基于裂缝影响分析的混凝土抗冻融与抗氯离子渗透性能劣化机制及其寿命预测

The failure of the concrete structure durability is a common problem in engineering industry. Current durability design methods ignore the fact that concrete is working with cracks and it might affect concrete service life accordingly. This project carries out fundamental research on mechanism and patterns of resistance to freezing-thawing cycles and chloride penetration of concrete under the influence of surface cracks. The main content includes: CT scanning and analyzing of concrete surface cracks character and characteristic parameters; testing chloride ion diffusion coefficients of concrete with different crack character and observing developing patterns of micro-cracks under freezing-thawing cycles through experiments; discussing the impact of surface cracks on concrete resistance to chloride impermeability and freezing-thawing cycles; conducting a study on numerical models and corresponding boundary and initial conditions of surface cracks; by using experiments in combination with numerical simulation, analyzing inner damage accumulation of concrete with surface cracks under coupling actions of chloride penetration and frost-thaw cycles; proposing a concrete durability prediction model on the base of surface cracks character. The project aims to reveal the influence of surface cracks on concrete durability degradation and provide theory basis for putting forward more reasonable and complete design methods to effectively overcome problems of concrete durability failures.

混凝土结构的耐久性失效是工程界面临的共同难题，当前的耐久性设计方法并未考虑混凝土带裂缝服役、使其耐久性寿命受到影响的事实。本项目对表层裂缝影响混凝土抗氯离子渗透和抗冻融性能的机制和规律进行基础科学研究。具体内容包括：CT扫描与分析混凝土表层裂缝的性状和特征参量；通过实验，测试不同裂缝性状下混凝土氯离子扩散系数和冻融循环下混凝土内部微裂纹的变化规律，讨论表层裂缝对混凝土抗氯离子渗透和抗冻融性能的影响规律；研究混凝土表层裂缝的数值建模及其边界和初始条件；结合实验和数值模拟分析表层裂缝混凝土在氯离子渗透和冻融循环耦合作用下的内部损伤累积，构建基于表层裂缝性状的混凝土耐久性寿命预测模型。本项目旨在揭示表层裂缝对混凝土耐久性劣化的影响规律，为有效地克服混凝土结构的耐久性失效问题和提出更为合理、完善的耐久性设计方法提供理论依据。

本项目研究采用理论推导、试验和计算分析相结合的方法，主要在以下方面取得了研究成果：1）观测了混凝土收缩裂缝的几何形貌，得到了收缩裂缝非常重要的几何参数-深宽比特征，其均值约为44.31，开裂角度均值约为2.6度；2）采用正交试验方法对开裂混凝土进行抗冻性能的敏感因素分析，得出裂缝深度是所有几何参数中影响抗冻融性能最为显著因素的结论；3）完成了多种裂缝深度的混凝土冻融试验，分析了缝宽、缝深对抗冻融性能的影响规律。试验结果表明，裂缝深度显著影响了混凝土冻融损伤的发展；裂缝深度为试件尺寸（B）的30%是损伤发展的分界线，裂缝深度小于30%B时，冻融初期存在损伤不发展的平台，而当缝深大于30%B后，这一平台消失且冻融损伤发展速度明显较缝深小于30%B的快；当缝宽和缝深耦合变化时，上述趋势更为明显；4）平均宽度是表征裂缝对开裂混凝土渗透性影响的适宜参量；开裂混凝土中氯离子的渗透系数与裂缝宽度成正线性关系，并且当收缩裂缝宽度小于0.15mm时，裂缝对渗透系数影响很小。5）氯离子浓度对渗透系数的影响存在峰值，在一定浓度范围内可用上凸的二次多项式来表示；对混凝土耐久性破坏最严重的危险氯离子浓度范围为4%~6%；当氯离子浓度大于10%时，混凝土中氯离子渗透系数反而保持在较低水平。6）基于电学原理，针对开裂对氯离子渗透的影响提出一种新的渗透理论模型。该模型能综合反映裂缝深宽比参数与离子浓度对混凝土抗渗性能的影响，结合本课题组已完成的混凝土耐久性寿命预测研究结果，为混凝土抗氯离子渗透方面寿命预测引入了更符合实际情况的两个因素。7）创新的提出了开裂混凝土冻融损伤表征的力学指标，建立了考虑裂缝几何特征的冻融损伤方程。这一表征指标可以由试件的轴压测试获得，从而避免进行耗时耗力的冻融试验，可直接由力学性能测试的结果进行冻融寿命的预测分析。为混凝土结构在带裂缝服役下的寿命预测与分析提供了理论基础。