疲劳荷载和环境耦合作用下疲劳损伤混凝土氯盐传输机理研究

Concrete structures under fatigue loads generated damage accumulation, which accelerates chloride salt transfer to the steel surface and reduces the service life of concrete structures. First of all, the evolution of concrete microstructure before and after fatigue damage will be studied in this project. To establish the relationship between fatigue mechanisms and damage coefficients, the concrete damage coefficient will be defined by the variable of concrete pore characteristic parameters. Based on the wetting and drying cycle of marine environment, the impact of fatigue damage and environmental conditions on the concrete surface moisture diffusion in the drying process will be studied and the concrete surface moisture diffusion boundary conditions will be established. To establish the humidity field calculation model of fatigue damaged concrete, a further research on moisture transport mechanism of fatigue damaged concrete under different boundary conditions will be carried on. And then, on the basis of existing results, the chloride transport mechanism in fatigue damaged concrete can be revealed by considering the chloride ion content in concrete pore water and convection and diffusion of the chloride ion transport. Exploring the convection zone depth range of surface concrete in wetting and drying cycle, the theoretical model of chloride transport could be simplified to facilitate engineering applications. This project aims to reveal the nature of chloride transport in fatigue damaged concrete, clarify the chloride transport mechanism in concrete under fatigue loading and environmental coupling. It will provide a scientific basis for the full life design and life prediction of the reinforced concrete structure.

混凝土结构在疲劳荷载作用下会产生损伤累积，加速氯盐向钢筋表面传输，降低混凝土结构的服役寿命。本项目首先研究疲劳损伤前后混凝土微观结构的演化规律，以混凝土孔隙特征参数为变量定义损伤系数，建立疲劳作用机制与损伤系数的关系；针对干湿交替环境，研究疲劳损伤和环境条件对干燥过程中混凝土表面水分扩散的影响，建立混凝土表面水分扩散边界条件；深入研究不同边界条件下疲劳损伤混凝土的水分传输机理，建立疲劳损伤混凝土湿度场计算模型；在此基础上，考虑混凝土孔隙水中氯离子的含量以及氯离子传输的对流和扩散作用，进一步揭示疲劳损伤混凝土的氯盐传输机理；探索混凝土表面干湿循环对流区的深度范围，从而简化理论模型以方便工程应用。本项目旨在揭示疲劳荷载影响氯盐传输的本质，阐明疲劳荷载和环境耦合作用下混凝土中氯盐的传输机理，为钢筋混凝土结构的全寿命设计和寿命预测提供科学依据。

混凝土结构在疲劳荷载作用下会产生损伤累积，从而加速氯盐向钢筋表面的传输，降低混凝土结构的服役寿命。本项目主要开展了氯盐环境和疲劳荷载耦合作用下荷载损伤混凝土中的氯盐传输试验与机理分析工作。主要研究内容和成果有：（1）从微细观层次对水泥基材料微结构的形成过程进行研究，并基于对水泥基材料微结构的认识试验研究了荷载损伤混凝土的微结构特征及评价指标，建立了可以用于描述和计算未受荷载损伤混凝土、持续加载产生或未产生损伤混凝土、加载产生或未产生损伤混凝土再卸载等五种不同情况下，荷载损伤影响介质传输的影响系数模型；（2）采用自主设计的混凝土轴向拉伸疲劳加载测试系统，使混凝土产生轴拉疲劳损伤，进而研究疲劳损伤混凝土表面水分扩散过程，建立了荷载损伤混凝土表面水分扩散第三类边界条件；（3）研究了干湿循环条件下疲劳损伤混凝土内部水分传输过程，建立了考虑荷载损伤作用的混凝土内部水分传输模型和湿度场计算方法；（4）系统研究了矿物掺合料对水泥基材料氯离子结合性能的影响规律，建立了大宽度范围粉煤灰和矿粉掺量下水泥基材料的氯离子结合模型；（5）在以上工作的基础上，试验研究了疲劳荷载作用混凝土中的氯盐传输规律，分析了荷载损伤混凝土表面干湿循环对流区的深度范围，建立了基于荷载损伤混凝土微结构关键参数和氯离子结合效应的疲劳损伤混凝土氯盐传输计算模型。本项目的研究成果，从荷载损伤导致混凝土微结构参数改变的本质着手，揭示了疲劳荷载影响混凝土中氯盐传输的本质，阐明了疲劳荷载和环境耦合作用下混凝土中氯盐的传输机理，可为钢筋混凝土结构的全寿命设计和寿命预测提供科学依据。研究过程中所建立或采用的试验方法、所申报的发明专利可为后续水泥基材料微结构评价、耐久性指标评定以及荷载损伤钢筋混凝土的锈裂机理研究提供参考。