混凝土开裂已成为现代混凝土的常见病害,裂缝往往成为有害介质的快速入侵通道,诱发混凝土耐久性问题。同时,在疲劳荷载与环境因素耦合作用下,也易导致混凝土结构耐久性劣化从而提前发生破坏,严重影响了混凝土的使用寿命。因此,超高索塔锚固区用的钢纤维混凝土除了具有超高泵送的特殊性能外,同时也要满足高抗裂、在疲劳与环境因素协同作用下高耐久性的要求。为了满足其泵送性能和优异的力学行为,本文经过优化混凝土基体组成和纤维外形与尺度,制备了索塔锚固区专用的钢纤维混凝土材料(HPSFRC),并系统研究了其泵送、抗拉、弯曲韧性、断裂能以及钢筋与钢纤维混凝土的粘结等性能。接着,对该纤维混凝土抑制非荷载裂缝和抵抗结构裂缝的能力进行了研究,以确保其优异的抗裂性能。然后,定量描述了混凝土疲劳损伤的变形规律和刚度劣化规律,建立了广义损伤变量的理论模型,从而为混凝土耐久性的研究提供了基础。最后,重点研究了疲劳载荷与环境因素耦合作用下混凝土的耐久性及其寿命预测方法。这些结论不仅有益于拓宽超高程泵送钢纤维混凝土的应用,而且还能为疲劳载荷与环境因素耦合作用下混凝土的耐久性设计与评估提供依据。全文的研究内容共分为六大部分。　　 第一部分:超高程泵送钢纤维混凝土的制备技术　　 通过优化纤维的尺度、外形及掺量,制备出泉程高达306米且满足施工要求的钢纤维混凝土。该泵送钢纤维混凝土不仅与钢筋的握裹力提高了近40％,而且还具有较高的抗拉强度、弯曲韧性、断裂韧性和断裂能。　　 第二部分:超高程泵送钢纤维混凝土的抗裂性研究　　 通过模拟干热环境作用,对优选出的泵送性能优异的高性能混凝土(HPC)和钢锚箱锚固区专用HPSFRC进行了塑性收缩试验:研究了纤维掺量和种类对塑性收缩和干燥收缩性能的影响。研究表明:该钢纤维混凝土抵抗非荷载裂缝的能力十分显著,不仅能有效抑制早期的塑性收缩和早期自收缩,而且还能降低后期的干燥收缩。　　 通过对梁的抗裂性试验和索塔锚固区的足尺模型试验的研究发现:由于钢纤维的加入,使混凝土结构的抗裂度提高了近40％；用该钢纤维混凝土浇筑的拉索锚固区,在受荷时其开裂裂缝的宽度、长度和贯穿裂缝的数目均比用对比混凝土浇筑的拉索锚固区小得多,这表明该钢纤维混凝土能明显提高抵抗结构裂缝的能力。并且,通过对足尺模型的有限元分析,也得到了与试验结果相一致的结论。　　 第三部分:超高程泵送钢纤维混凝土的疲劳损伤性能研究　　 本文首先从混凝上结构疲劳破坏的极限状态出发,得到了适合超高程泵送的HPSFRC的S-N曲线,建立了基于两参数威布尔分布的概率疲劳方程以及95％保证概率下基准混凝土和HPSFRC的S-N方程。　　 其次,从疲劳损伤全过程的性能劣化出发,应用连续介质损伤力学,针对占疲劳损伤过程第二阶段,定量化描述和确定了混凝土等幅疲劳累积损伤的变形发展规律和刚度衰减规律,推导出广义疲劳损伤变量的表达式。该模型的计算结果与实验结果取得了很好的一致。　　 此外,混凝土在弯曲疲劳循环加载的应力-应变曲线的包络线与静态单调弯拉应力-应变曲线相接近。混凝土的疲劳变形及内部损伤可分为三个阶段,从第2阶段末损伤及变形开始急剧发展,其对应的总纵向变形(εmax,B)和静载一次破坏时峰值应力相对应的应变(ε0)相接近。即基准混凝土和HPSFRC的εmax,B分别为306με和400με；混凝土弯曲疲劳失效时对应的残余极限应变(εPC)在300με～360με范围,并且与加载的历史无关,因此可取300με作为残余极限应变来描述疲劳临界失效点的损伤劣化值。　　 第四部分:疲劳载荷与环境因素协同作用下混凝土耐久性研究　　 通过对疲劳损伤机理的分析,针对损伤发展的第二阶段,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环境因素协同作用下对混凝土耐久性的劣化情况。　　 首先,疲劳损伤显著增加了基准混凝土和HPSFRC的碳化深度、氯离子扩散速度和空气渗透系数,该趋势随疲劳损伤的增加而增大；当残余拉应变超过30με(对应CO2气体扩散系数)和60με时,其残余拉应变越大,对应的CO2气体扩散系数、氯离子扩散系数和空气渗透系数相应也就快速增加；然而当残余拉应变为120με时,相应的扩散系数大幅度增加,甚至提高了一个数量级。很明显,疲劳损伤缩短了混凝士的服役寿命。因此,可以把残余拉应变为30με～60με和120με时的对应的疲劳损伤程度分别看作是对混凝土耐久性影响的起劣区间和陡劣点。　　 其次,无论是基准混凝土还是钢纤维混凝土的相对动弹性模量均随着残余拉应变的增加而下降,尤其是当混凝土试件残余拉应变超过60με时,其残余拉应变越大,则相对动弹性模量的下降速率就越快,即混凝土的抗冻融性能显著下降。反过来,冻融循环也能明显影响混凝土的抗疲劳性能,它不仅能加剧混凝土的疲劳损伤,而且也极大劣化了基准混凝土的刚度,使其不再出现与未损伤混凝土类似的“三阶段规律。此外,在疲劳载荷和冻融循环复合因素协同作用下,HPSFRC具有良好的抗冻性能和优异的抗疲劳性能。　　 第五部分:疲劳载荷与环境因素协同作用下混凝土耐久性的影响机理　　 通过氮气加压灌注环氧和荧光拍照技术,发现疲劳作用给混凝土引入了微细裂缝,并且这些裂缝先出现在骨料与水泥浆体之间的界面区,随着疲劳损伤的增大,这些裂缝穿过水泥浆体相互连通,在水泥砂浆中产生裂缝；并且疲劳损伤程度越大,则混凝土内部的微裂缝在数量和尺度上也越大；相同残余拉应变下,钢纤维混凝土中的微裂纹的数量和尺度均明显低于比基准混凝土的。　　 此外,还可以发现未冻融的试件经疲劳损伤后内部裂纹的数量较少,但是裂纹长度较大。而经冻融循环之后的混凝土内部出现了大量的明显的粘结裂缝,其中抗冻性能差的集料还可能出现集料开裂的现象,这就造成其在疲劳损伤过程中内部裂纹的萌生和扩展相对容易,宏观上表现为相对割线弹模的持续快速下降。　　 第六部分:疲劳载荷与环境因素协同作用下混凝土寿命预测研究　　 混凝土无论在单一碳化环境,还是在疲劳载荷与碳化复合因素作用下,其碳化过程均可以采用Fick第一定律描述；环境因素与疲劳动载对混凝土碳化的影响可以表示为其对混凝土中CO2扩散系数的影响。疲劳动载将导致混凝土裂纹间隙因子(f=Lm/LC,既一维方向上混凝土的宽度与裂纹宽度的比例关系)的降低,从而导致混凝土中CO2气体扩散系数随混凝土的疲劳损伤程度增加而增大。　　 综合考虑混凝土承受的疲劳动载、服役环境中的相对湿度、年平均温度、混凝土养护龄期、混凝土中CO2气体扩散系数、保护层施工变异性等因素,建立了疲劳载荷与环境因素复合作用下的结构混凝土碳化寿命预测新模型,并形成了一套标准的混凝土寿命预测试验和计算方法。混凝土服役寿命随其养护龄期、保护层厚度的增加而增大,随CO2气体扩散系数、年平均温度、结构混凝土裂纹尺度和缺陷、疲劳动载荷损伤程度的增加而降低。　　 基于苏通大桥索塔锚固区混凝土所处服役环境和施工情况的调查分析,结合混凝土的快速碳化试验和疲劳试验结果,依据建立的疲劳动载与环境因素复合作用下混凝土的碳化寿命预测新模型计算可知:当施工过程中保护层厚度波动为8mm时,其服役寿命分别为SBH=120年,SBSF2=218年；当施工过程中保护层厚度波动为14mm时,其服役寿命分别为SBH=104年,SBSF2=172年。