干濕循環(huán)和腐蝕環(huán)境下混凝土橋墩抗側(cè)向沖擊性能研究項目摘要

以濱海環(huán)境橋梁的橋墩為工程背景，擬通過理論、試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，探索在干濕循環(huán)和腐蝕環(huán)境長期影響下鋼筋混凝土橋墩抗側(cè)向沖擊能力的退化及其計算。以干濕循環(huán)制度和氯離子濃度為控制指標，基于試驗研究干濕循環(huán)和腐蝕環(huán)境對混凝土材料性能的影響；以落錘沖擊試驗獲得橋墩模型在沖擊過程的應(yīng)變時程曲線，由此計算割線斜率并將其等效為平均應(yīng)變率。.以應(yīng)變率為關(guān)鍵指標，基于CEB推薦的率型經(jīng)驗公式確定鋼筋和混凝土的動態(tài)強度以及混凝土動態(tài)斷裂應(yīng)變，以抗拉區(qū)邊緣混凝土動態(tài)斷裂應(yīng)變?yōu)槌休d力極限狀態(tài)，建立材料的動態(tài)本構(gòu)關(guān)系，確立鋼筋混凝土橋墩在側(cè)向沖擊荷載下的動態(tài)極限承載力計算模型。利用數(shù)值模擬方法，將模型試件層次的研究結(jié)果拓展到構(gòu)件，建立干濕循環(huán)和腐蝕環(huán)境長期影響下鋼筋混凝土橋墩抗側(cè)向沖擊動態(tài)極限承載力計算，為處于濱海環(huán)境遭撞擊受損的鋼筋混凝土橋墩剩余承載力評估以及新建橋墩設(shè)計提供參考。

本項目以濱海環(huán)境橋梁的橋墩為工程背景，通過理論、試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，探索在干濕循環(huán)和腐蝕環(huán)境長期影響下鋼筋混凝土橋墩抗側(cè)向沖擊能力的退化及其計算。 通過制作8根混凝土墩柱試件進行通電加速腐蝕后擬靜力加載試驗，研究獲得腐蝕鋼筋混凝土墩柱承受不同形式荷載作用下的性能變化，分析研究初始損傷裂縫、混凝土強度、保護層厚度及鋼筋直徑對保護層內(nèi)裂紋萌生、擴展及混凝土力學(xué)性能的影響。 用有限元軟件Open Sees和DIANA分別對墩柱建立纖維模型單元和二維平面應(yīng)力單元模型，用不同方法考慮鋼筋腐蝕，分析獲得鋼筋腐蝕對鋼筋混凝土墩柱滯回曲線，骨架曲線，耗能能力，延性，剛度退化，剛度退化等力學(xué)性能的影響。 通過以干濕循環(huán)和氯離子濃度為控制指標，基于試驗研究干濕循環(huán)和腐蝕環(huán)境對混凝土材料性能的影響，并通過落錘沖擊試驗完成15根不同腐蝕狀況的鋼筋混凝土墩柱的抗側(cè)向沖擊性能的試驗研究。 通過考慮混凝土墩柱的材料率效應(yīng)，鋼筋腐蝕力學(xué)性能退化，鋼筋混凝土腐蝕粘結(jié)性能退化以及沖擊侵徹性能，分析得到腐蝕鋼筋混凝土墩柱的極限狀態(tài)計算方法。 利用ANSYS/LS-DYNA對試驗進行數(shù)值模擬，通過鋼筋力學(xué)性能的退化模擬鋼筋腐蝕作用，綜合分析獲得腐蝕率和不同腐蝕形式對鋼混墩柱抗側(cè)向沖擊性能的影響。在此基礎(chǔ)上進行拓展，分析支座形式、混凝土強度、主筋腐蝕率、撞擊速度和次數(shù)以及撞擊接觸面結(jié)構(gòu)形式等各個因素對其抗側(cè)沖擊性能的影響。 使用支持向量機方法對重復(fù)荷載下受腐蝕的鋼筋混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能進行研究。獲得了基于機理建模的分段型和整體型的回歸公式以及基于黑箱建模的承載力預(yù)測模型以及最大裂紋寬度、跨中撓度和剛度的黑箱預(yù)報模型。使用支持向量機方法對受腐蝕鋼筋混凝土柱的沖擊性能進行了預(yù)報，包括單一通電加速和干濕循環(huán)銹蝕的銹蝕率預(yù)預(yù)測、沖擊荷載下的鋼筋應(yīng)變和混凝土應(yīng)變。 本項目研究獲得干濕循環(huán)和氯離子腐蝕對鋼筋混凝土橋墩抗側(cè)向沖擊性能的影響，建立干濕循環(huán)和腐蝕環(huán)境長期影響下鋼筋混凝土橋墩抗側(cè)向沖擊動態(tài)極限承載力計算，為處于濱海環(huán)境遭撞擊受損的鋼筋混凝土橋墩剩余承載力評估以及新建橋墩設(shè)計提供參考。 2100433B

干濕循環(huán)服役環(huán)境是混凝土結(jié)構(gòu)最典型、最嚴酷、最容易引發(fā)混凝土耐久性問題的外部環(huán)境。工程實踐表明，混凝土結(jié)構(gòu)在干濕循環(huán)下破壞的主要形式是初期的結(jié)構(gòu)表面有限條數(shù)的宏觀裂縫的形成和后期有害介質(zhì)沿裂縫滲入引發(fā)二次化學(xué)反應(yīng)，致使破壞模式逐漸發(fā)展成面層混凝土剝離、脫落、鋼筋外露。鑒于此，本項目擬從研究現(xiàn)代混凝土干濕循環(huán)環(huán)境下失水收縮和吸水腫脹的內(nèi)因- - 水分含量出發(fā)，通過研究水分變化與體積變形的關(guān)系，建立能夠統(tǒng)一描述失水收縮和吸水腫脹的物理模型。通過同時測定干濕循環(huán)下混凝土試件的自由變形和內(nèi)部濕度變化，深入研究混凝土干濕循環(huán)條件下的變形規(guī)律，揭示其變形產(chǎn)生的內(nèi)部機制，為建立統(tǒng)一的縮脹預(yù)測模型提供理論依據(jù)。同時本研究還將建立干濕循環(huán)下混凝土水分變化預(yù)測計算模型和相應(yīng)的收縮、濕脹應(yīng)力計算模型，并分析干濕循環(huán)參數(shù)、混凝土強度等級對脹縮應(yīng)力的影響。以期實現(xiàn)干濕循環(huán)環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)表層開裂的預(yù)測、預(yù)防與控制。

工程實踐表明，混凝土結(jié)構(gòu)開裂大多是由非荷載因素，即結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度及水分變化引發(fā)的混凝土體積膨脹或收縮，約束條件下導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)拉應(yīng)力大于材料抗拉強度所致。水既是水泥水化的必需物質(zhì)，同時也和多數(shù)混凝土性能的衰退過程相關(guān)聯(lián)。而導(dǎo)致混凝土內(nèi)部水分發(fā)生劇烈變化的外部環(huán)境最典型的是干燥與濕潤交替的環(huán)境，即通常所說的干濕循環(huán)環(huán)境。因此，混凝土結(jié)構(gòu)在干濕循環(huán)下服役的環(huán)境通常被認為是最典型、最嚴酷、最容易引發(fā)混凝土耐久性問題的外部環(huán)境。本項目針對干濕循環(huán)環(huán)境下混凝土性能衰退研究中存在的問題，在申請人已完成的“現(xiàn)代混凝土材料自身收縮與干燥收縮一體化研究”基礎(chǔ)上，將研究范圍由混凝土單調(diào)干燥擴展到干濕循環(huán)，研究干濕循環(huán)環(huán)境下混凝土的變形及其引發(fā)的內(nèi)應(yīng)力問題。研究從混凝土干濕循環(huán)環(huán)境下失水收縮和吸水腫脹的內(nèi)因—“水分含量”出發(fā)，通過研究水分變化與體積變形的關(guān)系，建立了能夠統(tǒng)一描述失水收縮和吸水腫脹的物理分析模型；通過測定混凝土試件的自由變形和內(nèi)部濕度、溫度變化，揭示其變形產(chǎn)生的內(nèi)部機制；在此基礎(chǔ)上，建立了干濕循環(huán)下混凝土結(jié)構(gòu)水分變化預(yù)測計算模型和相應(yīng)的收縮應(yīng)力計算模型，研究了干濕循環(huán)參數(shù)、混凝土強度等級對脹縮應(yīng)力的影響。與此同時，開展了現(xiàn)代混凝土自身與干燥收縮調(diào)控研究，提出了以預(yù)吸水多孔陶粒與面層永久性纖維水泥模板為技術(shù)基礎(chǔ)的普通與高強混凝土收縮調(diào)控措施，大幅度降低了中低強度混凝土干燥收縮的致裂風(fēng)險和高強、超高強混凝土自身收縮的致裂風(fēng)險。通過對本項目研究結(jié)果總結(jié)，共發(fā)表各類文章19篇，其中SCI期刊論文13篇，EI期刊論文6篇。

混凝土結(jié)構(gòu)在大氣環(huán)境中通常認為是耐蝕的，但在實際使用過程中，由于受環(huán)境因素的影響，會形成多種腐蝕形式，根據(jù)腐蝕機理分，其腐蝕形式可分為：物理作用、化學(xué)腐蝕、微生物腐蝕，

(1)物理作用。物理作用是指在沒有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生時，混凝土內(nèi)的某些成分在各種環(huán)境因素的影響下，發(fā)生溶解或膨脹，引起混凝土強度降低，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受到破壞。物理作用按照對混凝土影響的人小排序依次為：凍融循環(huán)、干濕循環(huán)和磨損。

凍融循環(huán)：由于混凝土是多孔隙結(jié)構(gòu)，在循環(huán)的凍融（冰凍侵蝕）作用下易于損壞。過冷的水在混凝土中遷移引起的水壓力以及水結(jié)冰產(chǎn)生體積膨脹，對混凝土孔壁產(chǎn)生拉應(yīng)力造成內(nèi)部開裂。

干濕循環(huán)：根據(jù)已有的金屬腐蝕電化學(xué)理論，對于極為干燥的狀態(tài)；混凝土內(nèi)缺乏鋼筋腐蝕電化學(xué)反應(yīng)所必須的水分，因此腐蝕無法進行；對于極為濕潤的狀態(tài)，混凝土內(nèi)部的孔隙充滿了水，此時鋼筋的腐蝕速度由氧氣在水溶液中的極限擴散電流密度所控制；對于干濕交替狀態(tài)，由于干燥和濕潤的交替進行，使得混凝土內(nèi)部相對既不非常干燥也不非常濕潤，這樣氧氣的供應(yīng)相對較為充裕，同時又能降低混凝土的電阻率，故將導(dǎo)致較高的鋼筋腐蝕速度。

磨損破壞：路面、水工結(jié)構(gòu)等受到車輛、行人及水流夾帶泥沙的磨損，使混凝土表面粗骨料突出，影響使用效果。當(dāng)混凝土表面受到?jīng)_擊、磨擦、切削等磨蝕破壞作用時，與混凝土耐磨相關(guān)的最大剪應(yīng)力發(fā)生在表面以下的次表面層．磨蝕破壞的作用力首先破壞混凝土表面的水泥石，集料逐漸凸出程度的增加，受磨蝕的作用力不斷加大，磨蝕速度隨之增加。由此可見，如果混凝土水泥石含量較大，混凝土中集料與水泥石的磨蝕破壞難以趨于半衡，水泥路面的磨耗也會持續(xù)下去。

(2)化學(xué)腐蝕?；瘜W(xué)腐蝕是指混凝土中的某些成分與外部環(huán)境中腐蝕性介質(zhì)（如酸、堿、鹽等）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成新的化學(xué)物質(zhì)而引起混凝土結(jié)構(gòu)的破壞。從破壞機理上來分，化學(xué)腐蝕可歸納為兩大類：溶解性侵蝕和膨脹性侵蝕。常見的化學(xué)腐蝕有：硫酸鹽腐蝕、堿一骨料反應(yīng)、碳化現(xiàn)象、氯離子侵蝕。

硫酸鹽腐蝕：硫酸鹽腐蝕是化學(xué)腐蝕中最廣泛和最普遍的形式。

堿一骨料反應(yīng)：堿一骨料反應(yīng)是指來自混凝土中的水泥、外加劑、摻合劑或攪拌水中的可溶性堿（鉀、鈉）溶于混凝土孔隙中，與骨料中有害礦物質(zhì)發(fā)生膨脹性反應(yīng)，導(dǎo)致混凝土膨脹開裂破壞。

碳化現(xiàn)象：空氣中二氧化碳與水泥石中的堿性物質(zhì)相互作用，降低混凝土的堿度，破壞鋼筋表面的鈍化膜，使混凝土失去對鋼筋的保護作用。同時，混凝土碳化還會加劇混凝土的收縮，這些都可能導(dǎo)致混凝土的裂縫和結(jié)構(gòu)的破壞。

氯離子侵蝕：氯離子到達混凝土鋼筋表面，吸附于局部鈍化膜上，降低了pH值，破壞鋼筋表面的鈍化膜，使鋼筋表面形成電位差。氯離子將促進腐蝕電池，卻不會被消耗，降低陰陽極之間的歐姆電阻，加速電化學(xué)腐蝕過程。

(3)微生物腐蝕。微生物腐蝕有相當(dāng)?shù)钠毡樾裕彩桥c水、土壤或潮濕空氣相接觸的設(shè)施，都可能遭受到微生物的腐蝕。生物對混凝土的腐蝕大致有兩種形式：①生物力學(xué)作用。生長在基礎(chǔ)設(shè)施周圍的植物的根莖會鉆人混凝土的孔隙中，破壞其密實度。②類似于混凝土的化學(xué)腐蝕。典型的是硫化細菌在它的生命過程中，能把環(huán)境中的硫元素轉(zhuǎn)化成硫酸。