多因素耦合作用下高性能混凝土的长期物理力学性能研究

摘要

桥梁的生存环境复杂多样，外部荷载和各种环境侵蚀因素交互作用，使得混凝土材料长期性能不足，严重影响了桥梁结构的服役寿命。现有混凝土耐久性试验方法在试验制度和评价指标方面普遍存在设计不合理的问题，导致混凝土材料劣化试验结果缺乏规律性的总结和分析。本文针对典型腐蚀环境因素包括硫酸盐侵蚀、干湿循环、冻融循环、氯盐等以及弯曲荷载因素的交互作用，研究了高性能混凝土长期物理力学性能的室内加速试验方法及性能演变规律，开展了高性能混凝土的长期性能评估和寿命预测分析，以期为改善我国混凝土桥梁的建设质量、保证使用寿命提供技术支持。本文主要的研究内容如下：
　　 （1）选取了我国内陆桥梁典型腐蚀环境因素与弯曲荷载因素进行组合，建立了多因素耦合作用下桥梁混凝土物理力学性能演变规律的室内加速试验方法。
　　 （2）采用建立的加速试验方法，定量研究了多因素耦合作用下桥梁高性能混凝土的长期物理力学性能演变规律及其与组成材料之间的关系。冻融循环和氯盐-冻融循环作用下混凝土的物理力学性能演变过程分为缓慢劣化段和加速劣化段，可用二次多项式表示，在此基础上建立了矿物掺合料掺量对混凝土性能演变方程的影响函数，矿粉和引气剂的掺入有效延缓了侵蚀过程中混凝土性能的劣化；干湿循环-硫酸盐侵蚀作用下混凝土的物理力学性能演变过程分为增长段和劣化段，混凝土质量损失率、抗压强度、抗折强度和氯离子扩散系数的演变过程可用二次多项式表示，相对动弹性模量的演变过程符合高斯曲线，在此基础上建立了水胶比和矿物掺合料掺量对混凝土性能演变方程的影响函数，早强剂和引气剂的掺入延缓了粉煤灰混凝土的性能劣化；在荷载-干湿循环条件下，矿物掺和料的掺入减小了混凝土的氯离子渗透深度，早强剂和引气剂的掺入提高了侵蚀过程中混凝土的氯离子渗透深度值；在荷载-氯盐-冻融循环耦合作用下，矿物掺合料和引气剂的掺入降低了混凝土的强度损伤。
　　 （3）采用 XRD、SEM-EDS、MIP等亚微观测试手段，结合损伤理论分析，研究了多因素耦合作用下混凝土的长期性能劣化机理。在干湿循环-硫酸盐侵蚀作用下，石膏、钙矾石等侵蚀产物的形成以及硫酸钠的反复溶解结晶会导致裂纹的形成。氯盐-冻融循环侵蚀作用下，氯离子与水化铝酸盐反应生成了氯铝酸钙，促使了 AFm向 AFt的转化。环境因素与荷载因素交互作用下，弯曲荷载加速了环境侵蚀进程，环境侵蚀的加剧反过来又会在混凝土内部产生附加荷载的作用。
　　 （4）应用灰色系统理论，通过建立灰类评估参数，分析混凝土材料因素、环境侵蚀因素与混凝土抗压强度间的相关性，构建多元灰预测模型，形成了多因素耦合作用下桥梁混凝土的长期物理力学性能评估和寿命预测体系；开展了干湿循环-硫酸盐侵蚀作用下 C50桥梁高性能混凝土的长期性能评估和寿命预测分析，据此提出可通过减小水胶比、掺入矿粉和适量粉煤灰来改善混凝土的抗干湿循环-硫酸盐侵蚀性能，提高其服役寿命，当粉煤灰掺量较大时，可同时掺入早强剂或引气剂以保证其抗侵蚀性能。