疲劳荷载与硫酸盐腐蚀耦合作用下水泥混凝土应力分析

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1、第３５卷第７期武汉理工大学学报Ｖｏｌ．３５Ｎｏ．７２０１３年７月ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＷＵＨＡＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＪｕｌ．２０１３ｄｏｉ：１０．３９６３／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－４４３１．２０１３．０７．０１０疲劳荷载与硫酸盐腐蚀耦合作用下水泥混凝土应力分析关博文１，２，陈拴发１，熊锐１，盛燕萍１，李华平２（１．长安大学材料科学与工程学院，西安７１００６１；２．长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室，西安７１００６４）摘要：目前对混凝土腐蚀疲

2、劳问题主要集中在试验研究，难以揭示其变形和破坏的物理机制。针对这一问题，根据扩散理论及损伤力学理论建立了疲劳荷载与硫酸盐腐蚀耦合作用下水泥混凝土应力的数值求解方法。主要推导出受疲劳荷载作用的混凝土扩散系数公式，建立了硫酸盐腐蚀与疲劳荷载耦合关系，分析不同外界环境条件对疲劳荷载与硫酸盐耦合作用下水泥混凝土内部应力的影响，为疲劳荷载与硫酸盐腐蚀耦合作用下水泥混凝土构件损伤演化与寿命预测奠定基础。关键词：水泥混凝土；疲劳荷载；硫酸盐腐蚀；应力分析中图分类号：Ｕ４１文献标识码：Ａ文章编号：１６７１－４４３１（２０１３）０７－００４８－０５ＳｔｒｅｓｓＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＣ

3、ｅｍｅｎｔＣｏｎｃｒｅｔｅＵｎｄｅｒＦａｔｉｇｕｅＣｏｒｒｏｓｉｏｎ１，２，ＣＨＥＮＳｈｕａｎ－ｆａ１，ＸＩＯＮＧＲｕｉ１，ＳＨＥＮＧＹａｎ－ｐｉｎｇ１，ＬＩＨｕａ－ｐｉｎｇ２ＧＵＡＮＢｏｗｅｎ（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈａｎｇ’ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ７１００６１，Ｃｈｉｎａ；２．ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒＳｐｅｃｉａｌＡｒｅａＨｉｇｈｗａｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｏｆＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｃｈａｎｇ’ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ７１００６４，Ｃｈｉｎａ；）Ａ

4、ｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｃｏｎｃｒｅｔｅｕｎｄｅｒｃｏｒｒｏｓｉｏｎｆａｔｉｇｕｅｉｓｍａｉｎｌｙｆｏｃｕｓｅｄｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｅａｒｃｈｗｈｉｃｈｉｓｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏｒｅｖｅａｌｔｈｅｐｈｙｓｉｃａｌｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｆａｉｌｕｒｅ．Ｆｏｒｔｈｉｓｐｒｏｂｌｅｍ，ｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｏｌｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｅｍｅｎｔｃｏｎｃｒｅｔｅｉｎｔｅｒｎａｌｓｔｒｅｓｓｕｎｄｅｒｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｌｏａｄｃｏｕｐｌｅｄｗｉｔｈｔｈｅｓｕｌｆａｔｅｃｏｒｒｏｓｉｏｎｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ｂ

5、ａｓｅｄｏｎｄｉｆｆｕｓｉｏｎｔｈｅｏｒｙａｎｄｄａｍａｇｅｍｅｃｈａｎｉｃｓｔｈｅｏｒｙ．Ｔｈｅｆｏｒｍｕｌａｏｆｄｉｆｆｕｓｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｃｅｍｅｎｔｃｏｎｃｒｅｔｅｕｎｄｅｒｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｌｏａｄｗａｓｄｅｄｕｃｅｄ，ａｎｄｃｏｕｐｌｅｄｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｓｕｌｆａｔｅｃｏｒｒｏｓｉｏｎａｎｄｆａｔｉｇｕｅｌｏａｄｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｂａｓｅｄｏｎａｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｅｘａｍｐｌｅ，ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｎｔｈｅｉｎｎｅｒｓｔｒｅｓｓｕｎｄｅｒｃｏｒｒｏｓｉｏｎｆａｔｉ

6、ｇｕｅｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ａｌｌｏｆｔｈｅｓｅｌａｙｔｈｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｃｏｎｃｒｅｔｅｄａｍａｇｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｕｎｄｅｒｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｌｏａｄｃｏｕｐｌｅｄｗｉｔｈｔｈｅｓｕｌｆａｔｅｃｏｒｒｏｓｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｅｍｅｎｔｃｏｎｃｒｅｔｅ；ｆａｔｉｇｕｅｌｏａｄ；ｓｕｌｆａｔｅｃｏｒｒｏｓｉｏｎ；ｓｔｒｅｓｓａｎａｌｙｓｉｓ硫酸盐腐蚀是环境作用下混凝土材料劣化的主要原因之一，在我国西部盐湖及沿海等富含硫酸盐的广大地区，大量硫酸盐的存在使得这些地区的混凝土结构物仅使用几年就遭受严重腐蚀破坏，不得

7、不进行工程［１－２］修复，造成巨大的经济损失。然而，对于道路路面、桥面、铁路路枕、机场道面等结构来讲，除了承受结构物等自重作用以外，还要承受频繁的交通荷载重复作用，特别是混凝土在受硫酸盐侵蚀过程中，其真实情况必然是在疲劳荷载与硫酸盐共同作用下使混凝土结构损伤劣化。［３］国内外学者对荷载与硫酸盐腐蚀作用水泥混凝土损伤进行了大量的研究。ＳｃｈｎｅｉｄｅｒＵ等采用砂浆棱柱体试件在专门的加载装置上，对不同组的混凝土试件施加不同应力水平的机械载荷，经过规定的腐蚀周期后测得其抗压和抗折强度。Ｍｏｈｅｂｉｍｏｇｈａｄｄａｍ研究了干湿循环与弯曲荷载共同作用下硫酸盐腐蚀对自收稿日期

8、：２０１３