考虑疲劳损伤影响的混杂纤维混凝土冻融破坏机理与模型研究

Hybrid fiber reinforced concretes are used as tunnel lining, bridges, roads, dams and other major projects, which mostly are in relatively harsh environments, exposured to wind and rain and corrosive medium erosion and the durability is a serious problem. So far, the effect and mechanical properties of hybrid fiber was mostly studied in the engineering fields. However, their durability was insufficiently concerned. According to the characteristics of hybrid fiber reinforced concretes in the cold regions in this project, the durability damage caused by the interaction of various factors in the environment and the hybrid fiber reinforced concrete durability research in freeze-thaw environment are researched. Steel-polypropylene fiber reinforced concrete damage mechanism of freeze-thaw damage and chloride ion penetration mechanism are studied by advanced micro-test analysis methods, the combination of laboratory environment simulation and theoretical analysis from the analysis of the microscopic structure of the hybrid fiber reinforced concrete. On this basis, the interaction mechanism of chloride and fatigue load on the hybrid fiber reinforced concrete to freezing and thawing damage is further analysed. Freeze-thaw damage model and life prediction model are established. All those work provides technical support for the application of the hybrid fiber reinforced concretes in the fierce conditions.

混杂纤维混凝土以优异的性能已广泛应用于恶劣环境的道路、桥梁、机场跑道等重大工程中，这些结构在环境腐蚀介质和车辆疲劳荷载共同作用下的耐久性破坏极为严重，而目前的研究大都集中在纤维混杂效应及力学性能方面，对耐久性问题重视不够。本项目以寒冷地区混杂纤维混凝土工程为背景，以冻融破坏引起的混杂纤维混凝土性能退化为主线，考虑环境因素与疲劳荷载的共同作用，采用先进的材料微观测试、实验室模拟试验与理论分析相结合的方法，系统开展钢-聚丙烯混杂纤维混凝土冻融损伤机理与模型研究。从混杂纤维混凝土微观结构分析入手，揭示混杂纤维混凝土冻融与盐冻破坏机理及性能退化规律，分析疲劳损伤对混杂纤维混凝土冻融破坏的影响机理与规律，建立多因素共同作用下混杂纤维混凝土冻融损伤模型与寿命预测模型，实现对冻融环境混杂纤维混凝土的耐久性寿命预测。为混杂纤维混凝土在工程中的推广应用提供理论基础与技术支撑，具有重要的理论意义与实际意义。

混杂纤维混凝土多用于桥梁、路面、机场跑道等重大工程，这些重大结构工程的服役环境往往比较恶劣，大都处于露天环境，长期遭受风吹雨淋及各种腐蚀介质的侵蚀，耐久性问题非常突出。本项目从混杂纤维混凝土微观结构分析入手，综合考虑环境因素与疲劳荷载的共同作用，系统研究冻融环境多因素共同作用下混杂纤维混凝土耐久性，揭示了混杂纤维混凝土的冻融与盐冻损伤机理和耐久性能退化规律，分析了疲劳荷载作用对混凝土冻融损伤的影响机理及规律，主要研究成果如下：.（1）首先采用正交试验的方法，研究各因素对混杂纤维混凝土力学性能的影响规律，并进行了配合比优化。并从微观角度分析纤维对混凝土宏观力学性能和耐久性能的影响机理。（2）开展了单掺纤维混凝土冻融试验，大掺量聚丙烯纤维混凝土表现出优异的抗冻性。（3）进行了混杂纤维混凝土冻融损伤试验研究，低掺量聚丙烯纤维和高掺量钢纤维复合，或者低掺量钢纤维和高掺量聚丙烯纤维复合掺入混凝土时，抗冻性能较好；钢纤维掺量增加能有效提高混杂纤维混凝土的抗冻性。（4）钢-聚丙烯混杂纤维混凝土遭受300次冻融循环损伤后，破坏过程中仍会表现出一定的韧性特征；钢纤维掺量增加能够明显提高混杂纤维混凝土的冻后韧性；裂后强度和改进的日本JCI弯曲韧性系数更适合钢-丙烯混杂纤维混凝土。（5）采用氯化钠溶液中自然浸泡的试验方法，研究了纤维混凝土氯离子扩散性能，分析了纤维掺量和水胶比对纤维混凝土在氯离子侵蚀前后的劈拉强度、自由氯离子含量和氯离子扩散系数的影响。（6）开展了氯盐-冻融双因素共同作用下混杂纤维耐久性能试验研究，适量的钢-聚丙烯混杂纤维掺入混凝土中对其抗盐冻性能有较大提高，钢纤维1%、聚丙烯纤维0.1%抗盐冻性能优异；用超声波法测得的相对动弹性模量不适用于评价混杂纤维混凝土盐冻损伤程度；在盐冻环境下，混杂纤维混凝土抗压强度损失率大于劈拉强度损失率。（7）开展了混凝土疲劳荷载后盐雾试验，并基于Fick第二定律氯离子扩散模型，引入疲劳荷载影响系数，建立了考虑疲劳损伤混凝土氯离子扩散模型。.本项目通过系统深入地开展疲劳荷载和冻融环境共同作用下钢-聚丙烯混杂纤维混凝土耐久性研究，探明了纤维混杂对复杂环境中混凝土抗冻性能的影响机理及规律，为混杂纤维混凝土在寒冷地区工程，特别是路面工程中的应用与推广奠定了理论基础；并为实际工程中纤维掺量的选择提供技术支撑，具有较显著的经济效果。