橋梁混凝土疲勞損傷特征及對滲透性的影響

傅宇方，張守祺，牛荻濤，苗元耀

(1.交通運輸部公路科學(xué)研究院 交通運輸部舊橋檢測與加固行業(yè)重點實驗室，北京 100088；3.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710311)

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橋梁混凝土疲勞損傷特征及對滲透性的影響

傅宇方1，張守祺1，牛荻濤2，苗元耀2

(1.交通運輸部公路科學(xué)研究院 交通運輸部舊橋檢測與加固行業(yè)重點實驗室，北京 100088；3.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710311)

疲勞荷載和環(huán)境腐蝕的共同作用加劇了混凝土橋梁損傷與劣化，針對疲勞損傷對混凝土滲透性的影響，本文開展了三點彎曲疲勞試驗，引入疲勞殘余應(yīng)變表征橋梁混凝土疲勞損傷，分析了混凝土疲勞損傷過程，研究了疲勞損傷對透水性和透氣性的影響規(guī)律與作用機理。結(jié)果表明：疲勞損傷對疲勞應(yīng)力水平、疲勞循環(huán)次數(shù)和應(yīng)力狀態(tài)敏感，疲勞損傷度會顯著提高混凝土透水性和透氣性。MIP測試表明，有害孔和微裂縫數(shù)量增加是導(dǎo)致混凝土滲透性增大的細觀成因。

橋梁工程；混凝土；疲勞損傷；殘余應(yīng)變；滲透性；孔結(jié)構(gòu)

0 引言

混凝土橋梁是我國公路橋梁的主體，未來20 a將有50%以上橋梁服役齡期超過30 a，混凝土橋梁服役安全將是橋梁養(yǎng)護面臨的重大挑戰(zhàn)。橋梁是跨江越海和穿越山嶺的重要生命線工程，隨著交通流量和車輛荷載的快速發(fā)展，以及鹽凍、海洋、濕熱和酸雨環(huán)境的長期作用，疲勞荷載和環(huán)境侵蝕的共同作用對混凝土橋梁長期安全服役的影響已成為世界性難題。

從20世紀50年代至今，國內(nèi)外開展了大量關(guān)于靜載條件下混凝土耐久性影響的研究工作。研究成果主要集中于素混凝土試件和鋼筋混凝土構(gòu)件拉壓應(yīng)力作用對混凝土碳化[1-3]、氯離子擴散[4-6]、凍融損傷和硫酸鹽腐蝕等[7-8]的影響和計算模型。有關(guān)疲勞荷載對混凝土耐久性影響處于發(fā)展起步研究階段，研究集中于疲勞荷載作用下混凝土氯離子傳輸預(yù)測模型[9-10]、硫酸鹽腐蝕和疲勞荷載共同作用下混凝土損傷模型[11]，以及凍融作用下預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)疲勞可靠性[12]。

工程實踐表明，疲勞荷載和環(huán)境侵蝕的共同作用是加劇混凝土橋梁損傷和劣化的根本原因。雖然國內(nèi)外混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范提出了結(jié)構(gòu)疲勞強度驗算方法，但是，尚未考慮疲勞荷載和環(huán)境腐蝕的共同作用。針對我國重載交通公路的實際荷載[13]和中小跨徑公路鋼筋混凝土橋梁特點，本文依據(jù)橋梁設(shè)計荷載和重載交通實際荷載，計算提出了橋梁混凝土疲勞試驗控制應(yīng)力水平[13]，引入了混凝土疲勞殘余應(yīng)變表征疲勞損傷度，分析疲勞損傷對橋梁混凝土透氣性和透水性的影響規(guī)律及其細觀機理，進一步說明耐久性對混凝土結(jié)構(gòu)疲勞性能設(shè)計的重要性。

1 試驗方法與試驗方案

1.1 原材料與混凝土配合比

水泥：陜西涇陽聲威牌42.5級普通硅酸鹽水泥；粉煤灰：西安宏源Ⅰ級粉煤灰；粗骨料：5～31.5 mm連續(xù)級配碎石；細骨料：連續(xù)級配河沙，細度模數(shù)2.0；減水劑：萘系高效減水劑；拌和水：自來水?；炷僚浜媳纫姳?，28 d抗壓強度和抗折強度分別為43.7 MPa和5.1 MPa。

表1 混凝土配合比(單位：kg·m-3)

1.2 疲勞損傷試驗

混凝土疲勞試件尺寸為150 mm×150 mm×550 mm，成型并標準養(yǎng)護24 h拆模，繼續(xù)標準養(yǎng)護至28 d齡期后進行三點彎曲疲勞試驗，見圖1。疲勞試驗控制應(yīng)力水平為0.50和0.55[13]，分別表征中小跨徑鋼筋混凝土橋梁設(shè)計荷載和重載交通實際荷載作用下的應(yīng)力響應(yīng)值。設(shè)置5個水平損傷度0，0.2，0.4，0.6和0.8，疲勞損傷度以殘余應(yīng)變與極限殘余應(yīng)變比值作為評價指標，見式(1)，或以疲勞損傷度與疲勞循環(huán)次數(shù)曲線關(guān)系確定，參見2.1節(jié)內(nèi)容，用于研究損傷度及其對滲透性影響作用。

(1)

式中，DN為疲勞損傷度；εn為疲勞循環(huán)n次的疲勞殘余應(yīng)變；εL為極限殘余應(yīng)變，疲勞循環(huán)至試件破壞時殘余應(yīng)變。

圖1 三點彎曲疲勞試驗(單位：mm)Fig.1 Fatigue test under 3-point bending condition(unit:mm)

1.3 透氣性、透水性和孔結(jié)構(gòu)試驗

采用Autoclam法[14]測試疲勞損傷后混凝土試件的滲透性，見圖2，分別測試試件受壓區(qū)和受拉區(qū)混凝土的透氣性和透水性?；炷量滋卣鹘Y(jié)構(gòu)測試采用壓汞法(MIP)法，切割已發(fā)生疲勞損傷的混凝土試件，分別選取受壓區(qū)和受拉區(qū)膠凝體碎塊，進行孔隙率、孔徑分布等特征值測試，壓汞法(MIP)法具體要求參照《壓汞法和氣體吸附法測定固體材料孔徑分布和孔隙度》(GB/T 21650—2008)。

圖2 Autoclam法測試滲透性Fig.2 Water permeability test with Autoclam method

2 結(jié)果與分析

2.1 疲勞損傷過程與和損傷度表征

經(jīng)大量三點彎曲疲勞試驗，獲得了混凝土試件疲勞殘余應(yīng)變與循環(huán)次數(shù)關(guān)系,見圖3。關(guān)系曲線規(guī)律表明，隨疲勞循環(huán)次數(shù)增加，混凝土疲勞殘余應(yīng)變呈單調(diào)增長趨勢。混凝土疲勞損傷過程中，殘余應(yīng)變曲線演變可以劃分為3個階段，第I階段殘余應(yīng)變隨疲勞循環(huán)次數(shù)緩慢增長；第II階段殘余應(yīng)變近似線性增長；第III階段殘余應(yīng)變快速增長至破壞。按照這種規(guī)律，第I階段、第II階段拐點和第II階段、第III階段拐點分別為起劣點(A點)和陡劣點(B點)[15]。應(yīng)力水平0.50和0.55下，起劣點、陡劣點和極限殘余應(yīng)變大致分別為8×10-6，70×10-6～80×10-6和265×10-6。

圖3 殘余應(yīng)變與疲勞循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.3 Residual strains vs. fatigue cyclic number

增加疲勞應(yīng)力水平，加速混凝土疲勞損傷過程，降低疲勞壽命特征顯著。應(yīng)力水平由0.50增加至0.55，起劣點、陡劣點和極限殘余應(yīng)變對應(yīng)的疲勞循環(huán)次數(shù)分別由8.3萬次降低至3.6萬次、22.2萬次降低至14.5萬次，以及28.5萬次降低至18.6萬次，降幅分別為57%，35%和35%。經(jīng)兩個疲勞應(yīng)力水平的疲勞試驗，試驗確定了疲勞損傷度與疲勞循環(huán)次數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，見表2。

表2 兩種疲勞應(yīng)力作用下疲勞損傷度與疲勞循環(huán)次數(shù)關(guān)系

結(jié)合疲勞試驗數(shù)據(jù)，利用式(1)計算了混凝土試件疲勞損傷度與疲勞循環(huán)次數(shù)關(guān)系，見圖4。疲勞損傷度與循環(huán)次數(shù)存在非線性關(guān)系表明，混凝土疲勞損傷隨循環(huán)次數(shù)增加，且非線性損傷特征顯著。混凝土疲勞損傷度與疲勞循環(huán)次數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，也可由上述關(guān)系曲線確定(N/N0也可用于定義疲勞損傷)。

圖4 疲勞損傷度與疲勞循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.4 Fatigue damage degrees vs. fatigue cyclic number

2.2 透水性

受壓區(qū)和受拉區(qū)混凝土透水性與疲勞損傷度的關(guān)系(見圖5和圖6)表明，疲勞損傷顯著提高混凝土透水性，并隨疲勞損傷度增加，影響作用程度加劇。在疲勞損傷度相同條件下，受拉區(qū)混凝土透水性提高幅度大于受壓區(qū)。在應(yīng)力水平0.50的疲勞荷載作用下，損傷度達到0.2，0.4，0.6和0.8試件受壓區(qū)透水性分別增加6%，35%，147%和268%，受拉區(qū)透水性分別增加19%，132%，260%和366%。在應(yīng)力水平0.55的疲勞荷載作用下，損傷度達到0.2，0.4，0.6和0.8的試件受壓區(qū)混凝土透水性分別增加3%，30%，133%和237%，受拉區(qū)混凝土透水性分別增加22%，136%，278%和379%。

圖5 受壓區(qū)混凝土透水性與損傷度關(guān)系Fig.5 Water permeability vs. damage degree at compressive area

圖6 受拉區(qū)混凝土透水性與損傷度關(guān)系Fig.6 Water permeability vs. damage degree at tensile area

應(yīng)力水平由0.50增加至0.55，在相同疲勞循環(huán)次數(shù)時，混凝土疲勞損傷度增加，當(dāng)疲勞循環(huán)次數(shù)超過75 000次后疲勞損傷幅度增幅加快，見圖4。需要注意的是，疲勞損傷度D<0.4時，受壓區(qū)混凝土透水性增幅緩慢，D≥0.4后透水性隨疲勞損傷呈線性增長；從疲勞損傷發(fā)生開始，受拉區(qū)混凝土透水性就隨疲勞損傷呈線性增長。由此發(fā)現(xiàn)，混凝土透水性增幅對受力狀態(tài)敏感，既壓縮已發(fā)生開裂的混凝土能夠限制透水性的增大。

2.3 透氣性

受壓區(qū)和受拉區(qū)混凝土透氣性與疲勞損傷度的關(guān)系(見圖7～圖8)表明，疲勞損傷明顯提高了混凝土透氣性，并且隨疲勞損傷度增加，影響作用程度加劇。相同疲勞循環(huán)次數(shù)作用下，受拉區(qū)混凝土透氣性增幅高于受壓區(qū)混凝土，影響作用規(guī)律與透水性類似。在應(yīng)力水平0.50的疲勞荷載作用下，損傷度達到0.2，0.4，0.6和0.8的試件受壓區(qū)混凝土透氣性分別增加0.5倍、1倍、4倍和12倍；受拉區(qū)混凝土分別增加1.5倍、5.5倍、10倍和18倍；當(dāng)應(yīng)力水平增至0.55，損傷度達到0.2，0.4，0.6和0.8試件受壓區(qū)混凝土透氣性分別增加0.5倍、1倍、5倍和11.5倍；受拉區(qū)混凝土分別增加1.5倍、5.5倍、11倍和18.5倍。

圖7 受壓區(qū)混凝土透氣性與損傷度關(guān)系Fig.7 Air permeability vs. damage degree at compressive area

圖8 受拉區(qū)混凝土透氣性與損傷度關(guān)系Fig.8 Air permeability vs. damage degree at tensile area

應(yīng)力水平由0.50增加至0.55，混凝土透氣性增幅對受力狀態(tài)敏感，壓縮已發(fā)生開裂的混凝土能夠抑制透氣性的增加。這個規(guī)律與疲勞損傷混凝土透水性演變規(guī)律類似。

2.4 孔結(jié)構(gòu)

通過混凝土MIP試驗，獲得了疲勞損傷混凝土閾值孔徑和有害孔含量(大于50 nm)與損傷度關(guān)系，見圖9～圖10。隨著疲勞損傷增大，閾值孔徑和有害孔比例有一定程度增加，這表明疲勞損傷產(chǎn)生的微裂紋連通了小尺寸的無害孔(小于20 nm)或少害孔(20～50 nm)。MIP測試發(fā)現(xiàn)，同一試件的不同取樣區(qū)孔隙率測試結(jié)果存在差異(試件取樣區(qū)劃分見圖11)，混凝土純彎段區(qū)混凝土有害孔數(shù)量增幅高，閾值孔徑顯著增大，之外區(qū)域的混凝土孔隙率增幅微小。

圖9 閾值孔徑與疲勞損傷度關(guān)系Fig.9 Threshold pore size vs. fatigue damage degree

圖10 有害孔比例與疲勞損傷度關(guān)系Fig.10 Harmful pore ratio vs. fatigue damage degree

圖11 壓汞法取樣測區(qū)布置(損傷度0.4)Fig.11 Arrangement of sampling at test area using mercury intrusion porosimetry (damage degree=0.4)

疲勞損傷導(dǎo)致混凝土微裂縫生成，是影響材料疲勞損傷和滲透性的重要原因。文獻[16]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)應(yīng)力水平達到0.60～0.85時，軸心抗壓疲勞荷載導(dǎo)致混凝土內(nèi)微裂縫數(shù)量大幅度提高。文獻[17]研究發(fā)現(xiàn)，微裂縫能使混凝土氯離子擴散系數(shù)增加2～10倍。受限于微裂縫測試技術(shù)和量化評價方法，有關(guān)疲勞損傷誘致的微裂縫對耐久性影響的研究報道較少，亟待開展深入研究。

3 結(jié)論

(1)在疲勞荷載的作用下，混凝土疲勞損傷與疲勞應(yīng)力水平和疲勞循環(huán)次數(shù)存在函數(shù)關(guān)系。在混凝土疲勞損傷發(fā)展過程中，殘余應(yīng)變具有單調(diào)遞增特征，呈現(xiàn)出緩慢、線性穩(wěn)定和非線性快速增長3個階段，殘余應(yīng)變反映了疲勞損傷不可恢復(fù)特性。在實際應(yīng)用中，混凝土疲勞損傷可用殘余應(yīng)變與極限殘余應(yīng)變比值進行評價，也可用疲勞循環(huán)次數(shù)與極限疲勞循環(huán)次數(shù)的比值進行評價。

(2)隨著混凝土疲勞損傷度D的增大，透水性和透氣性將不斷提高。當(dāng)D≥0.4后，透水性和透氣性隨疲勞損傷呈線性增長?；炷镣杆院屯笟庑栽龇鶎κ芰顟B(tài)敏感，壓縮已發(fā)生開裂的混凝土能夠抑制透水性和透氣性的增加。

(3)疲勞損傷能夠顯著提高混凝土滲透性，當(dāng)疲勞荷載和環(huán)境共同作用時能大幅度降低橋梁混凝土耐久性，導(dǎo)致混凝土橋梁結(jié)構(gòu)疲勞壽命低于單一疲勞荷載作用下的壽命，因此，在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計和服役結(jié)構(gòu)評定中，混凝土橋梁疲勞強度計算模型應(yīng)當(dāng)考慮疲勞荷載和環(huán)境共同作用的影響，而耐久性計算模型和評定方法應(yīng)考慮車輛疲勞荷載的影響。

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Fatigue Damage Characteristics of Bridge Concrete and Its Effect on Permeability

FU Yu-fang1, ZHANG Shou-qi1, NIU Di-tao2, MIAO Yuan-yao2

(1.Research Institute of Highway, Key Laboratory of Bridge Detection & Reinforcement Technology,MOT, Beijing 100088, China;2. School of Civil Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology,Xi’an Shaanxi 710311, China)

The damage and deterioration of concrete bridge subjected to fatigue loads and environmental corrosion is sped up in practice, so it is important to study the effect of fatigue damage on the permeability of the concrete. A cyclic test of three-point bending is conducted. The fatigue residual strain is introduced to represent the fatigue damage of bridge concrete. The fatigue damage process and its influence on water and air permeability are studied. The result indicates that (1) the fatigue damage is sensitive to fatigue stress level, fatigue cycles and stress states; (2) the fatigue damage degree can remarkably increase the water and air permeability of concrete. MIP observation shows that the harmful pores and the microscopic cracks are the fundamental factors to increase the permeability of concrete.

bridge engineering；concrete; fatigue damage; residual strain; permeability; pore structure

2015-06-10

交通運輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目(2013 319 223 110)

傅宇方(1972-)，男，內(nèi)蒙古海拉爾人，博士，研究員.(yf.fu@rioh.cn)

10.3969/j.issn.1002-0268.2016.12.014

U444

A

1002-0268(2016)12-0088-05