現(xiàn)代高性能混凝土疲勞損傷規(guī)律、機理及數(shù)值模型.pdf

1、近年來,隨著中國綜合國力的增強以及城市化建設(shè)進程的推進,大量公路和高速公路、橋梁、高速鐵路、港口、碼頭、機場、水電(大壩)、隧道、涵洞、防護、南水北調(diào)、西氣東輸?shù)鹊戎卮蠊こ陶谌媾d建。并且將持續(xù)相當(dāng)長時期。這些大型和特大型工程的建造,均使用了摻有粉煤灰或磨細礦渣的現(xiàn)代高性能混凝土材料。其中,在重大橋梁和道路工程中,混凝土結(jié)構(gòu)均需要承受由于車輛運行、風(fēng)荷載等因素引起的振動和疲勞作用,這類混凝土結(jié)構(gòu)如若突發(fā)地失效斷裂,則會給人民生命財產(chǎn)安

2、全帶來巨大威脅。縱觀國內(nèi)外相關(guān)主題的研究成果,至今無可靠的針對現(xiàn)代高性能混凝土疲勞壽命的預(yù)測模型；其疲勞損傷機理尚缺乏全面、系統(tǒng)的研究；對這類混凝土疲勞性能與其微觀結(jié)構(gòu)演變之間的定量關(guān)系以及可靠表征該定量關(guān)系的數(shù)值模型研究及模擬結(jié)果,尚未見報導(dǎo)。因此,這些重大工程在設(shè)計階段提出的使用壽命迫切需要由充分的試驗研究結(jié)果以及可靠的數(shù)值模型來進行支持和保證,并且,深入了解這類服役環(huán)境下粉煤灰及磨細礦渣對混凝土材料疲勞性能以及疲勞損傷機理的影響規(guī)

3、律,不僅是本課題的研究內(nèi)容和研究目標(biāo),也是承受疲勞荷載作用的國家大型混凝土結(jié)構(gòu)工程中急需解決的問題之一。 本文以不同比例以及不同摻加方式摻入不同類型礦物摻和料的現(xiàn)代高性能混凝土為研究主體,以礦物摻和料對混凝土疲勞損傷規(guī)律及疲勞損傷機理的影響為研究目標(biāo),采用了多種先進的實時監(jiān)測技術(shù)手段,并基于細觀力學(xué)理論建立了2D細觀混凝土疲勞損傷有限元模型。對8個系列混凝土以及4個系列砂漿基體、4個系列砂漿-粗集料界面區(qū)的靜載、疲勞性能以及疲勞

4、損傷規(guī)律進行了大量試驗和數(shù)值模擬研究。 首先,對混凝土及其細觀結(jié)構(gòu)組分(砂漿基體、砂漿-粗集料界面區(qū)、粗集料母巖)的靜載力學(xué)性能、疲勞性能及疲勞損傷規(guī)律分別進行了測試和分析,從試驗的角度研究了混凝土主要細觀結(jié)構(gòu)組分力學(xué)性能對混凝土宏觀疲勞行為及其力學(xué)參數(shù)的影響規(guī)律。 在固定砂率38％、水泥用量480kg/m3、水膠比0.35、粗集料最大粒徑20mm等因素的基礎(chǔ)上,采用單摻30％、50％質(zhì)量分?jǐn)?shù)I級粉煤灰、單摻30％、50

5、％、80％質(zhì)量分?jǐn)?shù)S95級磨細礦渣、復(fù)摻15％/35％、20％/30％粉煤灰/磨細礦渣的方式等量取代水泥,制備了設(shè)計強度為C50的8個系列高性能混凝土抗彎試件(試件尺寸100mm×100mm×400mm)。不僅測試并分析了不同養(yǎng)護齡期8個系列混凝士試件的抗壓強度、抗彎強度、劈拉強度、斷裂能、孔隙率、彈性模量、泊松比、混凝土粘滯裂紋的表面粘滯力、主裂紋開口位移、混凝土粘滯能、有效裂紋長度以及靜態(tài)脆性指數(shù)等12項力學(xué)指標(biāo),而且,對養(yǎng)護齡期超

6、過90d混凝土試件在6個應(yīng)力水平(0.90,0.85,0.80,0.75,0.70,0.65)4點彎曲等幅循環(huán)荷載作用下的平均疲勞壽命、局部斷裂區(qū)寬度、疲勞斷裂面粗糙度及分形特征、疲勞斷裂能、疲勞脆性指數(shù)等參數(shù)進行了試驗研究。靜載試驗結(jié)果表明：當(dāng)粉煤灰及磨細礦渣的摻量不超過50％膠凝材料總質(zhì)量時,二者單摻或復(fù)摻均改善了現(xiàn)代高性能混凝土的基本力學(xué)性能：當(dāng)?shù)攘咳〈嗟馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)超過膠凝材料總質(zhì)量的50％時,隨著粉煤灰或磨細礦渣摻量的增加,現(xiàn)

7、代高性能混凝土的基本靜載力學(xué)性能測試結(jié)果均隨之降低,但其變形性能增大、靜態(tài)脆性指數(shù)降低。其中,30％質(zhì)量分?jǐn)?shù)粉煤灰或磨細礦渣混凝土的12項靜載力學(xué)性能指標(biāo)最佳,其次為50％質(zhì)量分?jǐn)?shù)粉煤灰或磨細礦渣混凝土的靜載力學(xué)性能。疲勞測試結(jié)果表明：無預(yù)留切口混凝土的疲勞壽命及疲勞性能指標(biāo)均與疲勞應(yīng)力水平、膠凝材料組分密切相關(guān)。其中,在應(yīng)力水平高于0.75時,混凝土的疲勞壽命及4項分形指標(biāo)均隨著粉煤灰或磨細礦渣摻量的增加而減??；當(dāng)應(yīng)力水平等于或低于0

8、.75時,混凝土的疲勞壽命及4項分形指標(biāo)隨著粉煤灰或磨細礦渣摻量的增加而增大；對于粉煤灰及磨細礦渣復(fù)摻的混凝土,在應(yīng)力水平高于0.75時,C50-F3S7的疲勞壽命比C50-F4S6的長,而當(dāng)應(yīng)力水平低于0.75時。C50-F4S6的疲勞壽命比C50-F3S7的長。 為了探討粉煤灰及磨細礦渣等量取代水泥之后改變混凝土宏觀力學(xué)性能的原因,選擇了綜合性能較好的3個系列礦物摻和料混凝土和基準(zhǔn)混凝土進行深入地試驗研究。在該4個系列混凝土

9、配合比的基礎(chǔ)上,剔除粗集料并將水膠比降低為0.30,制備了4個系列混凝土的砂漿基體試件和4個系列砂漿-粗集料界面區(qū)試件,并對其靜載抗壓強度、抗彎強度、I型斷裂能、彈性模量、泊松比、高低應(yīng)力水平下的疲勞壽命及剛度衰減等力學(xué)指標(biāo)進行了測試和分析。結(jié)果表明:I級粉煤灰及S95級磨細礦渣的摻入,顯著提高了混凝土中砂漿基體、砂漿一粗集料界面區(qū)的I型斷裂能,其中以二者復(fù)摻的砂漿基體以及單摻磨細礦渣的砂漿-粗集料界面區(qū)的斷裂能為最大；摻入粉煤灰的砂漿

10、基體彈性模量大于摻有磨細礦渣砂漿基體的彈性模量,但砂漿-粗集料界面區(qū)彈模模量試驗結(jié)果卻并未隨礦物摻和料類型的改變而發(fā)生顯著改變；砂漿-粗集料界面區(qū)的疲勞損傷累積速率大于砂漿基體內(nèi)的疲勞損傷累積速率,砂漿基體在高低應(yīng)力水平下的疲勞壽命均比砂漿-粗集料界面區(qū)的大；粉煤灰或磨細礦渣的摻入,顯著提高了砂漿基體的平均疲勞壽命,也在一定程度上提高了砂漿-粗集料界面區(qū)的平均疲勞壽命。其次,本文還采用了數(shù)字散斑相關(guān)系統(tǒng)DSCM、動彈模儀與動態(tài)應(yīng)變采集設(shè)

11、備等技術(shù)手段,對混凝土在循環(huán)荷載作用下的性能劣化過程進行了實時監(jiān)測,并對混凝土疲勞過程中的2D位移場、疲勞應(yīng)變幅、2D應(yīng)變場、疲勞粘滯主裂紋開口位移及裂紋尖端過程區(qū)尺寸、相對動彈模、動態(tài)應(yīng)變等參數(shù)進行了采集及分析。由分析結(jié)果可知：當(dāng)荷載循環(huán)次數(shù)達到混凝土疲勞壽命10％時,即可在混凝土表面觀測區(qū)域內(nèi)的2D應(yīng)變場中出現(xiàn)應(yīng)變集中區(qū),該應(yīng)變集中區(qū)對應(yīng)于最終的疲勞主裂紋路徑:I級粉煤灰及S95級磨細礦渣的摻入,不僅明顯優(yōu)化了混凝土的動彈模衰減規(guī)律

12、、提高了疲勞主裂紋的裂紋閉合效應(yīng),而且增大了疲勞主裂紋的開口位移及裂尖斷裂過程區(qū)長度,延長了礦物摻和料混凝土在低應(yīng)力水平下的疲勞壽命。 再次,由于目前采用試驗研究手段對混凝土細觀結(jié)構(gòu)內(nèi)的疲勞微裂紋發(fā)展過程進行實時監(jiān)測與直觀展示尚存在技術(shù)瓶頸,并且,基于混凝土細觀結(jié)構(gòu)組分性能劣化規(guī)律對混凝土疲勞性能影響的定量描述和對混凝土疲勞壽命的預(yù)測尚屬空白,因此,本文基于細觀力學(xué)理論及真實混凝土細觀結(jié)構(gòu)高分辨率數(shù)字圖像,采用Fortran語言

13、自編程序,建立了用于預(yù)測現(xiàn)代高性能混凝土疲勞壽命、展示混凝土細觀結(jié)構(gòu)劣化過程及損傷機理的2D細觀混凝土疲勞損傷有限元模型。該有限元模型將混凝土純彎段微觀結(jié)構(gòu)的柵格模型與2個勻質(zhì)平面單元組合以模擬4點彎曲簡支混凝土梁,不僅將循環(huán)次數(shù)與拉伸應(yīng)變耦合,為模型單元定義了疲勞損傷函數(shù),而且還將細觀結(jié)構(gòu)組分的極限拉伸應(yīng)變定義為模型單元的疲勞失效判據(jù)。該模型由MATLAB、Visual Fortran及ABAQuS軟件調(diào)用并運行。由于該模型采用了規(guī)則

14、的柵格結(jié)構(gòu)、精確的混凝土細觀結(jié)構(gòu)定義方式、可靠的疲勞損傷函數(shù)、以及簡單合理的疲勞失效判據(jù),其模擬結(jié)果未受柵格單元類型以及不規(guī)則柵格結(jié)構(gòu)的影響。經(jīng)論證,該數(shù)值模型不僅是相關(guān)研究領(lǐng)域內(nèi)首次建立的用于表征混凝土疲勞損傷累積的細觀模型,而且使用該模型得到的混凝土疲勞壽命、疲勞主裂紋路徑、混凝土臨界疲勞損傷等預(yù)測結(jié)果均與試驗結(jié)果一致。因此,該數(shù)值模擬結(jié)果不僅合理、準(zhǔn)確、穩(wěn)定、重現(xiàn)性好,而且其預(yù)測結(jié)果還可為實際混凝土結(jié)構(gòu)工程的疲勞損傷評價及加固、修

15、補方案的制定,提供可靠的理論支持。 最后,采用該2D細觀混凝土疲勞損傷有限元模型,研究了單摻或復(fù)摻粉煤灰及磨細礦渣對混凝土疲勞壽命、疲勞微裂紋發(fā)展及疲勞損傷規(guī)律的影響。由模擬結(jié)果可知：粉煤灰及磨細礦渣的摻入,由于二者的顆粒形狀及火山灰效應(yīng),改善了混凝土細觀結(jié)構(gòu)中的砂漿基體及砂漿-粗集料界面區(qū)的斷裂能,減小了這兩個主要細觀結(jié)構(gòu)組分力學(xué)性能之間的差異程度,改善了混凝土在循環(huán)荷載作用下的荷載～位移本構(gòu)關(guān)系,使得混凝土在疲勞失效前的彈性