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4 低温建筑技术 2 0 1 4年第 7 期 总第 1 9 3 期 疲劳损伤混凝土结构耐久性研究进展 王海龙， 黄启军， 孙晓燕 【 浙江大学建筑工程 学院． 杭州3 1 0 0 5 8 【 摘要】 混凝土结构在其生命总周期内要受到各种环境与荷载的耦合作用。疲劳荷载会使混凝土内部损 伤不断累积、 开裂， 从而影响氯离子在混凝土 内的输运规律与钢筋混凝土结构的耐久性能， 使得混凝土结构在受 荷水平不是很高时可能引发结构的提前失效 ， 因此 ， 氯盐环境与疲劳荷载耦合作用下混凝土材料与结构的耐久性 能需要着重考虑。文中总结与分析了目 前国内外关于压缩与弯曲疲劳荷载作用下混凝土中氯离子渗透性试验方 法与渗透性变化规律， 氯盐环境与疲劳荷载共同作用下的钢筋混凝土结构耐久性试验方法与研究进展 ， 指出了现 阶段相关研究存在的不足以及后续可以深入开展的研究。 【 关键词】 疲劳荷载； 氯盐环境； 耦合作用； 疲劳损伤 【 中图分类号】 T U 5 2 8 ． 0 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 2 0 1 4 0 7 0 0 0 4 0 4 在复杂环境中服役的钢筋混凝土结构， 生命期 内 要经受各种动静荷载与环境的耦合作用⋯ ， 不可避免 地存在耐久性 问题。虽然近十几年来 国内外开展了 大量的混凝土材料与结构耐久性能研究， 但是由于耐 久性涉及多学科的交叉与综合， 现有成果多重视环境 作用效应， 而忽视了结构 中各种荷载的影响， 但是实 际服役环境中的钢筋混凝土材料和结构要承受各种 荷载与外界 自然环境的协同影响。例如， 近海地区的 桥梁与跨海大桥在承受循环车辆荷载 的同时还会受 到海洋环境中氯离子的影响； 严寒地区的混凝土桥梁 除了承受频繁的交通荷载外， 也还会受到除冰盐的侵 蚀。疲劳损伤通常具有不可恢复性， 循环应力会加速 有害介质的侵蚀， 而腐蚀又会加剧材料与构件的疲劳 损伤， 使结构抗力不断衰减直至破坏。不考虑疲劳损 伤的钢筋混凝土耐久性研究不能合理反映环境与循 环动力荷载交互作用下结构所处的真实状态 ， 如将其 直接用于指导工程结构设计， 则会夸大混凝土结构的 耐久性能或者疲劳寿命。 为了解疲劳损伤对混凝土结构耐久性 的影响规 律， 下面按照受力状态对疲劳荷载 一氯盐环境共同作 用下混凝土材料与结构耐久性 的国内外研究进展进 行论述 。 [ 基金项目】 国家 自然科学基金项 目 5 1 3 7 8 4 5 6 ， 5 1 1 7 8 4 1 7 ； 浙江省 自然科学基金重点项 目 L Z 1 3 E 0 8 0 0 0 1 ； 钱江人才计划项 目 201 2 R 1 0 0 2 5 ； 浙江省重点科技创新团队项 目 2 0 1 0 R 5 0 0 3 4 ； 浙江大学海洋交叉引导基金 o ● OO● OO ● OO ●o o● OO ●o O● o0 ● OO● OO ●o o● O0 000 ● OO● 0o● OO ● oO● OO ● OO● OO ● oo● OO ● oo● OO ●O O● OO● OO ◆O O0 00● OO● o o● OO ●o o● OO● oo ◆ OOO OO ● oo● oa ●O O● OO● OO ●OO ● OO● oo ● OO ●o O H 6 ． 1 2 H 2 0 ] S O 4 C 0 3 [ J ] ． A e t a C r y s t al l o g r a p h i e a S e e - [ 9 ]I r a s S a r E F ， B o n a v e t t i V L ， G o n z al e z M ． M i c r o s t m e m r a l s t u d v o f t i o n BS t r u c t u r a l Cr y s t a l l o g r a p h y a n d C r y s t a l Ch e mi s t r y ，1 9 71 。 2 7 s u l f a t e a t t a c k o n o r d i n a a nd l i me s t o n e P o a l a n d c e me n t s a t a mb i 3 5 9 4 6 0 1 ． [ 3 ] 马 保国， 高 小建， 何忠茂， 等． 混凝土在s 一 和c o l 一 共同存 在下的腐蚀破 坏 [ J ] ． 硅酸盐 学报， 2 0 0 4 ， 3 2 1 O 1 2 1 9 一 l 2 2 4 ． [ 4 ] H o b b s D W， T a y l o r M G ． N a t u r e o f t h e t h a u m a s i t e s u l f a t e a t t a c k m e c h a n i s m i n fi e l d c o n c r e t e[ J ] ． C e m e n t a n d c o n c r e t e r e s e a r c h ． 2 0 0 0， 3 0 4 5 2 95 3 3 ． [ 5 ] T h a u m a s i t e E x p e r t G r o u p ． T h e t h a u m a s i t e f o r m o f s u lf a t e a t t a c k ris k s， d i a g no s i s ， r e me d i a l wo r k s a n d g u i d anc e o n n e w c o n s t r u c t i o n [ R ] ． L o n d o n D e p a r tm e n t o f t h e E n v i r o n m e n t 。 T r ans p o r t a n d t h e Re g i o n s ， 1 9 9 9 ． [ 6 ] 马保国， 罗忠涛 ， 李相国， 等， 含碳硫硅酸钙腐蚀产物的微观结 构与生 成机 理 [ J ] ． 硅酸 盐学 报， 2 0 0 6 ． 1 2 ， 3 4 1 2 1 5 0 3 1 5 0 7． [ 7 ] 高小建， 马保国， 邓红卫， 等． 胶凝材料组成对混凝土 T S A硫 酸盐侵蚀的影响[ J ] ． 哈尔滨工业大学学报， 2 0 0 7 ， 3 9 1 0 1 5 5 41 5 5 8 ． e n t t e m p e r a t u r e [ J ] ． C e m C o n e r R e s 。 2 0 0 3 ， 3 3 1 3 1 ． [ 1 o ]马 保国， 高 小建， 何忠茂， 等． 混凝土在S O 4 一 和c o l 一 共同 存在下的腐蚀破坏[ J ] ． 硅 酸盐学报， 2 0 0 4 ， 3 2 1 O 1 2 1 9 1 2 2 4 ． [ 1 1 ]N eda N， J i n z H ． T h e r m al S t re s s I n t e n s i t y F a c t o r s f o r a C r a c k i n a S t ri p o f a F u n c t i o n a ll y G r a d i e n t M a t e ri al[ J ] ． I n t J S o l i d s S t r u e t ， 1 9 9 3， 3 0 1 0 3 9 1 0 5 6 ． [ 1 2 ]B a r n e t t S J ， M a e p h e e D E ， L a c h o w s k i E E ， e t a1 ． X R D， E D Xand I R a n aly s i s o f s o l i d s o l u t i o ns b e t we e n t h a u ma s i t e a n d e t t r i n g i t e 【 J ] ． C e m e n t a n d C o n c re t e R e s e a r c h ， 2 0 0 2 ， 3 2 5 7 1 9 7 3 0 ． [ 收稿日期] 2 0 1 4 一 o 4 0 2 [ 作者简介] 马保国 1 9 5 7一 ， 男， 河南开封市人， 博士， 博士 教授， 研究方向 高强， 高性能混凝土， 新型墙体 材料 ， 新型建筑材料及工业废物 回收再利用。 王海龙等 疲劳损伤混凝土结构耐久性研究进展 5 1 循环压缩荷载作用下氯离子在混凝土中的输运 S a i t o等 采用液压伺服试验装置对混凝土试件 进行循环加载 ， 卸载后取出试件的一部分进行 电通量 测试。试验结果表明， 受压循环荷载的最大应力水平 达到6 0 ％ 一 8 0 ％的时候 ， 混凝土中氯离子的渗透性就 会显著增加 ， 但是 当最大应力水平为 5 0 ％的时候， 即 使施加 1 0 0万次的循环荷载， 混凝土氯离子扩散性能 也没有受到显著的影响。文献指出荷载作用下混凝 土中氯离子扩散系数与残余应变有关， 并且混凝土氯 离子的渗透性随着残余应变的增加而增大。 N a k h i 等 自行设计了内部掏空的长方体试件， 并在试件内注人浓度为 8 ％的 N a C 1 溶液， 进行了不同 应力水平 5 0 ％、 6 0 ％和 7 0 ％ 下的循环加载试验 ， 其 中每个加载循环保持 2 0 ra i n ， 一共进行了 1 3个加载循 环， 研究者在循环荷载施加结束以后， 进行 了氯离子 含量的测试分析。通过对氯离子浓度分布 曲线 的分 析发现 随着循环荷载水平的提高 ， 氯离子在混凝土 中的浓度及侵入深度不断增加， 当最大应力水平大于 0 ． 6时， 混凝土渗透性明显提高； 另外 ， 通过对超声波 检测结果得出， 随着应力水平提高， 混凝土内部损伤 程度加剧， 当应力水平为0 ． 6时， 试验前期损伤变化幅 度比较大， 之后趋于平稳， 而到达 0 ． 7时， 在试验的后 期循环荷载产生的损伤对加速氯离子扩散非常明显。 蒋金洋等 对 1 0 0 n l n l x 1 0 0 n l l n 3 0 0 l n l n的超高 强泵送钢纤维混凝土 S F R C 先 以最大应力水平为 0 ． 6 5疲劳受压加载制度将试件疲劳至一定次数 ， 再进 行浸烘试验 制度 ， 然后测量 了混凝土中氯离子的含 量。得出了抗压疲劳载荷作用对 S F R C抗氯离子扩散 性能有一个临界值的结论。 张武满等 先对掺一定量磨细矿渣 的混凝土施 加加％和 8 0 ％抗压强度的循环荷载， 然后进行快速氯 离子渗透试验 ， 试验结果表明 压应力越大， 氯离子在 混凝土中的渗透速度越快。 2 循环弯 曲荷载下氯离子在混 凝土 中的输运 蒋金洋等 用混凝土的疲劳残余应变作为损伤 变量， 对尺寸为 1 0 0 n l l n1 0 0 n l l n x 4 0 0 m i l l 的长方体 试件进行 了弯曲疲劳试验， 获得不 同大小残余应变的 混凝土试件， 然后将这些试件浸泡在 3 ． 5 ％的 N a C 1 溶 液中进行干湿循环 ， 按照相关规程测量试件不同深度 处的氯离子含量。试验结果 如图 1所示 表明， 随着 残余应变的增加， 混凝土中的氯离子扩散系数增大。 研究 将 残余 应 变 6 01 0 作 为影 响 普通 混 凝 土 O C 、 高性 能混凝 土 H P C 与高性 能纤 维混凝 土 H P F R C C 中氯离子扩散系数的起劣点 ， 将残余应变 1 2 0 X 1 0 作为影响普通混凝土的陡劣点。在对超高 强泵送钢纤维混凝土的研究中 】 ， 作者发现受拉面的 内层 自由氯离子浓度明显高于受压面， 且下降趋势更 平缓。与此同时， 根据氯离子试验结果推断出同抗压 疲劳载荷作用一样， 抗弯疲劳载荷作用对超高强泵送 钢纤维混凝土 S F R C 氯离子扩散性能的影响也存在 一 个临界值。 ● 6 一 籁 衽 超 墉 残余应变／ 1 0 图1不 同疲劳损伤程度下的混凝土氯离子扩散系数的比较 G o n t a r 等 将尺寸为 7 5 l n l n x 1 0 0 n l l n x 4 0 0 l n l l l 的混凝土试件在 7 0 ％的应力水平下三点弯曲2 5次， 然后在试件中部 疲劳损伤区 和端部 未损伤区 分 别 钻取 1 0 0 m m 5 0 ra i n的试件 ， 用 A S T M C 1 2 0 2法 测定混凝土的电通量， 结果表明疲劳损伤 区混凝土的 6 h电通量比未损伤区的大 4 0 ％。 孙伟等口 利用 自行设计的实验耦合装置研究了 弯曲疲劳荷载耦合作用下氯离子在混凝土中的传输 性能， 得到了应力水平、 温度、 材料活化能以及氯离子 扩散系数随时变化行为。实验结果表明 氯离子扩散 系数不仅随着应力水平 的增加而提高， 还随着温度的 增加而增大； 但是， 出乎意料， 文献n 还得出了氯离子 扩散系数随着疲劳次数 的增加反而下降的结论 ， 这与 相类似试验结果不同。 陈拴发等n u 设计了一套应力环 一反力架装置进 行疲劳加卸载。利用此装置， 将承受三分点弯曲疲劳 荷载的高性能混凝土梁浸泡在含氯离子的氯化镁溶 液中。当加载试件进行到规定龄期后统一卸载， 并将 受拉区切割成厚 5 e m的混凝土试件， 采用 N E L法测 定氯离子扩散系数。计算及试验结果表明， 受腐蚀疲 劳的高性能混凝土强度衰减幅度远大于普通浸泡腐 蚀试件。 孙伟等 还利用 自行设计的实验耦合装置， 研 究了疲劳荷载作用下氯离子在砂浆中的传输行为， 并 且进行了一系列不同水泥基材料的耦合试验。试验 结果都表明， 在疲劳弯曲荷载作用下， 随着疲劳的进 行 ， 试件损伤不断增加， 氯离子在试件中的含量与深 度也不断增加 ， 并且氯离子含量随着疲劳应力水平 的 提高而增加 ； 加载过程耦合产生的动态效应对氯离子 的含量具有显著的影响。 6 低温建筑技术 2 0 1 4年第7期 总第 1 9 3 期 3 氯盐环境 中混凝土结构的疲劳性 能研 究 氯盐环境中混凝土结构的疲劳性能研究可以分 为以下两类， 即预腐蚀梁的疲劳试验 以及梁的腐蚀疲 劳试验。前者是先将钢筋混凝土梁进行腐蚀， 然后取 出实验梁， 进行疲劳测试 ， 该设计未能实现疲劳荷载 与氯盐环境的真正耦合作用； 而后者是腐蚀与疲劳同 时进行， 实现了真正意义上的疲劳荷载与氯盐环境的 耦合作用。 在预腐蚀梁的疲劳试验研究方面， 王海超等 首 先利用人工电化学方法得到不同锈蚀率的试验梁， 然 后将这些梁进行疲劳试验， 直至疲劳破坏为止 ， 通过 观察试验破坏的最终状态发现 梁的疲劳破坏形态皆 为纵筋断裂， 而且分析结果表明轻微腐蚀对钢筋混凝 土梁的疲劳寿命就有明显影响， 指出钢筋混凝土梁轻 微腐蚀后疲劳寿命降低与腐蚀产生的锈坑有关。黄 杰 也进行了锈蚀钢筋混凝土梁抗弯疲劳试验， 试验 过程主要考虑钢筋锈蚀率以及应力比对疲劳的影响， 结果表明 锈蚀钢筋的力学性能在循环荷载作用下逐 渐劣化； 而应力比对跨中挠度、 最大裂缝宽度以及疲 劳寿命都有着显著的影响。彭修宁 研究了疲劳荷 载下锈后钢筋和混凝土粘结锚 固性能的退化情况 ， 该 试验首先对需要锈蚀的试件进行直流电快速锈蚀 ， 然 后用 自行设计的加载装置施加疲劳荷载 ； 结果表明 在同一截面锈损率下， 随着疲劳次数的增加， 不管是 加载端滑移量、 加载端与 自由端滑移量之差值 ， 还是 钢筋与混凝土之间极限粘结强度对应的峰值荷载变 化规律不明显； 但是， 在同一疲劳荷载循环次数作用 下 ， 随着钢筋截面锈损率的增加， 不管是加载端滑移 量、 加载端与 自由端滑移量之差值 ， 还是钢筋与混凝 土之间极限粘结强度对应的峰值荷载均有变小的规 律 ； 另外 ， 随着钢筋截面锈损率 的增加或疲劳循环次 数的增多， 各试件钢筋应变分布 曲线均从凹形 向斜 线 、 凸形过渡。彭修宁分析 了宏电池腐蚀 不均匀钢 筋锈蚀 对受弯疲劳产生的影响， 指出其能够使受弯 构件的疲劳性能劣化的根本原 因是不均匀锈蚀引起 的应力集中， 另外还给出了衡量宏电池腐蚀 产生局 部锈坑 后钢筋混凝土受弯构件疲劳可靠 度的概率 大小 。 在腐蚀疲劳试验中， 王海超等 引开展了钢筋混凝 土梁在三种不同外部环境 空气环境、 淡水环境以及 盐水环境 作用下的四点弯曲疲劳实验， 在疲劳过程 中通过测量钢筋应变、 混凝土应变、 挠度等不同物理 量 ， 得到了腐蚀疲劳的相关规律。在这其 中， 通过测 定空气、 淡水环境和盐水环境 中静力荷载、 高周疲劳 荷载所引起的钢筋混凝土梁腐蚀电位的变化 ， 得出了 荷载与环境对钢筋混凝 土构件的腐蚀具有耦合作用 的结论， 并且指出当存在疲劳荷载时， 构件腐蚀速度 由快到慢的排列顺序是 盐水环境、 淡水环境、 空气环 境。通过实测试验梁在循环荷载作用下正截面上钢 筋和混凝土的应变， 分析了正截面钢筋与混凝土的应 变发展过程， 发现在腐蚀环境下钢筋混凝土构件正截 面的应变增长率大于空气环境下的应变增长率。 J a ff e r 等 首先将钢筋混凝土梁在跨中产生预制 裂缝， 然后分别施加静力荷载与动荷载。试验过程首 先将其放入 3 ％的盐溶液中两周时间， 然后转移到外 部环境条件下干燥 ， 从而研究在不同荷载情况下氯离 子引起的钢筋腐蚀情况 ， 从微观理论上分析了产生这 种现象的原 因。试验研究发现承受动荷载的混凝土 的骨料 一浆体界面上的钢筋腐蚀产物较静载多， 作者 认为这是由于动载引起骨料和浆体间结合 的破坏更 大以及动载作用下裂缝的张合作用将钢筋腐蚀产物 从钢筋 一 混凝土界面挤到裂缝所致。 在腐蚀 与疲劳耦合作用的数值模拟方 面， 马广 强。 卸 进行了相关研究。作者在腐蚀疲劳因子、 弹性模 量退化和钢筋退化模型的基本假设下， 分析了腐蚀和 疲劳作用下结构性能下降的过程， 并在此基础上对实 际模型进行了数值模拟。 A h n w等口 为了研究承受疲劳荷载的海洋结构 ， 对承受静力荷载与动力荷载的钢筋混凝土梁进行加 速试验 ， 海洋环境的潮汐带通过水箱中的交替抽水与 排水来实现 ， 用恒电流方法来加速梁中钢筋的锈蚀。 试验结果表明， 梁在疲劳作用下退化过程较静载快 ， 并且在海洋环境中钢筋混凝土梁 的耐久性随着水灰 比的增加而降低， 文献还特别指出了尺寸效应的重要 影响。 E m i l i o B a s t i d a s A r t e a g a 等 分析得出了同时考 虑氯离子侵蚀、 钢筋混凝土梁的裂缝以及疲劳荷载下 的腐蚀疲劳模型。这个模型具体考虑 了以下过程的 相互作用 氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀、 锈蚀产物积 累造成的混凝土裂缝以及循环荷载引起的钢筋疲劳。 4结语 1 现有研究中的大量试验设计没有能够实现 氯盐环境与疲劳荷载的真正耦合作用。主要原因是 耦合作用试验系统较为复杂， 因此绝大部分试验都是 先进行疲劳加载， 卸载后进行氯离子的渗透性试验研 究； 或者先对构件进行腐蚀 ， 然后进行腐蚀梁的疲劳 性能实验， 这明显不符合实际工程结构所遭受的耦合 作用环境。而卸载后， 混凝土中的微裂缝会发生部分 闭合， 对结构的耐久性有一定的影响。因此 ， 氯盐环 境与疲劳荷载耦合作用下 的混凝土材料与结构耐久 性研究还有待深入进行 、 系统开展。 2 如何建立适宜的疲劳损伤指标来衡量疲劳 王海龙等 疲劳损伤混凝土结构耐久性研究进展 7 荷载对耐久性的影响规律与二者之 间的量化关系。 现有研究主要通过疲劳循环次数或者疲劳产生的残 余应变来反映疲劳作用的具体程度， 但这还不足以具 体反映疲劳损伤的程度， 尚需要按照疲劳损伤累计规 律来定义损伤变量， 以准确评价疲劳损伤与耐久性的 对应关 系。 由此可以看出， 设计 出能够真正实现疲劳与氯盐 环境相耦合的试验装置， 并建立疲劳损伤与耐久性的 对应关系， 才能将试验结果更好地应用到实际工程 中去 。 参考文献 [ 1 ]H O S E I N I M，B I N D I G A N A V I L E V， B A N T H I A N ． T h e e ff e c t o f m e c h a n i c a l s t r e s s o n p e r m e a b i l i t y of c o n c r e t e a r e v i e w[ J ] ． C e m C o n c r Co mp o s ，2 0 0 9，3 1 21 3 2 2 0 ． [ 2 3 S A I T O M， I S H I M O R I H 。 C h l o r i d e p e r m e a b i l i t y of c o n c r e t e u n d e r s t a t i c and re pea t e d c o m p r e s s i v e l o a d i n g[ J ] ． C e m C o n c r R e s ， 1 9 9 5， 2 5 4 8 0 38 0 8 ． [ 3 ] N A K H I A， X I E Z ， A S I Z A ， e t a L C h l o ri d e p e n e t r a ti o n i n c o n c r e t e u n d e r c o u p l ed h y g r o m e c h a n i e a l l o a d i n g s[ c ] ／ ／P r o e eo d i n g s of En g i n e e rin g Mec h a n i c s Co n f e r e n c e 2 0 0 0， T e x a s， Un i t ed S tat e s 。2 0 0 08 49 4 ． [ 4 ] 蒋金洋， 孙伟， 刘加平 ， 等 ． 疲劳载荷作用下超高程泵送钢 纤维混凝土的耐久性[ J ] ． 东南大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 6 1 1 259- 2 6 2 ． [ 5 ] 张武满， 巴恒静， 高小建 。 等． 重复载荷作用下矿渣混凝土的渗 透性[ J ] ． 深圳大学学报 理工版 ， 2 0 0 7 ， 2 4 4 3 5 2- 3 5 5 ． [ 6 ] 蒋金洋， 孙伟， 王晶， 等． 弯曲疲劳载荷作用下结构混凝土抗 氯离子扩散性能 [ J ] ． 东南大学学报 自然科学版 ， 2 0 1 0 ， 4 JD 2 3 6 23 6 6 ． [ 7 ] 孙伟， 蒋金洋， 王晶， 等 ． 弯曲疲劳载荷作用下 H P C和 H P - F R C C抗氯离子扩散性能研究 [ J 】 ． 中国材料进展， 2 0 0 9 ， 2 8 1 1 2 02 5 ． [ 8 ] 蒋金洋， 孙伟， 李文婷， 等 ． 疲劳载荷与环境因素耦合作用 下结构混凝土的耐久性研究 ．工业建筑， 2 0 1 0 ， 4 0 1 1 6 8 ． [ 9 ] G O N T A R W A， M A R T I N J P ， P O P O V I C S J E ff e c t s o f c y c 1 i c l o a d i n g o n c hl o r i d e per m e a b i l i t y of p l a i n c o n c re t e[ J ] ． C o n d M o n i t Ma t e r S t mc t ， 2 0 0 0 ， I 9 51 0 9 ． [ 1 0 ]WA N GC ， S U NW， J I N G J ， e t a 1 ． The t r a n s p o r t p r o per ti e s ofc o n c ret e u n d e r t h 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