第40卷第2期2010年3月东南大学学报(自然科学版)JOURNAL O F SOU THEAST UN I V ERS ITY (N atural Science Edition )V ol .40N o .2M ar .2010doi:10.3969/j .issn .1001-0505.2010.02.028弯曲疲劳载荷作用下结构混凝土抗氯离子扩散性能蒋金洋 孙 伟 王 晶 王彩辉(东南大学江苏省土木工程材料重点实验室,南京211189)摘要:通过对疲劳损伤机理的分析,针对损伤发展的第2阶段,采用不同疲劳循环次数比对应的残余拉应变与疲劳破坏时对应的极限残余拉应变的比值来定义损伤变量,重点研究了疲劳载荷与氯盐协同作用下结构混凝土的耐久性及其寿命预测方法.研究结果表明:随着疲劳损伤所产生的残余拉应变的增大,氯离子在混凝土中的扩散系数逐渐增加;当残余拉应变超过60×10-6时,其增加幅度开始变得显著;当残余拉应变增加到120×10-6时,氯离子扩散系数提高了1个数量级.因此,在海洋大气环境与疲劳载荷的协同作用下,结构混凝土的服役寿命大大缩短.这些方法与结论可为疲劳载荷与环境因素协同作用下混凝土的耐久性设计与评估提供依据.关键词:结构混凝土;疲劳载荷;氯离子扩散;服役寿命中图分类号:TG 14614 文献标志码:A 文章编号:1001-0505(2010)022*******Resist ance to chlor i de i on di ffusi on of structural concreteunder bendi n g fati gue loadJ iang J inyang Sun W e i W ang J ing W ang C aihu i(J iangsu Key L aboratory for Construction M aterials,Southeast U niversity,N anjing 211189,C hina )Abstract:A cco rding to the analysis of fatigue dam age m echanism ,the dam age variab le is definedby the p roportion of relevant residual strain in various fatigue cycle life to u lti m ate cum ulative residu 2al strain in the second fatigue dam age stage .L ife p rediction m ethod of structural concrete that focu 2ses on the fatigue load coup led w ith chloride environm en tal factors is p resented by considering the effects of different fatigue degrees on the structural concrete durability .It is show n that the diffusion coefficient of chlo ride ion in the structural concrete increases w ith the increase of residual tensile strain .A s the residual tensile strain exceeds 60×10-6,the ing ression of chlo ride ions in to the con 2crete increases rap idly .W hile the residual strain is above 120×10-6,the d iffusion coefficient raisesnear 10ti m es com pared w ith the contro l concrete .Therefo re,service life of structu ral concrete is ob 2viously reduced by the m ulti 2dam age of bending fatigue and chlo ride environm ental loading .Them ethod and conclusion p rovide a good reference and basis for the research of concrete durability un 2der dynam ic load .Key words:structu ral concrete;fatigue load ing;chloride ion d iffusion;service life收稿日期:2009210221. 作者简介:蒋金洋(1974—),男,博士,讲师,jinyangjiang @.基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2009CB 623203)、国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2008AA 030704).引文格式:蒋金洋,孙伟,王晶,等.弯曲疲劳载荷作用下结构混凝土抗氯离子扩散性能[J ].东南大学学报:自然科学版,2010,40(2):362-366.[doi:10.3969/j .issn .1001-0505.2010.02.028] 混凝土在服役过程中总要承受一定的荷载,如桥梁结构可能承受动载、静载等.因此,在混凝土耐久性研究过程中,应考虑荷载与环境条件的复合作用.从20世纪50年代开始就有了对应力状态下混凝土抗腐蚀性的研究[1].到目前为止,国内外对荷载作用下混凝土抵抗氯离子渗透与扩散的性能已进行了大量的研究,结果表明[2]:压荷载不超过极限荷载的50%时对混凝土抗氯离子扩散性能影响不大,但弯曲荷载明显劣化了混凝土的抵抗氯离子扩散的能力.而动载荷对混凝土抵抗氯离子渗透性能的影响却鲜有报道.Saito等[3]对经受静态和抗压疲劳损伤后的混凝土进行了抗氯离子渗透性研究后发现(测量卸载以后的混凝土导电量):即使静态荷载达到极限强度的90%,对导电量也没有多大的影响;应力水平小于50%时,循环荷载对导电量的影响不明显,而当应力水平超过60%时,循环荷载对导电量的影响却非常显著.N akhi等[4]也研究了轴心抗压疲劳与氯离子扩散交互作用的关系,得到了相似的结论:疲劳损伤加速了氯离子在混凝土内部的传输;当应力水平超过60%时,混凝土氯离子渗透性与应力的关系变得相当敏感.此外,陈拴发[5]分别研究了浸泡在硫酸钠、硫酸镁、氯化镁3种腐蚀介质中结构混凝土的强度变化,发现受腐蚀疲劳的结构混凝土强度劣化幅度远大于未受疲劳损伤的浸泡腐蚀试件.以上研究均以疲劳循环次数作为损伤指标,仅从宏观上定性了解疲劳损伤对混凝土抵抗氯离子渗透性能的影响.事实上,疲劳循环次数并不能真正表征混凝土的疲劳损伤程度,因此必须选择合理的疲劳损伤指标来表征混凝土的疲劳损伤程度,从而建立起疲劳损伤程度和氯离子扩散系数的定量关系.本文将选取残余拉应变作为损伤指标,将弯曲疲劳损伤后的结构混凝土试件长期浸泡,然后通过钻孔取样法来获取混凝土不同深度处的自由氯离子含量,建立疲劳损伤程度与氯离子扩散系数的定量关系,最后评价对结构混凝土服役寿命的影响.1 试验原材料与配合比111 原材料 水泥采用工程现场用的4215级P・O水泥,粉煤灰采用镇江苏源Ⅰ级粉煤灰.细集料采用赣江中粗河砂,细度模数为216,级配合格,表观密度为2650kg/m3.粗集料采用镇江茅迪玄武岩碎石,5～1615mm连续级配,表观密度为2700kg/m3.外加剂主要成分是聚羧酸型高分子聚合物,具有超塑化、高效减水和增强、低收缩等功能.水为清洁的自来水.112 配合比应用苏通大桥索塔(高304m)所用的结构混凝土(C50,塌落度为180～200mm,含气量(体积分数)为2.9%,28d的抗压强度为67M Pa)来研究弯曲疲劳损伤程度对氯离子扩散系数及其服役寿命的影响.配合比如表1所示.表1 结构混凝土配合比设计kg/m3ρ(水泥)ρ(粉煤灰)ρ(细集料)ρ(粗集料)ρ(水)ρ(减水剂) 381169514744107016031816 通过对所用混凝土的弯曲疲劳实验研究,建立了在95%保证率的疲劳方程,即S=1107-0109lgN F(1)式中,S为混凝土在运行过程中承受的最大动载荷应力水平;NF为相应的极限疲劳寿命.并且,经过对所配制的混凝土弯曲疲劳作用下的变形性能分析[6],得到该混凝土疲劳损伤过程中第2发展阶段结束时对应的残余应变为εpB=120×10-6.2 试验方法211 损伤变量选取 一般工程材料的疲劳变形都具有明显的三段式发展规律,其中第2阶段混凝土的变形随着疲劳荷载作用循环寿命比的增加呈线性增长,约占整个疲劳寿命的80%[6].根据对所配制混凝土的疲劳试验结果可知[7]:不论加载应力水平从0165～0180如何变化,混凝土疲劳损伤的第2阶段相对循环寿命均比较长,即n/NF≈0180,其中n为疲劳循环次数;疲劳失效时对应的残余极限拉应变εpC基本在300×10-6～360×10-6范围内波动,其波动范围较小,因此残余极限应变可以取为300×10-6.由上可见,混凝土疲劳变形的第2发展阶段呈线性发展,本文将重点研究这一发展阶段的疲劳损伤.根据上述分析,结合本文的弯曲疲劳试验结果,可得疲劳循环次数为n时对应损伤程度的计算公式为D N≈εpnεpC=εm in300(2)式中,DN为疲劳损伤变量;εpn为疲劳循环次数为n 时对应的残余拉应变.212 试验将试件尺寸为100mm×100mm×400mm的长方体进行弯曲疲劳试验.针对疲劳损伤发展的第2阶段,获得残余拉应变分别为0,30×10-6,60×10-6,90×10-6,120×10-6和150×10-6的混凝土试件.将这些疲劳到一定程度的混凝土试件浸泡在质量分数为315%的N aC l溶液中,采用干湿循环制度[2](混凝土浸泡到N aC l溶液中45h,放入烘箱中60℃烘24h,室温冷却3h,为一个循环周期)来加速氯离子在混凝土中的扩散.干湿循环20次后,即浸泡60d后,在试件的弯拉面和受压面的中间段363第2期蒋金洋,等:弯曲疲劳载荷作用下结构混凝土抗氯离子扩散性能取样,用钻孔法采集粉末样品,采样深度依次为0～5,5～10,10～15,15～20mm.再参照《水运工程混凝土试验规程》(J TJ 270—98)[8]的“混凝土中砂浆的水溶性氯离子含量测定”中的试验方法,测出在混凝土不同深度中的自由氯离子含量.假定混凝土是半无限均匀介质,氯离子在混凝土中扩散过程是一维扩散的,扩散时部分氯离子被混凝土结合,则其扩散方程为[2]C f =C 0+(C s -C 0)1-e rfx2D t(3)式中,x 为取样深度;C f 为x 深度的氯离子质量分数;C 0为混凝土内部初始氯离子质量分数,计算时取0;C s 为表层氯离子质量分数;D 为氯离子扩散系数;t 为扩散龄期.利用F ick 第二扩散定律和式(3)可以求解出氯离子扩散系数.3 试验结果分析311 疲劳损伤对混凝土氯离子扩散特性影响 不同疲劳损伤程度的结构混凝土在315%的N aC l 溶液中浸泡60d 后,即20个干湿循环后,进行不同深度处自由氯离子含量的测定,其试验结果如图1所示.图1 疲劳损伤程度对混凝土中自由氯离子含量的影响从图1可以看出,对遭受疲劳损伤作用后的结构混凝土,其各深度处的自由氯离子含量均随残余拉应变的增加而增大.在残余拉应变大于60×10-6时,自由氯离子含量的增幅显著.由于氯离子在混凝土中的扩散规律符合Fick 第二扩散定律,因此可根据式(3)计算出混凝土的氯离子表观扩散系数,计算结果如图2所示.其中,D load 为考虑疲劳损伤的混凝土中氯离子扩散系数.由图2可看出:1)随着残余拉应变增大,结构混凝土中的氯离子扩散系数增加,即5D load /5εp n 变化率越大.2)当残余拉应变超过60×10-6时,这种增长图2 不同疲劳损伤程度下混凝土中氯离子扩散系数的比较幅度变得明显;当疲劳损伤达到120×10-6时,结构混凝土的氯离子的扩散系数是未疲劳损伤混凝土的2倍以上.3)混凝土的氯离子扩散系数与其疲劳损伤过程中产生的残余拉应变存在如下关系式:D load =312+018exp εp n45(4) 根据上述分析可得出,残余拉应变分别为60×10-6和120×10-6时是影响混凝土耐久性的2个特征点,可分别作为影响结构混凝土中氯离子扩散的起劣点和陡劣点.312 疲劳载荷与氯离子协同作用下结构混凝土寿命预测模型的建立 根据混凝土弯曲疲劳损伤机理[7],整个疲劳损伤过程的第2发展阶段中,残余拉应变呈线性增长的趋势.因此,残余拉应变的发展与相对循环寿命比的变化保持一致.为了简化计算,假设疲劳过程中结构混凝土产生的残余拉应变是从第2发展阶段开始的,而且这一阶段约占整个疲劳过程的80%(第1,3阶段各占10%),则有下式成立:nN F-011018=εpn εp B(5)式中,N F 可由式(1)求出.利用循环比的等价关系,可以定义nN F =T ×n d ×36510(a -S m ax)/b(6)式中,T 为结构混凝土的服役时间,a;n d 为结构混凝土日承受的动载荷次数.把式(6)代入式(5)可得5×T ×n d ×3654×10(a -S m ax )/b-18=εpn εp B(7)将式(7)代入式(4)可得到协同作用下氯离子扩散系数关系式,即463东南大学学报(自然科学版) 第40卷D load =312+0.8e0.023T -0.33(8)将式(8)代入式(3),得到二者协同作用下的混凝土寿命预测方程,即 C f =C 0+(Cs -C 0)・1-e rf 1000x2312+018e01023T -0133×1365×3600×24T(9)依据式(9),就可得到混凝土氯离子扩散系数和自由氯离子含量随桥梁服役年限的变化规律.计算时以海洋大气环境为例,参数的取值来自青岛胶州湾海底隧道的资料[9]:海洋大气区C s =0110%～0115%,钢筋锈蚀临界氯离子质量分数C f =0107%(混凝土),70mm ,承受疲劳载荷的最大应力水平为012.计算结果如图3所示.图3 在疲劳载荷作用下混凝土的氯离子扩散性能与服役龄期的关系由图3可看出:1)疲劳损伤显著提高了氯离子在混凝土中的扩散系数,劣化了混凝土抗氯离子扩散的能力.在混凝土结构服役的早期10～20年内,疲劳载荷对混凝土氯离子扩散系数的影响不大;在桥梁运营30～40年后,此循环寿命比对应的混凝土的残余拉应变为30×10-6～45×10-6,疲劳损伤开始影响混凝土氯离子扩散系数的变化;当桥梁的服役寿命超过50年后,对应的混凝土的残余拉应变为60×10-6左右,达到影响氯离子扩散的初劣点,从而导致氯离子扩散系数大幅度提高.2)在疲劳载荷与海洋大气环境协同作用下,大大缩短了结构混凝土结构的服役寿命.按照引起钢筋锈蚀的临界氯离子质量分数为0107%计算,如果不考虑疲劳损伤对氯离子扩散系数的影响,则结构混凝土的服役寿命在140年左右;单纯在最大应力水平为012的疲劳载荷作用下,结构混凝土的使用寿命在160年左右.然而,在疲劳损伤对氯离子扩散性能的影响下,该混凝土的服役寿命在80年左右,均低于单一环境因素作用下的混凝土服役寿命.在海洋大气环境中服役的索塔锚固区混凝土工程是遭受疲劳载荷作用的,因此,必须把疲劳载荷与氯离子作用结合起来才能对混凝土结构的服役寿命进行准确的评估.同时,对结构混凝土而言,必须通过掺加矿渣等活性掺合料来结合混凝土中的氯离子,从而降低结构混凝土中自由氯离子的含量,提高海洋环境中混凝土的服役寿命.4 机理分析通常认为,氯离子在混凝土中的扩散符合Fick 第二定律,其中扩散系数与混凝土的孔和裂缝结构密切相关.因此,应当把氯离子扩散性能与荷载引起的微裂缝结合起来研究.Sam aha 等[10]的研究结果表明:静载下砂浆裂纹发展的严重程度决定了混凝土对水流通过其内部的抵抗能力.当然,荷载对混凝土渗透性的影响,不仅取决于荷载自身的取值,而且还与所产生的裂缝宽度有密切的关系.W ang 等[11]研究了荷载裂缝宽度对于混凝土渗透性的影响,发现裂缝加速了水分的迁移速率,其影响程度取决于裂缝的宽度;当卸载前裂缝开口位移低于50μm 时,裂缝对于混凝土的抗渗性的影响不大,而当裂缝宽度从50μm 增加到200μm 时,混凝土的渗透性会急剧增大.同时,G érard 等[12]采用计算模型的方法发现裂缝的存在可使得扩散系数增加2～10倍,而且混凝土本身越密实,其扩散性受微裂纹的影响就越显著.大量研究表明[13],混凝土材料无论是在静态荷载还是在疲劳荷载作用下,其破坏过程就是裂缝在界面和基体中演化及扩展的过程.高周循环次数的疲劳则从集料与水泥砂浆之间的界面开始,经过一个缓慢、渐进的过程逐渐演变成一整条裂纹[14].通过细观试验,Shah 等[15]也观察到应力水平为0160～0185的轴心抗压疲劳荷载导致了混凝土内更多的微裂纹生成.通过以上对混凝土疲劳破坏的微观机理的研究发现,正是疲劳载荷的作用使混凝土产生损伤,而这种损伤以裂缝和有害孔的方式表现出来.疲劳过程中产生的残余拉应变越大,意味着混凝土损伤源的数量越多且尺度越大.在疲劳损伤较小时,混凝土的缺陷主要来自于原生微裂纹的发展,原生裂纹数量不多且尺度较小,混凝土内部的孔结构变化也不大,因此对氯离子的扩散系数影响较小.当疲563第2期蒋金洋,等:弯曲疲劳载荷作用下结构混凝土抗氯离子扩散性能劳损伤达到一定程度时,混凝土自身原有的缺陷在数量、尺度和分布上都很大,尤其在干湿循环的作用下,氯离子扩散系数对这些尺度上的微裂纹和劣化的毛细孔比较敏感,因此其扩散系数会大幅度升高.因此,在疲劳载荷作用下,结构混凝土内部产生了裂缝和孔结构的变化,最终导致了混凝土中氯离子扩散系数的变化.5 结论1)针对疲劳损伤发展的第2阶段,采用不同疲劳循环寿命比对应的残余拉应变和疲劳破坏时相对应的极限残余拉应变的比值来定义损伤变量,利用其研究疲劳载荷与氯盐协同作用下混凝土的耐久性是可行的.2)随着疲劳损伤的增加,结构混凝土中氯离子的扩散系数变大.3)残余拉应变分别为60×10-6和120×10-6时,对应着结构混凝土抵抗氯离子扩散性能劣化的起劣点和陡劣点.4)弯曲疲劳载荷与氯盐的协同作用大大缩短了结构混凝土的服役寿命,导致使用寿命明显低于单一环境因素作用下的结构混凝土服役寿命.参考文献(References)[1]M OC KBиH B M.混凝土及钢筋混凝土的腐蚀及其防护方法[M].倪继水,等译.北京:化学工业出版社,1988.[2]金祖权.西部地区严酷环境下混凝土的耐久性与寿命预测[D].南京:东南大学材料科学与工程学院,2006.[3]S aito M itsuru,L shi m ori H iroshi.C hloride per m eabilityof concrete under static and repeated com p ressive load2 ing[J].C em ent and C oncrete Resea rch,1995,25(4):803-805.[4]N akhi A E,X i Y,W illam K,et al.The effect of fa2tigue loading on chloride penetration in non2saturatedconcrete[C]//P roceeding of European C ongress onC omputa tiona l M ethods in App lied Sciences and Engi2neering.B arcelona,Spain,2000.[5]陈拴发.高性能混凝土应力腐蚀与腐蚀疲劳特性研究[D].西安:长安大学材料科学与工程学院,2004.[6]蒋金洋.超高程泵送H PFRCC的服役性能研究[D].南京:东南大学材料科学与工程学院,2008.[7]洪锦祥.含气量与冻融损伤对混凝土疲劳性能的影响[D].南京:东南大学交通学院,2007.[8]中华人民共和国交通部.JTJ270—98水运工程混凝土试验规程[S].北京:人民交通出版社,1998.[9]曲立清,金祖权,赵铁军,等.海底隧道钢筋混凝土基于氯盐腐蚀的耐久性参数设计研究[J].岩石力学与工程学报,2007,26(11):2334-2339.Q u L iqing,J in Zuquan,Zhao Tiejun,et al.S tudy on durability param eter design of subsea tunnel reinforced concrete based on chloride corrosion[J].C hinese J our2 na l of RockM echanics and Engineering,2007,26(11): 2334-2339.(in C hinese)[10]Sam aha H R,H over K C.Influence of m icrocrackingon the m ass transport p roperties of concrete[J].AC I M a teria ls J ourna l,1992,89(4):416-424.[11]W ang K J,Jansen D C,S hah S P.Per m eability studyof cracked concrete[J].C em ent and C oncrete Re2sea rch,1997,27(3):381-393.[12]Gérard B,M archand J.Influence of cracking on thediffusion p roperties of cem ent2based m aterials.PartⅠ:influence of continuous cracks on the steady2stateregi m e[J].C em ent and C oncrete Resea rch,2000,30(1):37-43.[13]H orii H,S hin H C,Pallew atta T M.M echanism of fa2tigue crack grow th in concrete[J].C em ent and C on2crete C omposites,1992,14(2):83-90.[14]郑克仁.矿物掺合料对混凝土疲劳性能的影响及机理[D].南京:东南大学材料科学与工程学院,2005.[15]Shah S P,C handra S.Fracture of concrete subjected tocyclic and sustained loading[J].J ourna l of the Am eri2can C oncrete Institute,1970,67(10):816-825.663东南大学学报(自然科学版) 第40卷。
