冻融、氯盐作用下海工高性能混凝土梁长期性能试验研究

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海工高性能混凝土在杭州湾跨海大桥、胶州湾大桥、港珠澳大桥等特大型桥梁中都有一定应用,但总体来说其实际应用时间还相对较短,对其在各种损伤作用下长期性能退化规律的研究还不够全面。此外,冻融循环和氯盐侵蚀作用已是影响沿海混凝土结构耐久性的突出问题,亟待解决。鉴于此,本文在国家自然科学基金项目(51878319)的资助下,从材料和构件两个层次,分别开展了冻融、氯盐作用下海工高性能混凝土的性能退化和海工高性能混凝土梁的受弯性能退化试验研究,对比分析了不同损伤作用后海工高性能混凝土的长期性能退化规律,提出了基于冻损本构关系的海工高性能混凝土适筋梁的极限弯矩预测模型,以动弹性模量损伤度为依据预测了冻融、氯盐作用下海工高性能混凝土梁在华东地区服役的冻融寿命,并进行了对比分析。主要工作内容和研究成果如下:1、开展了冻融、氯盐作用下海工高性能混凝土的性能退化试验研究。依据杭州湾跨海大桥部分结构构件的混凝土配合比方案,设计制作了3种配合比的海工高性能混凝土试块。分别以冻融循环(水冻水融)单一作用、冻融循环(水冻水融)与氯盐侵蚀交替作用作为损伤作用机制,设置25、50、75、100次冻融循环,对3类海工高性能混凝土试块进行了性能劣化试验,并对其性能退化规律进行了对比分析。试验结果表明:在两种损伤机制分别作用下,随着冻融次数增加,海工高性能混凝土的表面损伤逐渐严重,动弹性模量损伤度、质量损失率、抗压强度损失率和氯离子迁移系数增长率(四种冻融损伤评价指标)不断增大;当冻融循环分别超过25次和50次后,冻融作用对海工高性能混凝土造成的内部损伤和表面损伤将加剧;结合试验结果,提出了各冻融损伤评价指标随冻融次数变化的拟合公式,相关拟合结果较好。2、开展了冻融、氯盐作用下海工高性能混凝土梁的受弯性能退化试验研究。采用前述3种配合比,设计制作了10根海工高性能混凝土梁,设置50、100次冻融循环,用相同方法对海工高性能混凝土梁进行了性能劣化试验;性能劣化试验结束后,对试验梁进行了受弯性能试验。试验结果表明:损伤后海工高性能混凝土梁的受压区高度、跨中最大挠度和最大裂缝宽度随着冻融次数的增加而增大,开裂弯矩、极限弯矩、刚度和延性比随之减小。当冻融循环次数为100次时,在单一作用下,掺加20%粉煤灰与30%矿粉(均为胶凝材料质量比)的混凝土梁以及30%粉煤灰与20%矿粉的混凝土梁的极限弯矩分别下降了4.10%和5.61%;在交替作用下,两者的极限弯矩分别下降了5.36%和6.58%,下降程度有所增大。3、进行了冻融循环作用下海工高性能混凝土适筋梁极限弯矩预测分析。结合试验结果提出了基于冻损本构关系的海工高性能混凝土适筋梁的极限弯矩预测模型。经计算,当冻融次数不超过300次时,极限弯矩预测值与试验值的比值平均值为0.995,变异系数为0.103,故认为此预测模型具有较好的适用性。4、基于动弹性模量损伤度,对冻融、氯盐作用下海工高性能混凝土梁在华东地区服役时的冻融寿命进行了预测分析。分析结果表明:在单一作用下,掺加20%粉煤灰与30%矿粉的混凝土梁、30%粉煤灰与20%矿粉的混凝土梁以及20%粉煤灰、30%矿粉与适量纳米Si O2的混凝土梁的使用年限分别约为121.20、100.00、133.60年;在交替作用下,前两者的使用年限分别约为91.20、74.40年;由此可见,所设计的海工高性能混凝土梁均能满足华东地区建筑物的抗冻安全性要求。
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