高溫后高強混凝土受壓疲勞過程中細微觀演化機理研究材料學(xué)專業(yè)

1、第1章 緒論1.1 前言高強混凝土結(jié)構(gòu)有時會遭受火災(zāi)或經(jīng)歷其他原因引起的高溫歷程，也會遭受地震、車輛、風(fēng)浪等循環(huán)荷載的作用?？梢?，高強混凝土結(jié)構(gòu)可能會經(jīng)歷高溫、疲勞等綜合工況，這都會給混凝土結(jié)構(gòu)造成損傷。這些損傷不僅是在宏觀層面上，也存在于細微觀層面，而且細微觀結(jié)構(gòu)損傷是宏觀損傷的根本原因。到目前為止，關(guān)于高強混凝土的研究主要集中于高溫或疲勞損傷的單因素作用，但對高強混凝土高溫、疲勞荷載綜合工況下細微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律尚缺乏研究。因此本文對國內(nèi)外有關(guān)高溫后高強混凝土疲勞性能的研究現(xiàn)狀進行了綜述，并對不同加熱溫度與恒溫時間后高強混凝土疲勞損傷過程中細微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律進行了研究，進一步揭示了高溫與

2、疲勞荷載綜合工況下高強混凝土內(nèi)部細微觀結(jié)構(gòu)的動態(tài)演化過程及損傷機理。對疲勞過程中細微觀參數(shù)與疲勞循環(huán)次數(shù)的相關(guān)性進行了分析，在相關(guān)性良好的基礎(chǔ)上建立了疲勞損傷與細微觀參數(shù)之間的關(guān)系模型。結(jié)合已有研究，建立了溫度歷程-疲勞損傷-細微觀參數(shù)的關(guān)系模型。形成研究混凝土材料溫度歷程、疲勞損傷及細微觀結(jié)構(gòu)之間關(guān)系的科學(xué)方法，研究結(jié)果為遭受火災(zāi)或經(jīng)其他高溫歷程的混凝土結(jié)構(gòu)的無損檢測、疲勞損傷分析及結(jié)構(gòu)評估提供參考。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述1.2.1 高溫后混凝土疲勞性能研究現(xiàn)狀到目前為止，學(xué)者們對普通混凝土疲勞損傷的研究已比較深入1-3，但對高溫后混凝土的疲勞損傷研究不多。周新剛4對高溫后普通混凝土的軸

3、壓疲勞進行了試驗研究，指出混凝土在200和300加溫后循環(huán)加載，承載力會進一步的下降，而且承受循環(huán)荷載的能力非常有限。呂培印等5進行了不同溫度下混凝土在等幅循環(huán)荷載作用下的抗拉疲勞試驗研究，分析了不同溫度下混凝土抗拉疲勞強度、剛度等的變化規(guī)律，建立了考慮溫度影響的疲勞統(tǒng)一方程，并將常溫下的混凝土疲勞性能試驗結(jié)果同其他研究者的結(jié)果進行了對比，給出了縱向總應(yīng)變、割線模量的經(jīng)驗公式及其第二階段總應(yīng)變增長率、割線模量衰減率分別與疲勞循環(huán)次數(shù)的關(guān)系式。李敏等6對受火后的混凝土試件進行了抗壓、抗折和劈裂抗拉強度試驗，討論了溫度、強度等級、含水量等因素對混凝土力學(xué)性能的影響。指出在600前混凝土的抗壓強度下

4、降不多，試件的含水率越高，相對殘余抗壓強度越低。另外采用超聲波波速法和質(zhì)量損失法對火災(zāi)高溫后混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化進行了探討。高海靜7對經(jīng)不同高溫歷程后高強混凝土的力學(xué)性能及疲勞損傷進行了試驗研究，指出經(jīng)不同高溫歷程后高強混凝土單軸受壓疲勞的破壞形態(tài)為柱狀壓潰且疲勞變形模量、疲勞縱向總應(yīng)變符合三階段發(fā)展規(guī)律，建立了高溫歷程與受壓疲勞損傷的關(guān)系模型。Gyu-Yong KIM等8 對20700高溫后高強混凝土的力學(xué)性能進行了試驗研究，重點分析了高溫作用對高強混凝土的抗壓強度和彈性模量的影響。指出抗壓強度和彈性模量的相對值隨強度等級和溫度的增加而降低。Nadja Oneschkow9研究了最大應(yīng)力水平

5、、載荷頻率和波形對高強度混凝土疲勞性能的影響。指出高強度混凝土最大應(yīng)力水平、載荷頻率和波形對疲勞破壞的影響與普通混凝土相似，而加載頻率的增加對應(yīng)變的增長影響較小。Ucarkosar, B.;Yuzer, N.等10認為混凝土暴露在高溫下時，會出現(xiàn)裂紋和剝落現(xiàn)象，由于高強度混凝土的孔隙率較低，這些變化將更加明顯；Khaliq,W.等11指出高溫會使混凝土的強度和剛度減弱，提出高溫拉伸強度在評價混凝土結(jié)構(gòu)的剝落性和耐火性上是至關(guān)重要的，并通過試驗得出鋼纖維和混合纖維的存在能有效減緩高溫作用下混凝土拉伸強度的損失。1.2.2 高溫后高強混凝土靜力學(xué)性能研究現(xiàn)狀李麗娟等12對高強混凝土(100MPa)

6、進行了(明火)高溫試驗，研究了經(jīng)500和800高溫后高強混凝土的外觀、抗壓強度、抗折強度和劈裂拉伸強度的變化及質(zhì)量損失，隨受火溫度的升高，高強混凝土的抗壓強度、抗折強度和劈裂拉伸強度逐漸變小。何振軍13進行了高溫后C50和C60兩種強度等級的高強混凝土在多軸應(yīng)力狀態(tài)下強度與變形性能試驗研究，分析了高溫后試件在不同應(yīng)力狀態(tài)和不同應(yīng)力比下相應(yīng)的破壞形態(tài)及損傷機理。何振軍等14利用大型靜動三軸試驗機，進行了常溫和200600高溫后高強高性能混凝土在七種雙軸壓應(yīng)力狀態(tài)下的強度試驗，測得了雙軸方向靜態(tài)強度，分析了溫度和應(yīng)力比對單軸、雙軸壓強度的影響。Fu-Ping Cheng等15分別研究了20、100

7、、200、400、600和800下的高強度混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線，指出高強混凝土的抗壓強度隨溫度的升高而不斷降低，達到800時的抗壓強度約為初始強度的四分之一。Masoud Ghandehari等16試驗測量了高強混凝土分別加熱到100、200、300和600之后的抗壓強度、劈拉強度和相應(yīng)的超聲波脈沖速度。發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，高強混凝土的劈拉強度的損失率比抗壓強度的損失率高。Jianzhuang Xiao等17分別對加熱至20、200、400、600和800的高強混凝土的應(yīng)變速率進行了試驗研究，指出高強混凝土的殘余抗壓強度和彈性模量隨著溫度的升高而降低，而它們隨著應(yīng)變速率的增加而增大；峰值應(yīng)變隨

8、溫度的升高而提高，但應(yīng)變速率幾乎不受影響。1.2.3 高溫后高強混凝土細微觀結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀尤作凱、趙東拂等18-19研究了高溫后混凝土細微觀結(jié)構(gòu)演化機理。通過X射線衍射、掃描電鏡和超聲波測試對火災(zāi)后混凝土的細微觀結(jié)構(gòu)進行了分析，通過細微觀結(jié)構(gòu)分析確定的過火溫度與熱電偶實測溫度相對比，數(shù)據(jù)吻合較好。從而確定樣品的過火溫度范圍，為高溫后混凝土結(jié)構(gòu)的溫度場分析提供了依據(jù)。初步建立了溫度歷程、抗壓性能與細微觀結(jié)構(gòu)演化之間的關(guān)系模型。馮超等20對高溫后再生混凝土抗壓強度退化及微觀結(jié)構(gòu)性能進行了分析研究，觀測了全天然骨料混凝土和全再生骨料混凝土，受0、300、400、500高溫后的物理化學(xué)變化并測試其抗壓強

9、度，利用超景深三維顯微系統(tǒng)觀察了四種溫度作用后兩種混凝土的細微觀結(jié)構(gòu)形貌，對比分析其骨料和砂漿的界面特征，從細微觀角度解釋界面特征對宏觀現(xiàn)象產(chǎn)生的影響。Larbi, J.A等 21利用立體顯微鏡、偏光鏡和熒光顯微鏡等手段觀察了聚丙烯纖維可有效減少高溫火災(zāi)下混凝土的爆裂。Fares, Hanaa等22利用熱重分析、X射線衍射、掃描電鏡等手段研究了自修復(fù)混凝土的細微觀結(jié)構(gòu)和物理性能以及高溫后的抗壓強度。高溫后高強混凝土的細微觀結(jié)構(gòu)變化是比較明顯的23-24，隨著溫度的升高，經(jīng)歷不同程度的高溫后，水泥漿體及界面過渡區(qū)的結(jié)構(gòu)疏松程度增加，水化產(chǎn)物不密實，C-S-H凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)破碎直至消失，Aft和Ca

10、(OH)2逐步分解含量減少，骨料與水泥漿之間的粘結(jié)變得松散，裂縫逐漸擴展，使高溫后高強混凝土的抗?jié)B透能力嚴重退化。高溫后高強混凝土的孔結(jié)構(gòu)也有明顯的變化。隨著溫度的升高，高強混凝土的總孔隙率有增加的趨勢，溫度較低時，總孔隙率增長緩慢；500后總孔隙率急劇增加。李麗娟等12指出高強混凝土在高溫作用下會發(fā)生爆裂現(xiàn)象，外觀顏色變淺；隨著受火溫度的升高，高強混凝土的細微觀結(jié)構(gòu)逐漸變差。主要表現(xiàn)為：結(jié)晶水喪失、水泥水化物發(fā)生分解，當受火溫度達到800后，其結(jié)晶水全部喪失，水泥水化物全部分解，結(jié)構(gòu)變得疏松。柳獻等25通過熱重分析、掃描電鏡和汞壓力測孔等方法，對高溫后高性能混凝土材料的物理化學(xué)變化以及由此造

11、成的細微觀結(jié)構(gòu)變化進行了分析。指出造成升溫過程中材料質(zhì)量損失的主要原因是脫水和各種分解反應(yīng)。趙東拂等26-27對高強混凝土過火溫度與細微觀結(jié)構(gòu)變化關(guān)系進行了試驗研究。用熱電偶測量試塊內(nèi)部的溫度場，并在混凝土試塊的不同位置取樣進行掃描電子顯微鏡觀測和XRD圖譜分析，推測取樣位置的過火最高溫度，將推測溫度同熱電偶實測溫度進行對比，吻合較好。指出火災(zāi)后通過對混凝土梁、柱、墻等構(gòu)件取樣進行掃描電子顯微鏡觀測和XRD分析可得知其過火的最高溫度，從而為火災(zāi)后結(jié)構(gòu)評估工作提供了可靠的支持。劉梅等28-29進行了高強混凝土經(jīng)100900高溫分別恒溫0.5h、1h、2h、3h后細微觀結(jié)構(gòu)演化機理研究。利用掃描電

12、子顯微鏡、X射線衍射、汞壓力測孔、超聲及顯微硬度檢測等綜合手段，對經(jīng)歷不同高溫歷程后高強混凝土的物理化學(xué)變化以及由此造成的細微觀結(jié)構(gòu)變化進行了分析。通過細微觀特征和參數(shù)，建立溫度歷程-剩余強度的關(guān)系模型，從定性和定量兩個方面對高強混凝土所經(jīng)溫度歷程進行分析評估。Michael Henry等30應(yīng)用X射線CT和圖像分析技術(shù)對高強混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)進行了無損檢測，闡明了加熱和再固化對微觀結(jié)構(gòu)特征的影響。由于加熱使骨料-砂漿界面形成裂紋引起連通性增加，導(dǎo)致總孔隙體積增加，然而再固化作用可有效減少連通的孔隙體積。M. Saridemir a等31研究了經(jīng)歷250、500和750高溫對高強混凝土力學(xué)性能

13、的影響。利用XRD、SEM和PLM對高強混凝土的微觀結(jié)構(gòu)進行了檢測，指出混凝土的力學(xué)性能隨著溫度的升高不斷降低，高溫引起材料內(nèi)部裂紋的不斷發(fā)展變化，指出含地面浮石和偏高嶺土混合物的高強混凝土抗高溫表現(xiàn)更好。Georgali. B等32利用光學(xué)顯微鏡觀察了高溫后混凝土內(nèi)部水泥石、骨料、微孔洞以及裂縫的發(fā)展變化情況，通過量化這些觀測結(jié)果，合理的評估混凝土所經(jīng)歷的高溫以及混凝土的損傷深度，將宏觀物理狀態(tài)與微觀結(jié)構(gòu)變化相結(jié)合。Chiara Rossino等33對經(jīng)歷105°C、250°C、500°C和750°C高溫后高性能混凝土的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能進行了研究。利

14、用不同的實驗技術(shù)監(jiān)測微裂紋的發(fā)展，指出微觀結(jié)構(gòu)的變化由宏觀層面的應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出來。1.3 存在的問題綜上所述，目前關(guān)于高強混凝土所經(jīng)溫度歷程、低周單軸受壓疲勞損傷及細微觀結(jié)構(gòu)演化機理等問題的研究，尚存在以下不足之處：（1）對高溫后高強混凝土低周單軸受壓疲勞損傷過程中細微觀結(jié)構(gòu)變化的對比研究，未見報導(dǎo)。未能揭示高強混凝土經(jīng)不同溫度、不同加溫時間后低周單軸受壓疲勞過程中的細微觀結(jié)構(gòu)的動態(tài)演化過程及損傷機理。（2）未建立高強混凝土材料溫度歷程、低周單軸受壓疲勞損傷及細微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系模型。本文利用綜合細微觀測試手段，對高溫后高強混凝土低周單軸受壓疲勞損傷過程中細微觀結(jié)構(gòu)的變化進行了研究，揭示了高

15、溫后高強混凝土低周單軸受壓疲勞損傷過程中細微觀結(jié)構(gòu)的動態(tài)演化過程及損傷機理。建立了高強混凝土材料溫度歷程、低周單軸受壓疲勞損傷及細微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系模型，形成研究混凝土材料溫度歷程、疲勞損傷及細微觀結(jié)構(gòu)之間關(guān)系的科學(xué)方法，研究結(jié)果為遭受火災(zāi)或經(jīng)其他高溫歷程的混凝土結(jié)構(gòu)的無損檢測、疲勞損傷分析及結(jié)構(gòu)評估提供了參考。1.4 本文的研究1.4.1 研究背景央視文化中心（新央視配樓）、上海靜安區(qū)膠州路高層住宅及沈陽皇朝萬鑫酒店等都遭受過火災(zāi)。國內(nèi)某著名高層建筑火災(zāi)現(xiàn)場照片如圖1-1所示。高強混凝土結(jié)構(gòu)有時會遭受火災(zāi)或經(jīng)歷其他原因引起的高溫歷程，也可能遭受地震或其他循環(huán)荷載的作用?？梢?，高強混凝土結(jié)構(gòu)可能會

16、經(jīng)歷高溫、疲勞等綜合工況，這都會給混凝土造成損傷。這些損傷不僅是在宏觀層面上，也存在于細微觀層面，而且細微觀結(jié)構(gòu)損傷是宏觀損傷的根本原因。為了對火災(zāi)后的建筑物進行科學(xué)評價和維修加固，必須對其結(jié)構(gòu)進行分析。但是，確定建筑物中材料的溫度歷程和力學(xué)性能參數(shù)時，想要使用無損檢測手段是非常困難的。究其原因，是因為缺乏關(guān)于高強混凝土所經(jīng)溫度歷程、低周單軸受壓疲勞損傷及細微觀結(jié)構(gòu)演化機理關(guān)系的基本理論，因此沒有相關(guān)的科學(xué)手段。針對上述問題，本文提出高強混凝土溫度歷程、低周單軸受壓疲勞損傷及細微觀結(jié)構(gòu)之間關(guān)系研究的科學(xué)問題，通過試驗研究、理論分析等手段，研究了高強混凝土所經(jīng)溫度歷程、低周單軸受壓疲勞損傷過程中

17、細微觀結(jié)構(gòu)的動態(tài)演化過程及損傷機理，建立了高強混凝土溫度歷程、低周單軸受壓疲勞損傷及細微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系模型。形成研究高強混凝土溫度歷程、低周單軸受壓疲勞損傷及細微觀結(jié)構(gòu)之間關(guān)系的科學(xué)方法，研究結(jié)果為遭受火災(zāi)或經(jīng)其他高溫歷程的混凝土結(jié)構(gòu)的無損檢測、疲勞損傷分析及結(jié)構(gòu)評估提供參考。1.4.2 研究目的（1）揭示高強混凝土經(jīng)歷不同加熱溫度和不同加溫時間后，低周單軸受壓疲勞損傷過程中細微觀結(jié)構(gòu)的動態(tài)演化過程及損傷機理。（2）建立高強混凝土溫度歷程、低周單軸受壓疲勞損傷與細微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系模型。模型既能科學(xué)定性描述材料在高溫溫度歷程和低周單軸受壓疲勞損傷耦合作用下的細微觀結(jié)構(gòu)特征，又能準確定量反應(yīng)細微觀

18、結(jié)構(gòu)參數(shù)與高溫溫度歷程和低周單軸受壓疲勞損傷的關(guān)系。1.4.3 研究意義通過研究，形成研究高強混凝土溫度歷程、低周單軸受壓疲勞損傷與細微觀結(jié)構(gòu)變化之間關(guān)系的科學(xué)方法，其研究成果為遭受火災(zāi)或經(jīng)其他高溫歷程的混凝土結(jié)構(gòu)的無損檢測、疲勞損傷分析及結(jié)構(gòu)評估提供參考。1.4.4 研究內(nèi)容鑒于國內(nèi)外對高溫后高強混凝土疲勞過程中細微觀結(jié)構(gòu)演化機理研究的現(xiàn)狀和存在的問題，本文將對如下內(nèi)容進行研究：（1）對經(jīng)不同高溫歷程后高強混凝土低周單軸受壓疲勞損傷過程中細微觀結(jié)構(gòu)的動態(tài)演化過程及損傷機理進行研究。以C60混凝土為試驗材料，高溫歷程考慮不同加熱溫度與不同加溫時間的組合工況，按照不同應(yīng)力水平對試塊進行低周單軸受

19、壓疲勞試驗。利用超聲、顯微硬度檢測、汞壓力測孔、掃描電子顯微鏡及X射線衍射等綜合方法，從不同角度研究高強混凝土所經(jīng)溫度歷程、低周單軸受壓疲勞過程中細微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，探究其演化機理。（2）對經(jīng)不同溫度歷程后高強混凝土低周單軸受壓疲勞損傷與細微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系進行研究。綜合上述研究結(jié)果，并結(jié)合已有的研究基礎(chǔ)，研究高強混凝土所經(jīng)溫度歷程、低周單軸受壓疲勞損傷及細微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，建立高強混凝土材料溫度歷程、低周單軸受壓疲勞損傷及細微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系模型。模型既能科學(xué)定性描述高強混凝土材料在高溫溫度歷程和低周單軸受壓疲勞損傷耦合作用下的細微觀結(jié)構(gòu)特征，又能準確定量反應(yīng)細微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)與高溫溫度歷程

20、和低周單軸受壓疲勞損傷的關(guān)系。1.4.5 研究技術(shù)手段本文利用超聲、顯微硬度檢測、汞壓力測孔、掃描電子顯微鏡及X射線衍射等綜合細微觀手段，對高強混凝土所經(jīng)溫度歷程、低周單軸受壓疲勞過程中細微觀結(jié)構(gòu)的動態(tài)演化過程及損傷機理進行了研究，進一步建立了高強混凝土溫度歷程、疲勞損傷與細微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系模型。形成研究高強混凝土所經(jīng)溫度歷程、疲勞損傷及細微觀結(jié)構(gòu)之間關(guān)系的科學(xué)方法。（1）高溫試驗以C60混凝土為試驗材料（配合比參照央視文化中心主體結(jié)構(gòu)混凝土材料），制作標準棱柱體試件。加熱溫度范圍為100、300、500、700、900；加溫至指定溫度后分別恒溫0.5h、1h、2h、3h。加溫后采取室溫冷卻

21、方式，試件冷卻后，將棱柱體試件垂直于長邊方向切分成三段，取中間100mm立方體試塊29。（2）低周單軸受壓疲勞試驗利用電液伺服動靜疲勞試驗機對經(jīng)歷不同溫度歷程的試塊，按照不同應(yīng)力水平分組，沿原棱柱體軸線方向進行循環(huán)減摩加載。進行疲勞試驗時，分別將部分試塊循環(huán)加載至預(yù)測疲勞壽命的25%、50%、75%時，停止循環(huán)加載，部分試塊循環(huán)加載至破壞7。（3）細微觀試驗對疲勞加載結(jié)束后的試塊進行超聲、顯微硬度測試、汞壓力測孔、掃描電子顯微鏡及X射線衍射試驗，通過測定聲時、顯微硬度及孔徑分布等參數(shù)，觀測SEM圖像中的水泥漿體、骨料與水泥漿體界面過渡區(qū)內(nèi)的孔隙與微裂紋的發(fā)展變化情況，觀測XRD圖譜中的結(jié)晶相，

22、從不同角度研究高強混凝土所經(jīng)溫度歷程、低周單軸受壓疲勞過程中細微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。通過對疲勞過程中細微觀試驗結(jié)果進行對比，分析高溫后高強混凝土低周單軸受壓疲勞過程中細微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，進一步揭示了高溫與疲勞荷載綜合工況下高強混凝土內(nèi)部細微觀結(jié)構(gòu)的動態(tài)演化過程及損傷機理。結(jié)合已有的研究，研究高強混凝土所經(jīng)溫度歷程、低周單軸受壓疲勞損傷及細微觀結(jié)構(gòu)變化之間的關(guān)系，建立高強混凝土所經(jīng)溫度歷程、低周單軸受壓疲勞損傷及細微觀結(jié)構(gòu)關(guān)系模型。第2章 高溫后高強混凝土低周單軸受壓疲勞性能研究2.1 引言到目前為止，國內(nèi)外對高溫后普通混凝土的疲勞性能研究已比較深入4-6，但對高溫后高強混凝土的疲勞性能研究較少。

23、所以有必要研究經(jīng)不同溫度歷程后高強混凝土單軸受壓疲勞宏觀力學(xué)性能。2.2 疲勞試驗概況2.2.1試件制備以C60混凝土為試驗材料（配合比參照央視文化中心主體結(jié)構(gòu)混凝土材料），制作棱柱體試件100mm×100mm×300mm。同批混凝土還澆注150mm×150mm×150mm的標準立方體和150mm×150mm×300mm標準棱柱體試件。2.2.2 試驗方案（1）高溫試驗采用箱式電阻爐進行高溫試驗，爐膛尺寸為300mm×500mm×200mm，允許最高溫度1000，溫度控制精度±1。試件加熱溫度分別為100

24、、300、500、700、900；加溫至指定溫度后分別恒溫0.5h、1h、2h、3h。初始溫度為室溫，加溫后采取室溫冷卻方式，試件冷卻后，將棱柱體試件垂直于長邊方向切分成三段，取中間段邊長為100mm的立方體塊29。（2）疲勞試驗疲勞試驗是在PA-500電液伺服疲勞試驗機上進行的，豎向采用500kN作動器施加疲勞荷載。試驗中使用GTC450全數(shù)字電液伺服控制器實時控制并采集數(shù)據(jù)7，采用正弦波加載，加載頻率為10Hz，最小應(yīng)力水平為0.10，最大應(yīng)力水平分別為0.80、0.85及0.90。試驗前，先對每種工況的試塊進行疲勞壽命的測試，以對同種工況其他試塊的疲勞壽命進行預(yù)估，分別將試塊循環(huán)加載至預(yù)

25、測疲勞壽命的25%、50%、75%時停止循環(huán)加載，部分試塊循環(huán)加載至破壞7。試塊及試驗設(shè)備如圖2-1所示。2.3 試驗結(jié)果及分析2.3.1 升溫制度前期相關(guān)研究成果28-29已通過熱電偶測得升溫過程中試塊內(nèi)部距混凝土相鄰三表面各30mm處測點的升溫曲線如下圖2-2所示。在升溫階段，四個直接受火面附近的溫度上升最快，測點溫度上升較慢。當加熱溫度達到指定溫度后，隨著恒溫時間的增長，四個受火面附近混凝土的溫度逐漸趨于設(shè)定溫度不再變化，而測點處的溫度還在緩慢的上升，但這時升溫速率較低。主要原因在于混凝土作為熱惰性材料，結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在較大的溫度梯度，因此受熱初期外表面溫度很高時，測點位置吸收的熱量依舊很少

26、，溫度上升速度較慢；當溫度恒定時，表面附近的溫度很快達到加熱溫度不再變化，但混凝土?xí)^續(xù)吸收熱量并向內(nèi)傳遞，內(nèi)部測點溫度仍逐漸上升。（PX-X表示：疲勞試驗加熱溫度-恒溫時間；例P1-1表示疲勞試驗加熱溫度為100，恒溫時間1h）2.3.2 疲勞破壞形態(tài)經(jīng)不同高溫歷程后試塊單軸受壓疲勞破壞形態(tài)如圖2-3所示，宏觀裂紋發(fā)展狀態(tài)如圖2-4所示。從破壞機理來看，隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的增加，骨料和水泥砂漿間形成粘接裂紋，微裂紋繼續(xù)發(fā)展形成連續(xù)不穩(wěn)定的貫通裂紋，最后失穩(wěn)而破壞。在單軸壓循環(huán)荷載作用下，高強混凝土試塊被劈裂成多個小柱體，試塊破壞面平行于壓應(yīng)力方向，形成一個或多個破壞面7。2.3.3 疲勞壽命通

27、過靜力試驗，測得常溫試塊的抗壓強度為49.6MPa，高溫后高強混凝土的抗壓強度均在減摩條件下測得。經(jīng)不同高溫歷程后高強混凝土試塊的疲勞壽命如表2-1所示7。2.3.4 疲勞殘余應(yīng)變高溫后高強混凝土不同應(yīng)力水平的殘余應(yīng)變?nèi)鐖D2-5所示（由于工況較多，圖中僅描繪出部分工況）7，由圖可知，高溫后高強混凝土單軸受壓疲勞過程中的殘余應(yīng)變與疲勞總應(yīng)變一樣，呈明顯的三階段發(fā)展規(guī)律。對上圖進行非線性回歸，得到的回歸方程形式為： (2-1)式中 經(jīng)不同高溫歷程后高強混凝土的疲勞殘余應(yīng)變；加熱溫度，100900；恒溫時間，0.5h3h；相對疲勞循環(huán)次數(shù)；a,b,c,d,e,f系數(shù)。為便于工程應(yīng)用和分析，本文在綜合

28、分析各種應(yīng)力水平下高溫后高強混凝土殘余應(yīng)變與相對疲勞循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，提出了統(tǒng)一的計算公式：當Smax=0.80，Smin=0.10時： (2-1a) (2-1b)當Smax=0.85，Smin=0.10時： (2-1c) (2-1d)當Smax=0.90，Smin=0.10時： (2-1e) (2-1f)由圖2-5及上述公式可知，高強混凝土疲勞破壞時的殘余應(yīng)變與加熱溫度的高低、恒溫時間的長短有關(guān)，與應(yīng)力水平的大小和疲勞循環(huán)次數(shù)的多少關(guān)系不大。2.3.5 疲勞變形模量比定義變形模量為 (2-2)式中 max 疲勞方向最大應(yīng)力（MPa）；min 疲勞方向最小應(yīng)力（MPa）；max 最大應(yīng)力所對應(yīng)的

29、總應(yīng)變值（10-6）；min 最小應(yīng)力所對應(yīng)的總應(yīng)變值（10-6）。不同應(yīng)力水平下高強混凝土疲勞變形模量比與相對疲勞循環(huán)次數(shù)N/Nf的關(guān)系如圖2-6所示（由于工況較多，圖中僅描繪出部分工況）。由圖2-6可知，高溫后高強混凝土的疲勞變形模量與疲勞應(yīng)變都呈三階段發(fā)展規(guī)律。高強混凝土的疲勞變形模量不僅與加熱溫度的高低、恒溫時間的長短有關(guān)，更與應(yīng)力水平的大小有直接的關(guān)系。隨著加熱溫度的升高與恒溫時間的增長，高強混凝土的疲勞變形模量呈衰減的趨勢；隨著應(yīng)力水平的增大，高強混凝土的疲勞變形模量也呈衰減的趨勢。對圖2-6進行非線性回歸，得到高溫后高強混凝土疲勞變形模量比與相對疲勞循環(huán)次數(shù)N/Nf的回歸方程形式

30、為： (2-3)式中 經(jīng)不同高溫歷程后高強混凝土的疲勞變形模量比；加熱溫度，100900；恒溫時間，0.5h3h；相對疲勞循環(huán)次數(shù)；a,b,c,d,e,f系數(shù)。為便于工程應(yīng)用和分析，本文在綜合分析各種應(yīng)力水平下高溫后高強混凝土疲勞變形模量比與疲勞循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，提出了統(tǒng)一的計算公式：當Smax=0.80，Smin=0.10時： (2-3a) (2-3b)當Smax=0.85，Smin=0.10時： (2-3c) (2-3d)當Smax=0.90，Smin=0.10時： (2-3e) (2-3f)2.4 本章小結(jié)1、通過熱電偶測得升溫過程中試塊內(nèi)部距混凝土相鄰三表面各30mm處的溫度場。經(jīng)不同高

31、溫歷程后高強混凝土單軸受壓疲勞破壞形態(tài)為柱狀壓潰，具體的形態(tài)與施加的應(yīng)力水平有關(guān)。2、經(jīng)不同高溫歷程后高強混凝土的疲勞殘余應(yīng)變和疲勞變形模量比都符合三階段發(fā)展規(guī)律，且第二階段是應(yīng)變穩(wěn)定增長的主要階段，約占疲勞壽命的75%左右。分別對疲勞殘余應(yīng)變、疲勞變形模量比和相對疲勞次數(shù)N/Nf進行了非線性回歸分析，建立了高溫歷程與受壓疲勞損傷的關(guān)系模型。第3章 高溫后高強混凝土低周單軸受壓疲勞過程中細微觀結(jié)構(gòu)研究3.1 引言已有研究中，對高溫后混凝土細微觀結(jié)構(gòu)的研究已比較深入，但對高溫后高強混凝土受壓疲勞過程中細微觀結(jié)構(gòu)的研究未見報導(dǎo)。本章對高溫后高強混凝土低周單軸受壓疲勞過程中細微觀結(jié)構(gòu)進行了試驗研究。

32、利用超聲、顯微硬度檢測、汞壓力測孔（MIP）、掃描電子顯微鏡（SEM）及X射線衍射（XRD）等綜合手段，從不同角度研究材料經(jīng)不同高溫歷程后低周單軸受壓疲勞過程中細微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，其中SEM和XRD通過對微裂紋、結(jié)晶相的定性判斷，超聲、顯微硬度和汞壓力測孔從聲時、顯微硬度及孔隙大小和數(shù)量來定量分析高溫后高強混凝土細微觀結(jié)構(gòu)隨疲勞循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律。3.2 細微觀試驗3.2.1 試樣準備取疲勞過程中的試塊作為研究對象，首先將立方體相對的兩個未直接受火面用鉛筆畫出對角線，兩個面上對角線的交點為超聲試驗測點的位置。將這些位置用醫(yī)用凡士林均勻涂抹，涂抹面積大于發(fā)射探頭和接收探頭的接觸面積，如圖3-1

33、（a）所示。如圖3-2（b）所示，將超聲波測試完畢的立方體試件，平行原切割面切割，沿縱軸方向30mm處，取厚度(10±1) mm的薄片，并將其打磨平滑達到鏡面效果，在維氏硬度試驗面上，畫出試驗點的位置，如圖3-1（c）所示。掃描電鏡和壓汞試驗的取樣位置距試塊相鄰三表面的距離為30mm。用錘子仔細敲碎取樣位置的混凝土，挑選1cm×1cm×1cm左右的樣品供掃描電鏡、壓汞試驗使用，如圖3-1（d）所示。將樣品摻入酒精后置于瑪瑙研缽中研磨至無顆粒感，收集起來供XRD試驗使用，如圖3-1（e）（f）所示。3.2.2 試驗方法由于各試驗對試樣的要求不一樣，所以五個試驗需分步

34、進行，其順序依次是超聲波檢測、顯微硬度測試、壓汞測試、掃描電鏡測試、XRD試驗。首先進行超聲波檢測，使用北京康科瑞工程檢測有限公司生產(chǎn)的非金屬超聲波檢測儀進行超聲波測試，如圖3-2所示。采用對測法，用游標卡尺測量兩個測點間的距離，作為測距，發(fā)射頻率設(shè)置為50kHz。然后將發(fā)射探頭和接收探頭緊密貼合在混凝土的測點上。每個測點重復(fù)測試6次，取平均值作為該點的測試結(jié)果。然后使用FM-800顯微硬度計進行試驗，如圖3-3所示。試件放置于顯微硬度計的剛性支座上，確保試件在支座上放置穩(wěn)固，在整個試驗過程中不會移動。使顯微硬度計的壓頭垂直于試件表面施加壓力，加載過程中沒有振動，直至將試驗力施加至規(guī)定值100

35、g。仔細調(diào)整照明和對焦以獲得清晰的壓痕影像，壓痕兩個尖端應(yīng)能同時聚焦，當測量壓痕尖端間距時不改變對焦條件。使用Autopore9500全自動壓汞儀對樣品進行孔結(jié)構(gòu)測試，測試前將制備好的塊狀樣品在60以下真空干燥箱內(nèi)烘23小時以上。對壓汞專用試管、放入樣品后的試管及試驗完成后的試管分別進行稱重，記錄重量差。先進行低壓下抽真空，再進行高壓下測量汞壓入量。試驗設(shè)備如圖3-4所示。進行掃描電鏡試驗時，首先將制備好的塊狀樣品用洗耳球除塵后，放在真空鍍膜機中噴鍍金膜，以使樣品表面能夠?qū)щ?，然后將其用鑷子粘在掃描電鏡載物板上，最后送入掃描電鏡樣品室固定好，通過調(diào)節(jié)物鏡的位置和倍數(shù)，進行樣品表面形貌的觀測，試

36、驗設(shè)備如圖3-5所示。使用X射線衍射儀對樣品進行測試時，將制作好的粉末狀樣品取適量放入載物板上，然后放入掃描倉內(nèi)進行掃描，試驗設(shè)備如圖3-6所示 29。3.3 細微觀結(jié)構(gòu)分析3.3.1 超聲波測試結(jié)果分析采用聲時對高溫后高強混凝土單軸受壓疲勞損傷過程進行表征，高溫后高強混凝土在不同應(yīng)力水平下加載到一定的循環(huán)次數(shù)后卸載，測量此時的聲時，如圖3-7所示。由于加載到疲勞壽命的100%時試塊已經(jīng)破壞，因此相應(yīng)的聲時無法測得。由圖3-7可知，與疲勞加載前相比加載到疲勞壽命的75%時，聲時顯著增大了12.7430.1s；其中從疲勞前加載到疲勞壽命的25%這一階段，聲時明顯增大7.5516.99s，可知聲時

37、隨疲勞循環(huán)次數(shù)的增加整體呈不斷增大的趨勢，且聲時的變化幅度大致呈快-慢的趨勢，說明高溫后高強混凝土的疲勞損傷在開始階段增長較快，而在疲勞損傷發(fā)展的第二階段增長較緩。對比分析相同溫度工況下不同應(yīng)力水平對高強混凝土疲勞過程中聲時的影響，可知低應(yīng)力水平在達到相同壽命比時造成的混凝土疲勞損傷要較高應(yīng)力水平造成的損傷大，這與文獻34描述的定側(cè)壓下混凝土受壓疲勞損傷規(guī)律相似。相對于恒溫時間，加熱溫度對高強混凝土疲勞過程中聲時的影響更大。聲時隨疲勞循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律與文獻7描述的試件疲勞方向總應(yīng)變及其殘余應(yīng)變的發(fā)展規(guī)律是一致的，聲時增大與應(yīng)變增長都表明高溫后高強混凝土內(nèi)部疲勞損傷的不斷積累。綜上所述，聲時隨

38、疲勞循環(huán)次數(shù)的增加整體呈不斷增大的趨勢，且聲時的變化幅度呈快-慢的趨勢。對比分析疲勞過程中各階段聲時的變化幅度可知，從疲勞前加載至疲勞壽命的25%，聲時的變化幅度很快；從疲勞壽命的25%加載至疲勞壽命的75%，聲時的變化幅度趨于平緩。分析其原因可知，在疲勞加載前，高溫后高強混凝土骨料和水泥石的界面之間以及水泥石內(nèi)部就存在許多微裂紋。由于骨料和水泥石的彈性模量和強度存在差異，兩者在疲勞荷載作用下產(chǎn)生的變形不一致，在疲勞循環(huán)剛開始加載階段骨料與水泥石界面之間就會迅速產(chǎn)生大量的微裂紋，致使聲時的變化幅度較明顯；隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的不斷增加，每周循環(huán)加載形成的微裂紋的數(shù)目逐漸減少，這時微裂紋處于穩(wěn)定擴展

39、階段，微裂紋不斷發(fā)展、交叉、匯聚致使骨料和水泥石之間的粘接裂紋以及水泥石內(nèi)部的微裂紋相互貫穿而形成連續(xù)不穩(wěn)定的裂紋失穩(wěn)擴展，相鄰微裂紋的不斷合并從而形成宏觀裂縫35。3.3.2 顯微硬度測試結(jié)果分析混凝土材料骨料-水泥石的界面過渡區(qū)是混凝土中最薄弱的環(huán)節(jié)，孔隙和微裂紋的發(fā)展通常在骨料和水泥基質(zhì)之間的界面過渡區(qū)內(nèi)首先出現(xiàn)36-39。隨著循環(huán)次數(shù)的不斷增加，這些區(qū)域粘結(jié)強度不斷降低導(dǎo)致高溫后高強混凝土疲勞性能的大幅降低，因此該區(qū)域的粘結(jié)強度對疲勞性能有著顯著的影響。界面過渡區(qū)的顯微硬度是界面諸多性能的綜合反映。采用維氏硬度法對高溫后高強混凝土單軸受壓疲勞損傷過程中距混凝土相鄰三表面各30mm處骨料

40、-水泥石界面過渡區(qū)進行評價，試驗結(jié)果如圖3-8所示。從圖3-8可看出，與疲勞加載前相比加載到疲勞壽命的75%時，高溫后高強混凝土的顯微硬度減小了15.1620.94GPa；其中從疲勞前加載到疲勞壽命的25%這一階段，顯微硬度明顯減小9.9515.76GPa，可知骨料-水泥石界面過渡區(qū)的顯微硬度隨疲勞循環(huán)次數(shù)的增加整體呈不斷減小的趨勢，且減幅呈快-慢的趨勢。對比分析相同溫度工況下不同應(yīng)力水平對高強混凝土疲勞過程中顯微硬度的影響，同樣可知低應(yīng)力水平在達到相同壽命比時造成的顯微硬度的降低幅度要較高應(yīng)力水平造成的幅度大，這與超聲試驗結(jié)果具有一致性。綜上所述，骨料-水泥石界面過渡區(qū)的顯微硬度隨疲勞循環(huán)次數(shù)的增加整體呈不斷減小的趨勢，且減幅呈快-慢的趨勢。對比分析疲