荷载/盐溶液干湿循环下钢筋混凝土界面行为演化规律

The bond between steel and concrete is the fundamental guarantee for improve the high durability of reinforced concrete structure. The collapse of reinforced concrete structures before the designed time is the result from both the chemical evolution of internal concrete and decreasing of structural capacity, and the interface between concrete and steel bars is the weak link. Focus on the joint reaction of flexural load, chloride salt and drying-wetting cycle, the changing of physical and mechanical properties of the interfacial zone during the damage process of reinforces concrete is studied. The positive and negative effects of material constituent (including the paste, mix proportions and aggregate) and outside environment (load, salt solution and drying-wetting cycle) on damage process of reinforced concrete are studied quantitatively, the environmental effect during the damage process is analyzed, and the constitutive damage model is established based on the interfacial damage process between concrete and steel bars. The microstructural changing of the interface between concrete and steel bars during the damage process is investigated by Field emission scanning electron microscopy (FE-SEM) and Backscattered electron imaging (BEM) techniques. The detailed methods to improve the durability of the interface between steel bars and concrete are proposed, and this will provide theoretical and scientific basis for durability design of reinforced concrete structures.

钢筋和混凝土之间的协同工作能力是钢筋混凝土高耐久性的根本保障，多重因素作用下钢筋混凝土结构的过早失效是环境作用诱发混凝土内部化学演变和结构承载力下降双向作用的结果，而钢筋与混凝土界面仍是其薄弱的环节。本课题针对弯曲荷载、氯盐和硫酸盐干湿交替双重和多重环境影响因素作用，研究钢筋混凝土损伤失效过程中，其界面区域环境的物理、力学性能的变化。定量分析混凝土材料本身（包括浆体、配合比、集料）和外界环境（荷载、盐溶液及其干湿循环）对钢筋混凝土损伤过程中的正负效应及其规律，解析钢筋混凝土损伤或失效过程中环境因素的作用，并建立环境因素下基于钢筋混凝土界面损伤因素的损伤本构模型；利用场发射电子扫描电镜和背散射电子成像技术研究钢筋与混凝土界面微结构在损伤演变过程中的变化及其微观表征，并提出解决多重破坏因素作用下提高钢筋混凝土界面耐久性的具体措施，为钢筋混凝土结构耐久性设计提供理论和科学依据。

冻融损伤是造成混凝土耐久性降低的一个重要原因。经历冻融作用的混凝土结构，力学性能发生变化，极大地缩短了使用年限。目前，有关混凝土材料冻融循环的试验研究、损伤机理、基本物理力学性能的变化规律均有一定的研究成果，但对于冻融损伤混凝土力学性能的研究还不够完善，尤其是针对动态力学性能和往复轴拉力学性能的研究还很少，而混凝土力学性能是进行混凝土结构安全性评价的重要参数。因此，系统地研究冻融损伤混凝土力学性能的变化规律对确保冻融环境下服役的混凝土结构安全具有重要的意义。.利用分离式霍普金森杆（SHPB）对冻融损伤混凝土进行了动态压缩、动态劈拉以及动态弯拉的力学试验；利用MTS试验机对冻融损伤混凝土进行了往复轴拉试验；通过压汞（MIP）和扫描电镜（SEM）分析，探讨了冻融循环的作用机理。主要研究成果如下：.（1）冻融损伤混凝土的率敏感性十分明显，随着应变率的提高，动态抗压强度明显提高；随着冻融次数的增加，其强度降低，峰值应变增大；基于Weibull分布模型提出了一种冻融损伤混凝土峰前段动态抗压损伤本构模型；利用分形模型得到了在不同冲击速度和不同冻融循环次数下的普通混凝土碎渣的分形维数。.（2）冻融损伤混凝土的动态劈拉强度与动态断裂韧度随冻融循环次数的增加而减小，随着加载速率的增大而增大，得到了混凝土动态劈拉强度及动态断裂韧度与冻融次数以及加载速率的数学模型。.（3）随着冻融次数增加，单调轴拉强度和初始刚度降低；轴拉全曲线峰后段，随着卸载应变的增加，塑性应变增大，刚度逐渐下降，并且塑性应变积累速率及刚度下降速率均随着冻融次数的增加而加快；通过峰后高应力循环，发现随着循环次数的增加，轴向单位体积耗散能先显著减少，后缓慢稳定的降低；随着冻融次数的增加，混凝土在受循环荷载作用时，试件自身能量消耗增大，更易发生破坏。.（4）随着冻融次数的增加，普通混凝土的孔隙率、最可几孔径与临界孔径均增大，无害孔与少害孔逐渐减少，有害孔和多害孔增多；不论普通混凝土还是引气混凝土，在经过一定次数的冻融循环，混凝土内部孔隙均出现大量裂缝，形成大量的长满针状钙矾石的中空球，极大的降低了混凝土抗胀缩能力。