严酷环境下高性能水泥混凝土耐久性专题
专题论文汇编
破解寿命不足的密码：洞察严酷环境下水泥混凝土耐久性
张云升;刘铁军;金祖权;<正>水泥混凝土材料是现代社会基础设施最为重要的物质基础之一。随着交通强国、强军兴军、西部大开发等国家战略和“一带一路”倡议的实施，以及“深海、深地、深空和极地开发”的推进，川藏铁路、雅下水电站、琼州海峡跨海隧道等重大工程与月球开发、核电站、国防防护工程陆续规划与建设，以混凝土结构为主体的基础设施建设数量、广度和地域范围不断拓展，严酷环境对重大基础设施的长效服役形成严峻挑战。大温差、高频冻融、强腐蚀、高水压、高地热、超低温等多场强耦合作用与超常规要求，易引起混凝土微结构快速劣化、胶凝力急速下降和钢筋锈蚀率迅速增加，导致混凝土结构服役性能过早失效，寿命大幅缩短。因此，提高严酷环境下水泥混凝土材料的耐久性，延长混凝土结构的服役寿命，势在必行。
溶蚀作用下中热硅酸盐水泥净浆劣化机理
马跃峰;金鸣;汤金辉;李文伟;刘加平;溶蚀是大坝混凝土不可忽略的耐久性问题。本工作对中热硅酸盐水泥(MHC)净浆、中热硅酸盐水泥–粉煤灰净浆和普通硅酸盐水泥(OPC)净浆进行加速溶蚀试验，通过强度测试、溶蚀深度、孔结构、X射线衍射、热重分析和硅谱固体核磁研究了溶蚀劣化机理。结果表明：与OPC净浆相比，MHC净浆水化产物中Ca(OH)_2含量更少，在溶蚀过程中具有更好的力学性能和更慢的溶蚀深度发展,因此抗溶蚀性更好。30%粉煤灰掺入降低MHC水化产物中Ca(OH)_2含量，并增加其孔隙率，但是降低了抗压强度下降率和孔隙增长率。溶蚀前后MHC净浆中C-(A)-S-H凝胶硅链长度大于OPC净浆，但其溶蚀后硅链增长率却较低。溶蚀后30%粉煤灰掺量的MHC净浆中C-(A)-S-H凝胶劣化程度最高，出现了层间交联并部分转变为硅胶。
约束对单面盐冻混凝土内部损伤的影响：水分迁移
高志浩;王振地;王玲;现行单面盐冻试验中，混凝土试件处于自由形变状态。然而试验中的混凝土试件仅相当于实际混凝土构件的一个单元，其在单面盐冻作用下的变形受到周围混凝土的约束作用，导致盐冻损伤行为发生改变。因此，本工作研究约束作用对单面盐冻混凝土内部损伤的影响及机理，测试了水灰比为0.60的约束态和自由态混凝土每4次盐冻循环后的相对动弹性模量(r_n)和体积吸水率(V_n)，实时监测了28次盐冻循环混凝土的内部相对湿度(U_(IRH))演化，计算了约束态和自由态混凝土首次循环降温过程中的孔径比。结果表明约束态混凝土的U_(IRH)增量、r_n损失和V_n分别比自由态混凝土少30%、32%和28%。与自由态混凝土相比，约束态混凝土在降温过程中的孔径收缩较小，根据微冰透镜理论和结晶压理论，分析并证明了约束作用弱化混凝土降温过程中的水分迁移和冻融循环后的孔径扩张，进而减轻了盐冻内部损伤。
基于介观传输格构网络的混凝土冻融热湿耦合模型
张力;沈雷;张继勋;董义佳;徐磊;NIZAR FAISAL ALKAYEM;寒区水工混凝土结构经历冻融循环而产生性能劣化，但冻融损伤的力学主导机理并不明晰。采用考虑混凝土介观材料非均质性的传输格构网络空间离散化方法，引入与温度相关的孔隙特性表征系数，提出混凝土冻融循环热湿耦合模型，实现均匀与非均匀温变条件下冻融过程中冰含量滞回现象模拟分析。在利用均匀温变冰含量试验与变形量试验验证了所提模型后，针对非均匀温变冻融循环作用，分析了温度、冰含量、相对湿度、孔隙压力、冻胀应变随冻融次数和冷端距离的变化规律。在水分结冰–融化的过程中，孔隙内冰水混合物对固体骨架的力学作用呈现2个阶段。其一以流体压力为主，采用广义有效应力原理计算孔隙压力荷载；其二以固体应力为主，采用多孔介质弹性力学理论计算冻胀变形，作为非应力引起的应变作用于固体整体变形中。
寒区无砟轨道机制砂混凝土疲劳性能
温家馨;李化建;石贺男;董昊良;黄法礼;王振;杨志强;易忠来;为揭示寒区高铁无砟轨道混凝土在冻融循环环境和列车疲劳荷载下的服役性能变化规律，建立了“冻融循环+高频疲劳”的试验制度，以C60无砟轨道轨道板机制砂混凝土为研究对象，从损伤过程与能量传递的角度研究了冻融与疲劳耦合作用下的混凝土损伤机理，预测了寒区无砟轨道机制砂混凝土的疲劳寿命。结果表明，高速列车疲劳荷载会加剧无砟轨道混凝土的冻融损伤，混凝土在冻融循环300次后损伤加剧，其力学性能与疲劳性能均表现出加速下降的规律，600次冻融循环后疲劳寿命降低46.3%，刚度衰减幅度增加12.9%，冻融循环造成的缺陷连通是混凝土疲劳性能衰减的主要原因。混凝土主要通过变形所产生的变形能来耗散能量，冻融循环导致最大应变降低与残余应变增大使得混凝土变形性能降低。与常温下的疲劳性能相比，冻结阶段混凝土孔隙内冰有增强作用，且冻结状态下冰能加速内能耗散，因此疲劳损伤情况有所缓解。采用两参数Weibull函数对冻融破坏概率进行分析，建立了考虑疲劳损伤因子的混凝土“冻融+疲劳”服役状态下的寿命分析模型，预测了无砟轨道机制砂混凝土的服役寿命。
高原大温差环境桥墩混凝土开裂机理
董昊良;李化建;石贺男;杨志强;温家馨;黄法礼;王振;易忠来;高原大温差环境下昼夜温差使得桥墩混凝土结构存在开裂风险。针对这一现象，本工作建立了温度疲劳应力作用下桥墩混凝土的损伤模型，采用有限元分析方法研究了高原大温差环境桥墩混凝土的初裂时间和温度梯度分布等特征，并从温度疲劳应力演变规律、损伤发展和能量累积3个角度分析了高原大温差环境桥墩混凝土的开裂机理。结果表明：桥墩混凝土在温度疲劳应力作用下产生的裂缝呈现沿底部向上延伸的发展规律，且裂缝主要出现在向阳面；桥墩混凝土的初裂时间随着温差的增加而逐渐缩短，温差为60℃时桥墩的初裂时间由温差20℃时的970 d缩短至100 d，且随着温差的增加，桥墩混凝土累积塑性耗散能逐渐增加，其原因为单次温度循环时产生的温度疲劳应力和损伤累积速率随着温差的增加而提升。以期为高原大温差环境桥墩混凝土开裂预测和耐久性评估提供参考。
收缩徐变反向设计提升混凝土早龄期抗裂性能
孙艺嘉;贾雅丽;何征峰;单心宇;苏帅磊;赵庆新;收缩是混凝土早期开裂的重要诱因，而拉伸徐变则有利于降低开裂风险。为研究矿物掺合料掺量、细度与水胶比对水泥基材料早龄期收缩、拉伸徐变与开裂性能的影响，研制了水泥基材料全龄期收缩测试仪器和超早期拉伸徐变测试装置，修正得到梯度递增加载制度下的拉伸徐变度逐步计算法；研发了水泥石试件开裂试验装置，可监测水泥石由拆模前自收缩、拆模后干燥收缩引起的约束应力；采用不同细度的粉煤灰、磨细矿渣替代水泥设计了20组水泥石配合比，并利用以上试验装置进行测试。结果表明：将细度较小的S95级磨细矿渣和细度较大的超细粉煤灰协同配置，制备的水泥石表现为低收缩高徐变特征；矿物掺合料的总替代率处于60%～80%时，增加超细粉煤灰掺量同时降低S95级磨细矿渣掺量，水泥石收缩表现为先降低后增大，超早期徐变度呈现相反规律；采用低收缩高徐变的水泥石可以起到松弛收缩应力、延后开裂时间的作用。
海洋环境下钢纤维–超高性能混凝土界面粘结性能劣化机理
李柯璇;毛金旺;刘铁军;周傲;海洋严酷环境下钢纤维与水泥基体的界面粘结性能对超高性能混凝土(UHPC)的力学及耐久性能至关重要。然而，目前海洋环境下钢纤维–水泥基体界面劣化机理尚不明确，且缺乏改善界面粘结性能有效的方法。采用分子动力学和钢纤维拔出试验，探究了海洋氯盐环境下硅烷偶联剂(SCA)改性前后钢纤维–水泥基体界面粘结性能的退化规律；结合界面区键合网络演化及溶液离子运动特性，揭示了海洋氯盐环境下SCA改性前后钢纤维–基体界面粘结性能劣化机理。结果表明：海洋氯盐环境下水分子和侵蚀离子会破坏钢纤维与水泥基体间的氢键连接，削弱界面的粘结性能；而SCA改性能增强钢纤维与基体间的氢键成键能力，增加界面接触面积，提高了界面过渡区的密实度，保障了界面完整性；SCA改性促使钢纤维与水泥基体间形成稳定的物理氢键网络及化学键合(硅酸盐链的交联)连接，增强了界面粘结性能，提高了界面在海洋严酷环境下的耐蚀性。本工作揭示了海洋氯盐环境下钢纤维–水泥基体界面的劣化机理，为优化和调控UHPC在海洋严酷环境下的耐久性提供了理论基础和方法支撑。
西部盐渍土地区玄武岩纤维混凝土冻融试验及数值分析
朱飞飞;乔宏霞;付勇;王新科;西部盐渍土地区中的腐蚀离子严重影响了混凝土的耐久性，在混凝土中加入玄武岩纤维(BF)可减少初始缺陷，延缓腐蚀离子进入混凝土内部的速度，从而改善混凝土的耐久性。基于西部盐渍土环境，对不同BF掺量的玄武岩纤维混凝土(BFRC)在Na_2SO_4侵蚀和冻融循环耦合作用下的宏观性能和微观变化进行研究，并采用有限元软件ABAQUS对试验进行模拟，分析试验过程中BFRC内部应力场、应变场的变化规律。结果表明：BF的加入明显降低了混凝土在Na_2SO_4溶液-冻融循环过程中质量、相对动弹性模量、抗压强度、劈裂抗拉强度的损失率。在冻融过程中BF起到传递和分散应力的作用，使混凝土内部应力重分布提高了混凝土的抗盐冻性能，掺量0.3%(体积分数)时BFRC抗盐冻性能最佳。该有限元模型直观有效地反映出BF在混凝土冻融损伤演化过程中的重要作用。
高原地区混凝土特殊服役环境时空特性分析与区划
张明;邹笃建;刘铁军;周傲;李烨;高原地区特殊环境作用对重大基础设施的长效服役形成了严重挑战。确定工程服役环境是开展混凝土结构耐久性分析与设计的前提，然而现有腐蚀环境作用研究尚处起步阶段。通过系统分析高原地区气象、水文、地质等环境参数时空演化，确定代表性城市关键环境参数的概率密度分布，揭示“大温差、强干燥、高频冻融、低气压、超盐侵蚀”等典型环境作用特征，并给出用于指导设计室内模拟试验的代表值，最终形成一个智能、高效的多功能腐蚀环境参数查询与区划系统，以期为高原地区特殊环境下工程结构的耐久性分析与长寿命设计提供技术支持。