疲劳荷载与环境因素耦合作用下混凝土损伤劣化研究进展

硅酸盐学报·2142·2009年疲劳荷载与环境因素耦合作用下混凝土损伤劣化研究进展李文婷，孙伟，蒋金洋(东南大学材料科学与工程学院，南京211189)摘要：建筑物真实的服役状态是承受的荷载与环境的同时作用。概述了目前关于混凝土在疲劳荷载与环境因素耦合作用下的损伤劣化规律的研究。从材料、结构角度对疲劳荷载和腐蚀介质的耦合作用进行了总结与分析。重点论述了严寒地区桥梁、高速铁路等在疲劳荷载和冻融循环耦合作用下的损伤劣化特征。阐述了目前广泛采用的间接耦合作用方式——交替作用存在的问题，并提出从与材料细观结构密切相关的内应力角度，同时结合疲劳效应解决这一问题的可能办法。关键词：疲劳荷载；环境因素；耦合作用；损伤劣化；冻融循环中图分类号：TU528文献标志码：A文章编号：0454–5648(2009)12–2142–08REVIEWONDAMAGEANDDETERIORATIONOFCONCRETESUBJECTEDTOTHECOUPLINGEFFECTOFFATIGUELOADANDENVIRONMENTALACTIONSLIWenting，SUNWei，JIANGJinyang(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing211189，China)Abstract:Thecouplingeffectofmechanicalloadsandenvironmentalactionsisarealservicestateofconcrete.Recentstudiesonthedamageanddeteriorationofconcreteexperiencingfatigueloadandenvironmentaleffectsaresummarized.Thecouplingeffectoffatigueanderosiveionsisintroducedonthelevelofmaterialandstructure.Thedamageanddeteriorationofconcreteasbridge,highwayincoldclimatessubjectedtodynamicloadandfrostcyclesareoutlined.Thelatentproblemsassociatedwiththepopularmethodsforthesimulationofthecouplingeffectareanalyzed.Theapproachtosolvetheproblemsisproposedfromtheviewpointofmicrostructurerelatedtotheinternalstressofconcretecombinedwithfatigueeffect.Keywords:fatigueload;environmental;factorcoupling;damageanddeterioration;frostcycles虽然结构和材料耐久性设计已使混凝土的服役寿命从理论上得到了保证，然而不难发现，提前破坏的混凝土仍有所在。这不仅为国家造成巨大经济损失，而且也危及到人民安全。过早失效的根本原因主要是：任何一种混凝土材料和结构都是在承受外荷载的同时经历着环境作用，[1–2]例如：近海结构桥梁、铁路等在承受循环荷载作用时还受到海洋环境中氯离子、二氧化碳等的长期侵蚀。严寒地区的混凝土桥梁一方面承受着频繁的交通荷载；另一方面又受到冻融循环和来自除冰盐的离子侵蚀。目前，对混凝土结构的研究主要包括两类：一是以传输性表征的混凝土耐久性显著降低，主要集中于对力、化学、物理因素耦合作用下传输方程的建立，是目前多尺度模拟研究的热点；[3–5]二是力、化学、物理因素耦合作用下导致材料或结构失效，这方面需要结合大量试验进行研究。由于耦合作用的加载试验装置设计复杂，因而关于荷载和环境耦合作用下混凝土力学性能损伤劣化过程的试验研究相对较少，且多集中在静荷载与环境因素的耦合作用。[6–9]至于疲劳荷载与环境因素耦合作用的研究报道就更少，且多以间接方式–交替作用来研究循环荷载与腐蚀介质，如：Cl–，SO42–收稿日期：2009–06–09。修改稿收到日期：2009–09–21。基金项目：国家“973”环境友好型现代混凝土的基础研究(2009CB623200)；国家“863”高速铁路用钢筋混凝土研究(2008AA030794)资助项目。第一作者：李文婷(1983—)，女，博士研究生。通讯作者：孙伟(1935—)，女，博士，教授。Receiveddate:2009–06–09.Approveddate:2009–09–21.Firstauthor:LIWenting(1983–),female,postgraduatestudentfordoctordegree.E-mail:[e-mail]:SUNWei(1935–),female,Ph.D.,professor.E-mail:[e-mail]第37卷第12期2009年12月硅酸盐学报JOURNALOFTHECHINESECERAMICSOCIETYVol.37，No.12December，2009李文婷等：疲劳荷载与环境因素耦合作用下混凝土损伤劣化研究进展·2143·第37卷第12期及Ca2+溶蚀等的耦合作用。至于疲劳载荷与冻融循环以及氯盐的耦合作用更鲜见报道。这使得严寒地区高速铁路轨道板、高速公路路面以及桥梁等在疲劳荷载和冻融循环耦合作用下，混凝土材料损伤劣化过程及结构破坏情况不得而知，亟待解决。1疲劳荷载与腐蚀介质的耦合作用关于疲劳荷载和环境的耦合损伤问题，已有报道多集中于从材料、结构不同层次对疲劳荷载与腐蚀介质耦合作用进行研究。在材料层次上，结合混凝土的微细观结构，研究集中于混凝土的传输性能上；而结构层次则主要关注于增韧水泥基(reinforcedcement,RC)材料内钢筋与混凝土的黏结力、构件整体的承载力等力学性能。1.1疲劳载荷与腐蚀介质交互作用下混凝土的传输性性能Xi等[10–11]研究了结构混凝土中与扩散控制过程相关的损伤和耐久性问题，提出了解决力–环境交互作用问题的基本方法：(1)建立考虑交互作用的统一差分方程[见式(1)]；(2)找到关于差分方程中参数的材料模型。一般还需要引入耦合系数来反映不同作用之间的相互影响。eiji,i,iiA+A+A=rqJθηθηερµ−−(1)()()1HHDHDH,D=D−(2)其中：Aθ，Aη和Ae分别代表与温度θ、湿度η和应变场εij相关的材料参数，它可以按式(2)来建立方程求解；[10]ρ代表介质密度；qi是热流通量；r是单位质量所具有的热源，如混凝土水化散热等；µ是扩散物质的化学势；J是扩散物质的质量流通量。DH(H,D)表征混凝土在耦合作用下的扩散系数等材料参数；DH(H)表征混凝土在一种因素作用下的材料参数；第二种作用对材料参数的影响包含在损伤系数D中，比如外荷载作用下的应力、应变场或是将收缩作为驱动力转变而成等效应力与应变。基于这种方法，Xi等[11]建立了干缩–湿度扩散(针对具有较大面积与体积比的高速路面、机场跑道、桥梁甲板和停车场等)、干湿交替–氯离子、冻融–氯离子渗透的耦合作用方程，其中耦合作用以耦合系数来表征，该系数可由试验测得。数值计算结果表明：这些因素之间都有较强的相互促进作用，其作用程度取决于裂纹宽度、密度和连通性，而不是简单的线性叠加。这些成果为疲劳–环境因素耦合作用的解决提供了重要研究方法。基于此，Xi等[11]分3个步骤研究了轴心抗压疲劳与氯离子扩散交互作用：确定氯离子扩散速率开始明显加速时所对应的临界应力水平；在这一应力水平作用下，氯离子扩散迅速增长时所对应的昀低循环次数；在临界应力水平和昀低循环次数作用下，氯离子扩散再加速所对应的荷载频率，并且以超声波探测各个过程中的内部弹性损伤，利用图像处理获得表面损伤及氯离子浓度沿试件厚度方向的变化。研究结果表明：当应力水平低于60%时，疲劳荷载在混凝土内部引起弹性损伤，加速氯离子在混凝土内的传输；当应力水平超过60%时，混凝土氯离子渗透性开始明显增大；应力水平超过70%时，虽然通过图像分析观察不到表面损伤明显的继续发展，但超声波探测表明内部损伤发展更快。[10]这种方法侧重于对疲劳–氯离子耦合作用下混凝土氯离子传输性的研究，而对于该作用下混凝土的疲劳性能研究就不得而知。文献[12]报道了关于轴心抗压疲劳荷载作用下混凝土氯离子的渗透性方面的研究，得到了类似的结论：在应力水平为0.5的疲劳载荷作用下，混凝土氯离子渗透性变化不大；然而，当高于0.6(0.6～0.8)的应力水平作用时，形成的疲劳损伤将导致混凝土氯离子渗透性显著增大，并且氯离子渗透速率随着静载和疲劳荷载作用下混凝土残余应变的增大而增加。[12]依据细观试验，可以对这一结论作定性解释：应力水平不超过0.53时，混凝土内微裂纹数量和静载下相当；当应力水平超过0.67时，承受疲劳荷载的混凝土内有更多的微裂纹。[13]Shah等[14]也观察到应力水平为0.60～0.85的轴心抗压疲劳荷载导致了混凝土内更多的微裂纹生成。可见，要进一步分析疲劳荷载与氯离子的耦合作用对混凝土传输性能的影响机理，还需要结合混凝土微结构的定量分析，包括裂纹尺寸、密度、分布及连通性等。Xiang等[15]运用损伤力学、非线性分析、数值模拟和概率分析对受轴心压缩、轴心拉伸及弯曲疲劳作用下的混凝土氯离子扩散性进行了可靠度分析。对弯曲疲劳荷载，建立了层状模型的损伤演化方程。这种模型的好处是可以再现弯曲荷载作用下混凝土内部的应力重分布，更准确地表征了距离中性轴不同位置纤维韧带的损伤发展速率。通过将各类疲劳损伤变量作为随机变量引入到氯离子扩散系数的概率方程中，来预测混凝土内氯离子浓度超过硅酸盐学报·2144·2009年某一阀值的失效概率，因而具有实际的工程应用价值。然而，该方法建立在宏观唯象的混凝土整体损伤和扩散性能上，若要进一步研究其扩散机理，还应当引入材料自身性能。另外，Bangert等[16]从复合材料角度对循环荷载和Ca2+溶蚀耦合作用下混凝土性能进行了研究(见图1)。将混凝土视作固相骨架和孔隙组成的两相复合材料，基于承载面积减小和孔隙率的线性叠加，在热力学框架中建立了混凝土在Ca2+溶蚀和疲劳荷载耦合作用下的损伤演化方程，其数值计算结果与试验结果较一致。图1混凝土疲劳与Ca2+溶蚀耦合作用[16]Fig.1CouplingeffectoffatigueandCa2+dissolution-corrosion[16]陈拴发[17]研究了承受三分点弯曲疲劳荷载的高性能混凝土梁同时分别浸泡在硫酸钠、硫酸镁、氯化镁3种腐蚀介质中的性能变化，建立了基于腐蚀介质引起混凝土内部膨胀应力的计算模型。计算及试验结果表明：受腐蚀疲劳的HPC强度衰减幅度远大于普通浸泡腐蚀试件，其弯拉强度损失率昀大可达三分之一以上。[17]1.2疲劳载荷与环境因素耦合作用下的钢筋混凝土的耐久性能腐蚀–疲劳是指侵蚀性介质引造成了材料局部的应力集中，在外部疲劳荷载同时存在的情况下，应力集中导致了其疲劳性能的下降。关于这类问题的研究虽然不如对两种单独作用的研究多，但近年来随着一些严重腐蚀的近海结构，如：近海平台、桥梁、烟囱和塔等的出现，也引起研究者的广泛关注。近海结构主要面临海水腐蚀环境，混凝土受到氯离子侵蚀、或发生碳化引起钢筋锈蚀，这种锈蚀从坑蚀开始，导致疲劳裂纹在此处成核、引发。钢筋承载横截面积和钢筋与混凝土之间黏结力都减小，混凝土内部发生的膨胀性化学反应又引起其进一步开裂。两者作用相互促进，恶性循环，共同导致构件承载力的降低。1.2.1RC结构腐蚀疲劳破坏形态Postolopoulos等[18]进行了累积腐蚀对钢筋混凝土的低周疲劳性能研究，腐蚀导致疲劳过程中钢筋延性较大程度降低，进而缩短了结构