of steel reinforced PVA-FRCC coupling chloride salt environment and freeze-thaw cycle action in test method. Scanning electron microscopy (SEM) will be used to analyse the influence of microstructure evolution on macroscopic fatigue properties. Grey theorey will be used to present life prediction model considering fatigue stiffness degradation, and fatigue life of steel reinforced PVA-FRCC with different parameters will be predicted. Those works would provide the research background and theoretical basis for improving the durability of concrete structure in Inner Mongolia and other provinces in northern China.

内蒙古及北方各省区多雪季节为保证交通安全和运输畅通，使用的大量除冰盐，以及内陆盐湖的氯离子与冻融循环耦合，对桥梁、道路、建筑等各类混凝土结构使用性能和耐久性产生了非常明显的劣化，造成了巨大的经济损失。聚乙烯醇（PVA）纤维水泥基复合材料是近几年发展迅速的新型土木工程材料，具有韧性好、抗拉强度高、裂缝控制能力强、耐低温、耐腐蚀和无污染等优点，拥有良好的应用前景。此外，该材料中石英砂在内蒙古储量丰富。针对内蒙古及北方地区混凝土结构耐久性问题的特点，项目申请者以国家自然科学基金项目已取得的研究成果为基础，拟进一步对氯盐环境与冻融循环耦合作用下钢筋-PVA纤维水泥基复合材料的抗疲劳性能进行试验研究，并利用扫描电镜分析微观结构演化对宏观疲劳性能的影响。应用灰色理论建立基于疲劳刚度退化的寿命预测模型，并对不同参数的疲劳寿命进行分析。为内蒙古及北方各省区提高混凝土结构耐久性提供必要的研究背景和理论依据。

与普通混凝土材料相比，PVA-ECC材料具有良好的裂缝控制能力。本课题通过研究经冻融循环的钢筋-PVA纤维增强水泥基复合材料梁（简称PVA-ECC配筋梁），选择弯曲静载试验、疲劳试验等试验方法，运用损伤力学理论，对PVA-ECC配筋梁经冻融循环后的力学性能进行初步研究。首先通过对PVA-ECC配筋梁进行弯曲静载试验，求得试验梁的极限弯曲承载力，并分析静载试验下其破坏形态，分析试件在不同因素（纤维体积掺量、冻融循环次数）下的荷载-挠度曲线，结果表明冻融循环降低了试验梁承载力；进而进行疲劳试验，对氯盐环境下冻融循环前后试验梁的疲劳挠度-循环次数曲线和疲劳残余挠度-循环次数曲线进行分析，建立以应力水平和疲劳循环次数为关系的S-N（应力-寿命）曲线方程，对数据拟合检验结果表明应力水平越高或者冻融循环次数越多，都会导致试验梁在最终破坏前最大弯曲挠度和残余挠度增大，疲劳寿命变短。同时通过力学理论建立PVA-ECC配筋梁刚度计算方法，分析疲劳加载过程中刚度退化规律。各PVA-ECC配筋梁刚度损伤分三个阶段，氯盐冻融循环次数越多，梁的刚度损伤越快。通过等应变假设计算氯盐冻融过程中的累计损伤，得出PVA-ECC配筋梁冻融损伤变量演化曲线，并基于损伤力学推导得到PVA-ECC配筋梁弯曲疲劳损伤演化方程。综合以上研究结果，为探讨PVA-ECC配筋梁在氯盐冻融循环作用后的弯曲疲劳性能及疲劳寿命的关系奠定了坚实的工作基础。同时对于认识PVA-ECC配筋梁在氯盐冻融环境下的性能退化规律提供了启示性线索。项目资助发表核心论文2篇。培养硕士生2名，均已取得硕士学位。培养博士生1名，在读。项目投入经费50万元，支出38.62万元，各项支出基本与预算相符。剩余经费11.38万元，剩余经费计划用于本项目研究后续支出。