带碱骨料损伤钢筋混凝土结构的多尺度弱化机理研究

The alkali-aggregate reaction is one of the major factor leading to the deterioration of the mechanical properties and long-term properties of reinforcement concrete structures. Many researches have been conducted to predict and suppress the mechanism of gel formation and expansibility at material level. However the restraint effect of reinforcement is not considered in this researches, and the global behavior of reinforcement concrete structure at a structural scale could not be predicted. Therefore, to research the deterioration mechanism at multi scale is great significance and engineering value. This project is proposed to conduct a series of pull-out experiments of specimen affected by alkali-aggregate reaction to analyze the attenuation character of the ultimate bearing capacity and the distribution mechanism of the gel products and micro cracks. Based on the test data and the scheme of the solid-liquid two-phase theory, the chemo-hygral concrete model considering the restraint effect and the bond model considering the damage of alkali-aggregate reaction will be developed, in which both the mechanism of the alkali-aggregate reaction at micro-scale and the restraint effect of reinforcement at meso-scale, as well as the degradation of mechanical property at macro-scale could be coupled together. A series of numerical simulation is conducted to optimize and verify this multi-scale analysis method of reinforcement concrete structure. This research aims to enrich and develop the design and calculate theory of the alkali-aggregate damaged reinforcement concrete structure, and is of great significance to the structural assessment and the selection of the strength method.

碱骨料反应是影响混凝土耐久性能的重要因素之一，会严重降低钢筋混凝土结构的力学性能和长期性能。目前关于碱骨料的研究主要集中在材料劣化机理层面，并未在结构层次考虑钢筋的作用，难以用于结构损伤程度的量化评估。因此，开展本研究具有重要的理论意义和工程实用价值。本研究拟通过带损伤试件的钢筋拉拔试验分析极限承载力随碱骨料反应时间的弱化规律及碱骨料产物和微裂缝的分布机制；根据试验结果，基于流-固两相渗流力学理论开发考虑钢筋约束尺寸效应的混凝土化学-力学耦合损伤模型和考虑碱骨料损伤的钢筋-混凝土界面模型，对微观尺度的反应机理、细观尺度的钢筋约束尺寸效应和粘结机理及宏观尺度的力学性能劣化进行多尺度耦合分析；基于数值模拟试验，对建立的分析方法进行优化和修正，实现对带损伤结构剩余承载性能的预测。研究成果将丰富和创新带碱骨料损伤钢筋混凝土结构的设计与计算理论，对带损伤结构性能的评估及预测具有重要的科学意义。

碱硅酸反应（Alkali-Silica Reaction）从上世纪40年代被工程界的学者发现以来就被誉为混凝土的“癌症”，ASR是影响钢筋混凝土结构服役期耐久性最重要的因素之一，而钢筋-混凝土的粘结性能影响了钢筋混凝土结构在服役期的安全性。因此，研究ASR影响下的钢筋-混凝土的粘结性能的变化规律及钢筋与混凝土之间的膨胀作用关系有着重要的意义。论文通过试验研究得到了ASR影响下的钢筋-混凝土劣化规律和钢筋对碱骨料的约束作用，基于试验结果建立了考虑碱骨料损伤效应的钢筋-混凝土模型，准确预测了ASR影响下的钢筋-混凝土粘结强度变化。论文的主要工作和研究成果包括以下3点：.（1）设计了不同钢筋直径和箍筋设置的拉拔试件，并对其进行加速碱骨料试验，研究不同碱骨料程度下的混凝土膨胀规律及钢筋对混凝土的膨胀性能的影响，量化了钢筋-混凝土结构的不同损伤程度，为工程结构钢筋混凝土在ASR影响下的劣化程度提供参考。.（2）进行了不同钢筋直径和箍筋设置的拉拔试件在不同ASR损伤程度的情况下的拉拔试验，研究ASR影响下的钢筋-混凝土粘结性能的变化规律及其与混凝土膨胀率之间的相互关系，并将膨胀率作为ASR影响下的粘结强度的衰减量化指标，为数值模型的开发提供必要的支持。.（3）在试验结果的基础上，建立了钢筋-混凝土粘结强度的仿真模型，进一步将膨胀率作为损伤量化指标，基于混凝土力学模型、ASR膨胀模型和孔隙力学模型，提出了考虑碱骨料损伤效应的钢筋-混凝土三维有限元粘结强度数值模型，并通过试验结果对模型进行验证。