地铁钢筋混凝土界面多尺度腐蚀疲劳损伤及失效机理研究

The corrosion fatigue formed by fatigue load, stray current and chloride ions is the main cause resulting in the damage degradation of the subway rail structure reinforcement and concrete interface to debond. From the perspective of engineering application, the corrosion fatigue damage degradation mechanism of subway reinforced concrete interface in such typical service conditions urgently need to ascertain. For the scientific problem, the effect of the combined actions of fatigue load, stray current and chloride ions on the bond mechanical properties of subway reinforced concrete interface by the coupled loading test device of fatigue and steel corrosion is investigated using ultrasonic infrared thermal image technology in the project. The quantitative relationship between macro- and micro-damage evolutions of subway reinforced concrete interface is then made clear after that the influence laws of fatigue load stress, stray current strength and chloride ions concentration on them are ascertained. And then the micro-damage characteristics is inserted in the macro-damage behaviors by way of multiscale transition method to establish a multiscale corrosion fatigue damage model based on the interface microstructure evolution, and the corrosion fatigue damage failure mechanism of subway rail reinforced concrete interface is revealed to provide the theoretical basis for the development of high performance concrete structural materials. The finite element numerical simulation of the corrosion fatigue damage accumulation and asymptotic failure process is carried out to evaluate comprehensively and predict the long-term bond properties of the actual subway reinforced concrete interface.

疲劳荷载与杂散电流和氯离子形成的腐蚀疲劳是导致地铁轨道结构钢筋混凝土界面损伤劣化发生脱粘的主要原因。从工程应用角度，急需探明此类典型服役条件下地铁钢筋混凝土界面腐蚀疲劳损伤退化机制。针对这一科学问题，本项目拟利用疲劳与钢筋锈蚀耦合加载试验装置，采用超声红外热像技术研究疲劳荷载与杂散电流和氯离子共同作用对地铁钢筋混凝土界面粘结力学性能的影响。并在明确疲劳荷载应力水平、杂散电流强度和氯离子浓度对其以及界面微细观结构影响规律的基础上，探明宏观损伤与微细观损伤演变之间定量关系；然后通过多尺度过渡途径，将微细观损伤特性植入宏观表现中，建立基于界面微细观结构演变的多尺度腐蚀疲劳损伤模型，揭示地铁钢筋混凝土界面腐蚀疲劳损伤失效机理，为开发地铁高性能混凝土结构材料提供理论依据；同时采用有限元数值模拟地铁钢筋混凝土界面腐蚀疲劳损伤累积及渐近破坏过程，实现综合评价与预测实际地铁钢筋混凝土界面长期粘结性能。

地铁运营过程中产生的杂散电流易与氯离子和疲劳荷载构成腐蚀疲劳引起地铁钢筋混凝土提前损伤失效，而钢筋与混凝土界面发生脱粘是其破坏的主要表现形式。从工程结构耐久性及提升角度，急需探明地铁钢筋混凝土界面在此典型服役条件下的损伤退化机制。针对这一关键科学问题，本项目充分考虑地铁实际服役环境条件，选取合适的环境模拟试验参数，采用现代环境腐蚀动力学试验技术和方法对地铁钢筋混凝土在杂散电流、氯离子与疲劳荷载共同作用下的界面腐蚀疲劳损伤特性及失效机理进行了研究，并对其腐蚀疲劳损伤累积及渐近破坏过程进行了有限元仿真分析。取得的主要成果有：(1)研发了一种杂散电流、氯离子和疲劳耦合加载模拟实验装置，并发明了一种利用超声红外热像实时监测地铁钢筋混凝土界面粘结损伤方法；(2)探明了杂散电流、氯离子对地铁钢筋混凝土在疲劳荷载作用下的界面粘结性能、界面微细观结构的影响及其耦合作用机制；(3)采用杂交应力有限元方法建立了一种基于界面微细结构演变的地铁钢筋混凝土杂散电流腐蚀疲劳多尺度损伤模型，揭示了其损伤失效机理；(4)实现了地铁钢筋混凝土界面粘结杂散电流腐蚀损伤综合评估和预测。此外，此外，并引入地铁自密实超高性能混凝土及功能梯度结构设计理念，开展了地铁钢筋混凝土界面粘结性能提升技术探索工作。研究成果可为地铁钢筋混凝土界面腐蚀疲劳损伤失效机理揭示以及耐久性评估和研发高性能地铁混凝土结构新技术提供重要参考。发表学术论文15篇（SCI/EI收录5篇），申请3项国家发明专利（已授权1项）。培养江西省青年科学家（井冈山之星）和江西省土木工程“一流学科”学术骨干教师1名、中青年骨干教师2名、硕士研究生6名。