1、第1章 绪论1.1 前言高强混凝土结构有时会遭受火灾或经历其他原因引起的高温历程，也会遭受地震、车辆、风浪等循环荷载的作用。可见，高强混凝土结构可能会经历高温、疲劳等综合工况，这都会给混凝土结构造成损伤。这些损伤不仅是在宏观层面上，也存在于细微观层面，而且细微观结构损伤是宏观损伤的根本原因。到目前为止，关于高强混凝土的研究主要集中于高温或疲劳损伤的单因素作用，但对高强混凝土高温、疲劳荷载综合工况下细微观结构的变化规律尚缺乏研究。因此本文对国内外有关高温后高强混凝土疲劳性能的研究现状进行了综述，并对不同加热温度与恒温时间后高强混凝土疲劳损伤过程中细微观结构的变化规律进行了研究，进一步揭示了高温与
2、疲劳荷载综合工况下高强混凝土内部细微观结构的动态演化过程及损伤机理。对疲劳过程中细微观参数与疲劳循环次数的相关性进行了分析，在相关性良好的基础上建立了疲劳损伤与细微观参数之间的关系模型。结合已有研究，建立了温度历程-疲劳损伤-细微观参数的关系模型。形成研究混凝土材料温度历程、疲劳损伤及细微观结构之间关系的科学方法，研究结果为遭受火灾或经其他高温历程的混凝土结构的无损检测、疲劳损伤分析及结构评估提供参考。1.2 国内外研究现状综述1.2.1 高温后混凝土疲劳性能研究现状到目前为止，学者们对普通混凝土疲劳损伤的研究已比较深入1-3，但对高温后混凝土的疲劳损伤研究不多。周新刚4对高温后普通混凝土的轴
3、压疲劳进行了试验研究，指出混凝土在200和300加温后循环加载，承载力会进一步的下降，而且承受循环荷载的能力非常有限。吕培印等5进行了不同温度下混凝土在等幅循环荷载作用下的抗拉疲劳试验研究，分析了不同温度下混凝土抗拉疲劳强度、刚度等的变化规律，建立了考虑温度影响的疲劳统一方程，并将常温下的混凝土疲劳性能试验结果同其他研究者的结果进行了对比，给出了纵向总应变、割线模量的经验公式及其第二阶段总应变增长率、割线模量衰减率分别与疲劳循环次数的关系式。李敏等6对受火后的混凝土试件进行了抗压、抗折和劈裂抗拉强度试验，讨论了温度、强度等级、含水量等因素对混凝土力学性能的影响。指出在600前混凝土的抗压强度下
4、降不多，试件的含水率越高，相对残余抗压强度越低。另外采用超声波波速法和质量损失法对火灾高温后混凝土内部结构的变化进行了探讨。高海静7对经不同高温历程后高强混凝土的力学性能及疲劳损伤进行了试验研究，指出经不同高温历程后高强混凝土单轴受压疲劳的破坏形态为柱状压溃且疲劳变形模量、疲劳纵向总应变符合三阶段发展规律，建立了高温历程与受压疲劳损伤的关系模型。Gyu-Yong KIM等8 对20700高温后高强混凝土的力学性能进行了试验研究，重点分析了高温作用对高强混凝土的抗压强度和弹性模量的影响。指出抗压强度和弹性模量的相对值随强度等级和温度的增加而降低。Nadja Oneschkow9研究了最大应力水平
5、、载荷频率和波形对高强度混凝土疲劳性能的影响。指出高强度混凝土最大应力水平、载荷频率和波形对疲劳破坏的影响与普通混凝土相似，而加载频率的增加对应变的增长影响较小。Ucarkosar, B.;Yuzer, N.等10认为混凝土暴露在高温下时，会出现裂纹和剥落现象，由于高强度混凝土的孔隙率较低，这些变化将更加明显；Khaliq,W.等11指出高温会使混凝土的强度和刚度减弱，提出高温拉伸强度在评价混凝土结构的剥落性和耐火性上是至关重要的，并通过试验得出钢纤维和混合纤维的存在能有效减缓高温作用下混凝土拉伸强度的损失。1.2.2 高温后高强混凝土静力学性能研究现状李丽娟等12对高强混凝土(100MPa)
6、进行了(明火)高温试验，研究了经500和800高温后高强混凝土的外观、抗压强度、抗折强度和劈裂拉伸强度的变化及质量损失，随受火温度的升高，高强混凝土的抗压强度、抗折强度和劈裂拉伸强度逐渐变小。何振军13进行了高温后C50和C60两种强度等级的高强混凝土在多轴应力状态下强度与变形性能试验研究，分析了高温后试件在不同应力状态和不同应力比下相应的破坏形态及损伤机理。何振军等14利用大型静动三轴试验机，进行了常温和200600高温后高强高性能混凝土在七种双轴压应力状态下的强度试验，测得了双轴方向静态强度，分析了温度和应力比对单轴、双轴压强度的影响。Fu-Ping Cheng等15分别研究了20、100
7、、200、400、600和800下的高强度混凝土应力-应变曲线，指出高强混凝土的抗压强度随温度的升高而不断降低，达到800时的抗压强度约为初始强度的四分之一。Masoud Ghandehari等16试验测量了高强混凝土分别加热到100、200、300和600之后的抗压强度、劈拉强度和相应的超声波脉冲速度。发现随着温度的升高，高强混凝土的劈拉强度的损失率比抗压强度的损失率高。Jianzhuang Xiao等17分别对加热至20、200、400、600和800的高强混凝土的应变速率进行了试验研究，指出高强混凝土的残余抗压强度和弹性模量随着温度的升高而降低，而它们随着应变速率的增加而增大；峰值应变随
8、温度的升高而提高，但应变速率几乎不受影响。1.2.3 高温后高强混凝土细微观结构研究现状尤作凯、赵东拂等18-19研究了高温后混凝土细微观结构演化机理。通过X射线衍射、扫描电镜和超声波测试对火灾后混凝土的细微观结构进行了分析，通过细微观结构分析确定的过火温度与热电偶实测温度相对比，数据吻合较好。从而确定样品的过火温度范围，为高温后混凝土结构的温度场分析提供了依据。初步建立了温度历程、抗压性能与细微观结构演化之间的关系模型。冯超等20对高温后再生混凝土抗压强度退化及微观结构性能进行了分析研究，观测了全天然骨料混凝土和全再生骨料混凝土，受0、300、400、500高温后的物理化学变化并测试其抗压强
9、度，利用超景深三维显微系统观察了四种温度作用后两种混凝土的细微观结构形貌，对比分析其骨料和砂浆的界面特征，从细微观角度解释界面特征对宏观现象产生的影响。Larbi, J.A等 21利用立体显微镜、偏光镜和荧光显微镜等手段观察了聚丙烯纤维可有效减少高温火灾下混凝土的爆裂。Fares, Hanaa等22利用热重分析、X射线衍射、扫描电镜等手段研究了自修复混凝土的细微观结构和物理性能以及高温后的抗压强度。高温后高强混凝土的细微观结构变化是比较明显的23-24，随着温度的升高，经历不同程度的高温后，水泥浆体及界面过渡区的结构疏松程度增加，水化产物不密实，C-S-H凝胶网状结构破碎直至消失，Aft和Ca
10、(OH)2逐步分解含量减少，骨料与水泥浆之间的粘结变得松散，裂缝逐渐扩展，使高温后高强混凝土的抗渗透能力严重退化。高温后高强混凝土的孔结构也有明显的变化。随着温度的升高，高强混凝土的总孔隙率有增加的趋势，温度较低时，总孔隙率增长缓慢；500后总孔隙率急剧增加。李丽娟等12指出高强混凝土在高温作用下会发生爆裂现象，外观颜色变浅；随着受火温度的升高，高强混凝土的细微观结构逐渐变差。主要表现为：结晶水丧失、水泥水化物发生分解，当受火温度达到800后，其结晶水全部丧失，水泥水化物全部分解，结构变得疏松。柳献等25通过热重分析、扫描电镜和汞压力测孔等方法，对高温后高性能混凝土材料的物理化学变化以及由此造
11、成的细微观结构变化进行了分析。指出造成升温过程中材料质量损失的主要原因是脱水和各种分解反应。赵东拂等26-27对高强混凝土过火温度与细微观结构变化关系进行了试验研究。用热电偶测量试块内部的温度场，并在混凝土试块的不同位置取样进行扫描电子显微镜观测和XRD图谱分析，推测取样位置的过火最高温度，将推测温度同热电偶实测温度进行对比，吻合较好。指出火灾后通过对混凝土梁、柱、墙等构件取样进行扫描电子显微镜观测和XRD分析可得知其过火的最高温度，从而为火灾后结构评估工作提供了可靠的支持。刘梅等28-29进行了高强混凝土经100900高温分别恒温0.5h、1h、2h、3h后细微观结构演化机理研究。利用扫描电
12、子显微镜、X射线衍射、汞压力测孔、超声及显微硬度检测等综合手段，对经历不同高温历程后高强混凝土的物理化学变化以及由此造成的细微观结构变化进行了分析。通过细微观特征和参数，建立温度历程-剩余强度的关系模型，从定性和定量两个方面对高强混凝土所经温度历程进行分析评估。Michael Henry等30应用X射线CT和图像分析技术对高强混凝土内部微观结构进行了无损检测，阐明了加热和再固化对微观结构特征的影响。由于加热使骨料-砂浆界面形成裂纹引起连通性增加，导致总孔隙体积增加，然而再固化作用可有效减少连通的孔隙体积。M. Saridemir a等31研究了经历250、500和750高温对高强混凝土力学性能
13、的影响。利用XRD、SEM和PLM对高强混凝土的微观结构进行了检测，指出混凝土的力学性能随着温度的升高不断降低，高温引起材料内部裂纹的不断发展变化，指出含地面浮石和偏高岭土混合物的高强混凝土抗高温表现更好。Georgali. B等32利用光学显微镜观察了高温后混凝土内部水泥石、骨料、微孔洞以及裂缝的发展变化情况，通过量化这些观测结果，合理的评估混凝土所经历的高温以及混凝土的损伤深度，将宏观物理状态与微观结构变化相结合。Chiara Rossino等33对经历105C、250C、500C和750C高温后高性能混凝土的微观结构和力学性能进行了研究。利用不同的实验技术监测微裂纹的发展，指出微观结构的
14、变化由宏观层面的应力-应变曲线表现出来。1.3 存在的问题综上所述，目前关于高强混凝土所经温度历程、低周单轴受压疲劳损伤及细微观结构演化机理等问题的研究，尚存在以下不足之处：（1）对高温后高强混凝土低周单轴受压疲劳损伤过程中细微观结构变化的对比研究，未见报导。未能揭示高强混凝土经不同温度、不同加温时间后低周单轴受压疲劳过程中的细微观结构的动态演化过程及损伤机理。（2）未建立高强混凝土材料温度历程、低周单轴受压疲劳损伤及细微观结构的关系模型。本文利用综合细微观测试手段，对高温后高强混凝土低周单轴受压疲劳损伤过程中细微观结构的变化进行了研究，揭示了高温后高强混凝土低周单轴受压疲劳损伤过程中细微观结
15、构的动态演化过程及损伤机理。建立了高强混凝土材料温度历程、低周单轴受压疲劳损伤及细微观结构的关系模型，形成研究混凝土材料温度历程、疲劳损伤及细微观结构之间关系的科学方法，研究结果为遭受火灾或经其他高温历程的混凝土结构的无损检测、疲劳损伤分析及结构评估提供了参考。1.4 本文的研究1.4.1 研究背景央视文化中心（新央视配楼）、上海静安区胶州路高层住宅及沈阳皇朝万鑫酒店等都遭受过火灾。国内某著名高层建筑火灾现场照片如图1-1所示。高强混凝土结构有时会遭受火灾或经历其他原因引起的高温历程，也可能遭受地震或其他循环荷载的作用。可见，高强混凝土结构可能会经历高温、疲劳等综合工况，这都会给混凝土造成损伤
16、。这些损伤不仅是在宏观层面上，也存在于细微观层面，而且细微观结构损伤是宏观损伤的根本原因。为了对火灾后的建筑物进行科学评价和维修加固，必须对其结构进行分析。但是，确定建筑物中材料的温度历程和力学性能参数时，想要使用无损检测手段是非常困难的。究其原因，是因为缺乏关于高强混凝土所经温度历程、低周单轴受压疲劳损伤及细微观结构演化机理关系的基本理论，因此没有相关的科学手段。针对上述问题，本文提出高强混凝土温度历程、低周单轴受压疲劳损伤及细微观结构之间关系研究的科学问题，通过试验研究、理论分析等手段，研究了高强混凝土所经温度历程、低周单轴受压疲劳损伤过程中细微观结构的动态演化过程及损伤机理，建立了高强混凝土温度历程、低周单轴受压疲劳损伤及细微观结构之间的关系模型。形成研究高强混凝土温度历程、低周
