钢桥面高延性水泥基材料铺装层疲劳损伤与自愈合耦合作用机理

This proposal atempts to tackle a common problem facing bridge engineer:premature failure of steel bridge deck pavement due to fatigue damage under heavy traffic loads, via selfhealing effect of highly ductile Engineered Cementitious Composites on the fatigue cracks.While traditional methods typically consist of enhancement of fracture toughness of pavement material and/or repairing by various materials, this approach is fundamentally different from them in that it heals its damage by taking advantage of the secondary hydration of fly ash or the recrystallization of calcium carbonate over the microcrack damage sites of ECC. Therefore, the repair activity is automatic and at very low cost, resulting in long-lasting fatigue life. Major research tasks include:1)Development of high early strength ECC for steel bridge deck pavement based on micromechanics;2)Mechanisms and major influcing factors for selfhealing to occur in high early strength ECC;3)Factors and prediction for fatigue life of ECC under flexural loads;4)Interaction mechanisms of selfhealing effect and fatigue damage of ECC.

本项目针对我国钢桥面铺装层在重载作用下疲劳损伤和使用寿命过短的常见问.题，提出了利用高延性ECC 材料的自愈合功能对疲劳裂缝进行自我修复从而提高其使用寿命.的研究思路，这与以前的提高铺装层抗疲劳能力研究在范式上具有根本的区别：即不是通过.提高铺装层的韧性或事后修补的方法，而是鉴于桥面混凝土处于开裂状态的常态，利用微裂.缝高延性ECC 材料的二次反应或碳酸钙的沉淀结晶来使裂缝愈合，从而大大提高其抗疲劳性.能并延长疲劳寿命。主要研究内容包括：1）基于微观力学，进行基于ECC 的早强型钢桥面.铺装水泥基材料的设计；2）早强型水泥基材料ＥＣＣ的自愈合的行为机理及其关键材料、.环境影响因数；3）弯拉荷载作用下ＥＣＣ疲劳寿命的影响因素和预测；4）ＥＣＣ材料的自.愈合行为和疲劳损伤的相互作用机理。

本项目是利用具有自愈合性能的高延性ECC来解决钢桥面铺装层的在重载作用下的疲劳耐久性问题。在2013-2016年资助期间，本项目研究进展顺利。本项目首先基于ECC材料微观力学设计原理，利用本地材料发展出满足“早强型，高流动性，高延性”的钢桥面铺装层水泥基材料基本配比。然后研究了不同的材料变量以及环境变量对ECC材料自愈合行为的影响。最后通过实验研究了ECC材料的疲劳特性以及自愈合与疲劳的耦合作用机理。.基于本项目研究，成功的研发出了具有“早强型，高流动性，高延性”特性的ECC材料，并且满足钢桥面铺装材料的基本要求。同时实验研究结果表明，提高粉煤灰掺量有助于获得较小的裂缝宽度，有利于ECC材料的自愈合行为。另外研究表明ECC材料自愈合的产物主要是CaCO3与CSH的组合物，而且在有水的环境下自愈合效果较优。其中饱和氢氧化钙溶液和60℃热水最有利于自愈合的进程。ECC材料表现出了极高的疲劳寿命，在同等应力条件下，ECC的疲劳寿命要远远大于普通水泥混凝土材料。其疲劳破坏主要是由于裂缝间的纤维桥接性能随着动态加载次数的增加而衰化。.本项目的研究成果将丰富我国钢桥面铺装材料与结构技术理论和实践，深化认识高延性ECC材料的自愈合机理与疲劳损伤的耦合作用机理，使我国在这一领域的研究达到国际水平。研究成果不仅具有学术价值，还为推广具有自愈合能力的ECC 在我国重载钢桥面铺装工程中的应用提供丰富的试验和理论依据，具有广阔的市场前景。同时该研究还可为其他疲劳耐久性要求较高的土建结构，如高速公路，高速铁路桥梁等提供很好的借鉴。