混凝土冻融环境区划与抗冻性寿命预测

针对现场冻融环境和室内冻融环境间的巨大差异,建立室内冻融试验与现场冻融之间的关系和衡量混凝土现场冻融环境作用效应强弱的量化方法.结合我国部分地区的实测或统计年均冻融循环次数,以年均负温天数为指标建立现场冻融循环次数的统计方法,进一步给出计算现场冻融循环次数的实用公式.以环境的平均降温速率为指标,基于静水压理论,针对饱水状态下的混凝土得到不同冻融环境下混凝土损伤之间的比例关系,给出室内等效冻融循环次数的计算方法,利用室内等效冻融循环次数对混凝土抗冻耐久寿命进行预测.以等效室内冻融循环次数为量化指标完成了全国冻融环境的耐久性影响程度区域等级的划分,提出利用区划图进行耐久性设计的方法.     

冻融循环作用下透水再生混凝土损伤分析及寿命预测

为了研究冻融循环作用下透水再生混凝土的损伤情况及寿命预测方法,基于透水再生混凝土发生疲劳破坏和冻融破坏的冻融机理相类似,采用了分析疲劳破坏的方法,对透水再生混凝土冻融循环损伤进行研究。结果表明:试验数据中冻融循环次数较好地服从两参数Weibull概率分布,并基于Weibull分布模型,推导出不同损伤度下考虑再生混凝土粗骨料取代率影响的分布模型参数及冻融循环次数,提出了相应的损伤度演化方程,为透水再生混凝土冻融损伤寿命预测提供依据及参考。     

冻融循环作用下混凝土材料寿命评估方法

为判断服役混凝土材料能否在设计基准期内实现预定的使用功能,提出基于材料学的计算准则来评估冻融循环作用下混凝土材料的寿命.推导两参数Weibull分布的概率分布函数和相对动弹性模量损失率的关系,建立基于概率论和损伤理论的混凝土冻融损伤模型,并论证其适用性.在此模型基础上进一步提出混凝土等效冻融损伤模型,将各混凝土冻融循环试验的结果统一.结果表明,采用基于概率论和损伤理论建立的混凝土冻融损伤模型预测混凝土材料寿命是合适的.     

冻融环境下混凝土力学性能试验及损伤演化

在我国西部寒区,冻融作用往往是导致混凝土破坏的主要因素之一。通过对饱水状态下的多组混凝土试样进行冻融循环试验,并对试验后的试样进行了单轴压缩试验,从损伤和能量耗散的角度对试样进行了力学性能的分析;运用CT细观试验的方法初步对经历不同冻融循环次数下的试样进行了细观结构分析。通过试验研究,得到了饱水状态下混凝土材料的冻融破坏特征,以及不同冻融循环次数下试样质量、单轴应力-应变全过程曲线、抗压强度、能量耗散和细观结构的变化特征,系统研究了冻融循环下混凝土主要物理力学性能及损伤演化规律,为寒区重大工程冻融灾变预测提供较可靠的基础依据。     

冻融环境下混凝土应力-应变关系的试验研究

采用ASTM C666快速冻融方法,对18个(6组)抗冻等级为D300的混凝土棱柱体试件分别进行N=0、100、150、200、250、300次冻融循环试验,并利用SEM扫描电镜观察冻融作用前后混凝土内部显微结构的变化,最后对各组试件进行单轴受压破坏试验,得到了不同冻融循环次数作用后混凝土的应力-应变试验曲线.根据试验结果,得出了混凝土随着冻融循环作用次数的增多,其内部结构以及各项基本力学性能(包括极限承载力、横向变形系数、弹性模量等)均呈现不同程度的衰减趋势,并建立了与相对动弹模损失率相关的应力-应变全曲线方程及相关参数,为进一步开展混凝土结构在冻融环境下的工作机理与计算模式的研究提供依据.     

混凝土冻融损伤特性分析及寿命预测

通过对混凝土冻融损伤特性的分析,混凝土冻融破坏可以用与疲劳问题相类似的方法来分析.混凝土材料特性的离散性.导致在给定损伤量状态下的冻融循环次数是一个随机变量,分析发现它较好地服从三参数Weibull分布.基于三参数Weibull分布模型,在已有试验数据的基础上,建立了冻融环境下混凝土损伤量与冻融循环次数的概率关系曲线,并回归得到不同保证率下冻融循环累积损伤模型.为冻融环境下混凝土寿命预测以及健康诊断提供了参考依据.     

冻融作用下自密实混凝土疲劳寿命可靠性分析

为了研究冻融损伤对自密实混凝土弯曲疲劳寿命的影响,对经受不同冻融循环后的混凝土试块进行了不同应力水平下的四点弯曲疲劳试验,并利用矩估计法获得了混凝土试块的弯曲疲劳寿命Weibull分布参数,建立了经受不同冻融循环后的混凝土试块在不同可靠性概率下的疲劳寿命预测模型。研究结果表明:受冻自密实混凝土的疲劳寿命概率分布可以用两参数Weibull分布表征,得出自密实混凝土疲劳寿命的离散性随冻融次数的增加而增大,随应力水平的增大而减小;根据试验数据生成了自密实混凝土的P_f-S-N曲线,可准确预测经受不同冻融循环后自密实混凝土的弯曲疲劳寿命;自密实混凝土的疲劳寿命所需的安全系数随冻融循环次数的增加而不断增大,这说明对经受冻融损伤较严重的自密实混凝土,其弯曲疲劳寿命必须采用较大的安全系数才能保证结构的安全运行。     

基于CT技术的混凝土冻融环境下细观损伤机理的试验研究

应用CT技术对冻融环境下的混凝土破损全过程进行了追踪,获得了不同冻融循环次数下混凝土细观结构变化特征.运用图像处理技术初步分析了冻融环境下混凝土细观损伤扩展的演化过程;并以图像中CT均值的变化为基础,建立了基于细观统计力学的损伤变量与冻融循环的关系曲线,以此对冻融循环条件下混凝土细观结构的损伤演化规律及破损机理进行了定量研究.结果表明:试样内部CT均值以及损伤变量的变化趋势表征了经过冻融循环后混凝土材料从初始细观损伤到表现出宏观力学性能劣化的全过程,为从细观试验角度解释混凝土在冻融环境下的宏观变化规律提供了一种可行的方法.     

硫酸盐与冻融环境下混凝土本构关系研究

为了研究硫酸盐与冻融环境下混凝土单轴受压应力—应变关系,对水中和质量分数为5%硫酸钠、5%硫酸镁溶液中冻融作用下的混凝土进行单轴受压试验,分析了硫酸盐溶液与冻融循环对混凝土峰值应力、峰值应变、弹性模量及单轴受压应力—应变全曲线的影响,并对损伤层混凝土的力学性能进行分析。结果表明：混凝土应力—应变曲线随冻融时间增加逐渐趋扁平,整体右移,硫酸盐溶液中冻融300次后的混凝土应力—应变曲线上升段轻微上扬,并出现下凹现象。随着冻融次数增加,混凝土峰值应力、弹性模量不断下降,峰值应变逐渐增加,硫酸镁溶液中混凝土表现更明显,混凝土抗冻性最差。通过回归分析,建立了硫酸盐与冻融循环作用下混凝土单轴受压应力—应变全曲线方程,并得到了不同冻融次数下损伤层混凝土峰值应力的确定方法。     

冻融环境下沙漠砂对混凝土轴心受压力学性能的影响

为研究沙漠砂对混凝土抗冻性能的影响,采用快速冻融方法,进行掺沙漠砂混凝土冻融后轴心抗压强度试验,得到不同冻融循环作用下掺沙漠砂混凝土破坏特征和应力-应变曲线,分析不同冻融循环下掺沙漠砂混凝土表面损伤特征、质量损失率、动弹性模量损失率和超声波波速损失率的变化规律.结果表明:随着冻融循环次数增加,掺沙漠砂混凝土质量损失率变化较小,动弹性模量损失率、超声波波速损失率、相对峰值应变和极限应变均增大,相对峰值应力和横向变形系数均减小,弹性模量先增大后减小;在相同冻融循环次数下,掺沙漠砂混凝土弹性模量损失率、超声波波速损失率和相对峰值应变均小于普通混凝土,相对峰值应力、横向变形系数和弹性模量比普通混凝土高.采用过镇海提出的单轴受压本构模型拟合得到应力-应变全曲线方程,分析冻融循环对应力-应变曲线控制参数的影响,可对沙漠砂混凝土结构的抗冻性能进行分析.     

基于灰色理论的混凝土梁冻融后质量损失率预测

目的对冻融循环作用后,混凝土强度等级为C30的钢筋混凝土梁的质量损失率进行定量分析,为建筑结构设计和耐久性检测提供参考．方法引入控制论当中的灰色预测理论对冻融循环试验结果进行分析,在此基础上对试验结果的平均值进行预测分析并得出规律．结果对两组冻融循环作用180次的试验数据以及数据的平均值进行预测,得出钢筋混凝土梁的质量损失率与冻融循环作用次数之间的关系式,且计算结果与试验结果之间的残差值在理论控制范围内．结论通过对比分析三个曲线方程,得出其中最适合表达混凝土梁质量损失率与冻融循环次数之间关系的曲线方程,且推导出的方程可以用于实际工程计算和分析．     

冻融作用对混凝土跨海大桥桥墩稳定性影响研究

北方海域海水冻融作用对混凝土跨海大桥的安全稳定性具有重要的影响,针对该问题,通过室内冻融试验研究得出了青岛海湾大桥桥墩混凝土在冻融循环作用下的极限抗压强度及其峰值应变、极限抗拉强度、弹性模量等力学性能指标随不同冻融循环次数的衰退规律,并推导出混凝土冻融损伤本构方程.根据室内外试验的对比关系,得出了桥墩混凝土结构各力学性能指标随结构服役时间的退化规律及不同服役期内混凝土的冻融损伤本构方程.建立了青岛海湾大桥沧口段航道桥过渡墩基础的3维有限元模型,应用非线性理论对过渡墩基础进行了数值分析,得出了不同服役期内该混凝土过渡墩基础的最大应力与最大竖向位移的产生位置及其随时间的变化趋势,并分析了其安全性规律,得出了若干结论,可为工程前期设计及后期维修加固提供一定的参考依据.     

原状黄土冻融过程抗剪强度劣化机理试验分析

通过对西安Q₃原状黄土在封闭系统冻融作用下的电镜扫描和直剪试验,研究了冻融作用对原状黄土微观结构和强度的影响。试验表明：冻融过程中原状黄土微观结构发生显著变化,大颗粒集粒数量明显减少,小粒径土颗粒所占比重增加,孔隙面积比增加。进一步基于损伤力学理论,得到微观结构冻融损伤度随冻融次数增加呈指数增加趋势,反映出冻融作用一定程度上破坏黄土体的结构强度,但多次冻融后黄土体结构强度趋于稳定的残余强度。冻融过程土样表面结构发生破坏,且含水率越高,土体表面特征破坏越严重。粘聚力随冻融次数增加呈指数衰减趋势,且含水率越高,粘聚力衰减幅值和速率越小;粘聚力随含水率增加表现出线性衰减特征,且冻融后粘聚力与含水率的变化规律近似重合;内摩擦角无明显规律性变化。粘聚强度冻融损伤系数随冻融次数增加呈指数增加趋势,随含水率升高有增大趋势。基于试验数据规律性,进一步提出了原状黄土粘聚强度劣化模型,该模型经试验验证可较好描述原状黄土粘聚强度劣化规律。     

冻融后钢纤维混凝土力学性能的试验研究

通过钢纤维混凝土冻融循环试验,分析了冻融循环次数、混凝土强度等级、钢纤维体积率等因素对钢纤维混凝土冻融后抗压强度、劈拉强度、抗折强度的影响,探讨了钢纤维对混凝土的增强机理.试验结果表明,钢纤维的加入对冻融循环后混凝土的抗压强度影响较小;当冻融循环次数较少时,钢纤维对劈拉强度和抗折强度的增加作用比较明显,而当冻融次数较大且钢纤维体积率较高(2%)时,钢纤维对混凝土的劈拉强度和抗折强度反而具有一定的负面影响;钢纤维混凝土强度等级的提高对改善钢纤维混凝土的抗冻性能较为有效.     

冻融循环作用下煤矸石混凝土的损伤特性及本构关系

考虑煤矸石粗骨料取代率（0、20%、40%、60%）的影响,开展冻融循环试验、单轴受压本构试验及声发射检测试验,研究煤矸石混凝土的损伤本构模型。研究结果表明：不同取代率的煤矸石混凝土的相对峰值应变与冻融损伤值具有较高的相关性,所得冻融损伤值与相对峰值应变的方程可为本构模型的建立提供有效参数。煤矸石混凝土声发射特性与其荷载损伤发展情况、力学性能、应力–应变曲线有紧密联系,基于受压声发射特性,采用PBS平行杆力学模型建立了未冻融循环作用下煤矸石混凝土的荷载损伤模型,并结合其冻融损伤模型,建立了煤矸石混凝土冻融损伤本构关系,计算结果与试验数据符合较好。该模型能较准确地反映混凝土在冻融和单轴受压荷载作用下的全过程损伤特征。     

基于GM(1,1)的应力损伤轻骨料混凝土抗冻性评估

对灾变后轻骨料混凝土抗冻融性能评估的关键在于对其在特定灾变程度下抗冻融性能的精确定量描述及预测。通过反复加载对轻骨料混凝土预加初始应力损伤来模拟灾变,以相对动弹性模量为评价指标,研究初始损伤度分别为0、0.05、0.12、0.19、0.27的轻骨料混凝土抗冻融性能;将灰色系统理论引入混凝土抗冻耐久性研究中,利用相对动弹性模量实测数据建立基于GM(1,1)的应力损伤轻骨料混凝土抗冻融性能预测模型,与修正的Loland混凝土损伤模型对比并进行精度分析;借助建立的GM(1,1)预测模型定量研究初始应力损伤对轻骨料混凝土抗冻耐久性的影响并预测其抗冻耐久寿命。结果表明：初始应力损伤会加速轻骨料混凝土抗冻融性能劣化,且初始损伤度越大劣化速率越快;各初始损伤度下GM(1,1)模型的平均相对误差均小于4.5%,GM(1,1)模型的预测精度整体上优于修正Loland模型;轻骨料混凝土自身具有良好的抗冻融性能,在内蒙古中西部地区抗冻耐久寿命可达45年,当初始损伤度为0.05、0.12、0.19、0.27时,抗冻耐久寿命分别缩短至30年、25年、17.5年、10年。基于GM(1,1)的应力损伤轻骨料混凝土抗冻融性能预测模型可实现对灾变后轻骨料混凝土全寿命周期内抗冻融性能较为精确的定量评估,为指导北方寒旱区轻骨料混凝土工程实践提供理论依据。     

青岛海湾大桥混凝土墩的时变可靠度

分析了北方海域混凝土结构时变可靠度产生的原因,通过大量室内冻融试验研究,得出了混凝土结构在冻融作用下的弹性模量、抗拉、抗压等力学性能指标的损伤规律。建立了混凝土墩力学参数随冻融次数的衰减规律,继而转化为强度随时间的衰减规律。推导了混凝土结构在冻融环境下的时变可靠度的计算方法,并应用可靠度理论对海湾桥沧口段航道桥墩柱下部结构进行了数值分析,得出可靠度随时间的变化规律,为维护决策提供依据。     

冻融循环作用后圆钢管混凝土界面粘结性能试验研究

为研究冻融循环作用后圆钢管混凝土界面粘结滑移性能,以冻融循环次数、钢管壁厚、混凝土强度为变量,设计21个试件进行推出试验,分析冻融损伤后圆钢管混凝土柱粘结强度、荷载—滑移及钢管应变的变化规律。结果表明：经冻融循环作用后圆钢管混凝土柱的荷载—滑移曲线与未经冻融试件趋势相似,均可分为上升段、下降段、残余段;受冻融循环作用影响的圆钢管混凝土柱界面粘结性能下降,粘结强度与冻融循环次数成反比,界面滑移量总体呈上升趋势;增大套箍系数可增大试件界面粘结强度,提高圆钢管混凝土柱抗冻性能。根据试验结果,提出考虑冻融循环次数和套箍系数的圆钢管混凝土柱粘结强度计算表达式,计算结果与试验结果吻合良好。