北方寒区反复冻融环境下强度劣化混凝土峰后力学效应研究

The concrete internal structure will becomes loose after repeated freezing and thawing, and its overall strength will also descend. In this case, the concrete based compression will be in post-peak strength stage, meanwhile, post-peak strength will exhibit a tendency to decay, and when its strength decreased less than ultimate compressive strength. Aiming at this force characteristics, the fractured concrete are considered as research object after repeated freezing and thawing, and the strength deterioration are taken as the breakthrough point, the mechanical effect of post-peak strength for concrete are determined based on the experimental study, and analysis and numerical simulation. The main contents include: (1) Determination of the creep characteristics of residual strength proved different restrictive mechanism and the constitutive model for post peak; (2) Exploration for the mechanism and characteristics for constraints on the long-term strength subjected to the post peak; (3) Determination of creep critical constraint conditions and the influences from non steady creep to steady creep about the post-peak residual strength. These key problems are the foundation to strength deterioration quality identification for concrete, and also are the foundation to evaluation and maintenance reinforcement for the key theory and basic guarantee, meanwhile, providing the reference for the concept design of concrete structures subjected to the extreme condition. All in all, these essential problems exhibit a basic and universal trait, and coincide with national security strategy works.

混凝土反复冻融后内部结构变得疏松，整体强度也随之下降，当下降后的强度低于其极限抗压强度时，以受压为主的混凝土会进入峰后阶段，且峰后残余强度随时间会发生衰减。针对这一受力特征，本项目以反复冻融后的裂隙混凝土为研究对象，以强度劣化问题为切入点，以试验研究为基础，并综合理论分析和数值模拟，对强度劣化混凝土的峰后力学效应进行系统研究，主要包括：（1）探明不同约束机制下峰后残余强度衰减时的蠕变特征与本构模型；（2）探索约束条件对峰后长期强度的影响机制及其特点；（3）确定峰后残余强度衰减过程中从非稳定蠕变到稳定蠕变的临界约束条件和影响因素。这些关键性基础问题的研究，为强度劣化混凝土质量鉴定与评估及其后期维护加固提供关键理论与基础保障，也为环境恶劣条件下混凝土结构的概念设计提供参考，具有普遍性和前瞻性，符合国家工程安全的战略需求。

混凝土的峰后强度随时间会发生衰减，且割线模量峰值与材料的弹性极限或屈服极限存在较为稳定的对应关系，这就说明割线模量的衰减与峰后强度的衰减之间存在某种关系，研究通过对准均质材料的单轴拉伸和压缩试验，利用反复加卸载证明了割线模量峰值与弹性极限之间的对应关系，为脆性材料屈服极限的判定提出了一种直观和简便的方法；通过理论分析与室内试验，研究了混凝土抗压强度测试中强度存在尺寸效应与形状效应的内在机理，证明了其本质是边界条件中存在尺寸效应和形状效应；借助大量力学试验，给出了EPS混凝土这种力学性质介于软岩硬土之间的人造岩土类材料的单轴抗压强度评定方法；高强度混凝土高温爆裂概率随含水率的增大而增大，表明蒸汽压力是诱发爆裂的重要因素之一，该压力通过改变有效应力影响了强度；基于莫尔-库仑准则和有效应力原理，推导了临界爆裂蒸汽压力的求解公式，定量研究蒸汽压力对强度的影响，并从数理角度证明了其严密性；对不同密度的沙漠砂EPS混凝土进行单轴压缩实验，并通过与常用普通混凝土本构模型进行对比评估及对数据进行拟合，得出适用于沙漠砂EPS混凝土的本构模型；采用分级加载方式，研究了其在轴向压应力状态下的蠕变特性，并建立了相关的本构模型；采用分级加载的方式，对EPS混凝土进行了单轴峰前、峰后应力松弛试验，根据试验结果系统研究了沙漠砂EPS混凝土的峰前、峰后应力松弛特性；对广义Kelvin模型引入损伤变量，建立了沙漠砂EPS混凝土应力松弛损伤模型，并结合Levenberg- Marquardt优化算法对参数进行了辨识。最后起草制定了企业标准一部，联合企业申请的建设科技成果推广项目得到批复，协助企业解决了工程应用中的一些问题。