桥梁混凝土疲劳损伤特征及对渗透性的影响

傅宇方，张守祺，牛荻涛，苗元耀

(1.交通运输部公路科学研究院 交通运输部旧桥检测与加固行业重点实验室，北京 100088；3.西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710311)



桥梁混凝土疲劳损伤特征及对渗透性的影响

傅宇方1，张守祺1，牛荻涛2，苗元耀2

(1.交通运输部公路科学研究院 交通运输部旧桥检测与加固行业重点实验室，北京 100088；3.西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710311)

疲劳荷载和环境腐蚀的共同作用加剧了混凝土桥梁损伤与劣化，针对疲劳损伤对混凝土渗透性的影响，本文开展了三点弯曲疲劳试验，引入疲劳残余应变表征桥梁混凝土疲劳损伤，分析了混凝土疲劳损伤过程，研究了疲劳损伤对透水性和透气性的影响规律与作用机理。结果表明：疲劳损伤对疲劳应力水平、疲劳循环次数和应力状态敏感，疲劳损伤度会显著提高混凝土透水性和透气性。MIP测试表明，有害孔和微裂缝数量增加是导致混凝土渗透性增大的细观成因。

桥梁工程；混凝土；疲劳损伤；残余应变；渗透性；孔结构

0 引言

混凝土桥梁是我国公路桥梁的主体，未来20 a将有50%以上桥梁服役龄期超过30 a，混凝土桥梁服役安全将是桥梁养护面临的重大挑战。桥梁是跨江越海和穿越山岭的重要生命线工程，随着交通流量和车辆荷载的快速发展，以及盐冻、海洋、湿热和酸雨环境的长期作用，疲劳荷载和环境侵蚀的共同作用对混凝土桥梁长期安全服役的影响已成为世界性难题。

从20世纪50年代至今，国内外开展了大量关于静载条件下混凝土耐久性影响的研究工作。研究成果主要集中于素混凝土试件和钢筋混凝土构件拉压应力作用对混凝土碳化[1-3]、氯离子扩散[4-6]、冻融损伤和硫酸盐腐蚀等[7-8]的影响和计算模型。有关疲劳荷载对混凝土耐久性影响处于发展起步研究阶段，研究集中于疲劳荷载作用下混凝土氯离子传输预测模型[9-10]、硫酸盐腐蚀和疲劳荷载共同作用下混凝土损伤模型[11]，以及冻融作用下预应力混凝土结构疲劳可靠性[12]。

工程实践表明，疲劳荷载和环境侵蚀的共同作用是加剧混凝土桥梁损伤和劣化的根本原因。虽然国内外混凝土结构规范提出了结构疲劳强度验算方法，但是，尚未考虑疲劳荷载和环境腐蚀的共同作用。针对我国重载交通公路的实际荷载[13]和中小跨径公路钢筋混凝土桥梁特点，本文依据桥梁设计荷载和重载交通实际荷载，计算提出了桥梁混凝土疲劳试验控制应力水平[13]，引入了混凝土疲劳残余应变表征疲劳损伤度，分析疲劳损伤对桥梁混凝土透气性和透水性的影响规律及其细观机理，进一步说明耐久性对混凝土结构疲劳性能设计的重要性。

1 试验方法与试验方案

1.1 原材料与混凝土配合比

水泥：陕西泾阳声威牌42.5级普通硅酸盐水泥；粉煤灰：西安宏源Ⅰ级粉煤灰；粗骨料：5～31.5 mm连续级配碎石；细骨料：连续级配河沙，细度模数2.0；减水剂：萘系高效减水剂；拌和水：自来水。混凝土配合比见表1，28 d抗压强度和抗折强度分别为43.7 MPa和5.1 MPa。

表1 混凝土配合比(单位：kg·m-3)

1.2 疲劳损伤试验

混凝土疲劳试件尺寸为150 mm×150 mm×550 mm，成型并标准养护24 h拆模，继续标准养护至28 d龄期后进行三点弯曲疲劳试验，见图1。疲劳试验控制应力水平为0.50和0.55[13]，分别表征中小跨径钢筋混凝土桥梁设计荷载和重载交通实际荷载作用下的应力响应值。设置5个水平损伤度0，0.2，0.4，0.6和0.8，疲劳损伤度以残余应变与极限残余应变比值作为评价指标，见式(1)，或以疲劳损伤度与疲劳循环次数曲线关系确定，参见2.1节内容，用于研究损伤度及其对渗透性影响作用。

(1)

式中，DN为疲劳损伤度；εn为疲劳循环n次的疲劳残余应变；εL为极限残余应变，疲劳循环至试件破坏时残余应变。

图1 三点弯曲疲劳试验(单位：mm)Fig.1 Fatigue test under 3-point bending condition(unit:mm)

1.3 透气性、透水性和孔结构试验

采用Autoclam法[14]测试疲劳损伤后混凝土试件的渗透性，见图2，分别测试试件受压区和受拉区混凝土的透气性和透水性。混凝土孔特征结构测试采用压汞法(MIP)法，切割已发生疲劳损伤的混凝土试件，分别选取受压区和受拉区胶凝体碎块，进行孔隙率、孔径分布等特征值测试，压汞法(MIP)法具体要求参照《压汞法和气体吸附法测定固体材料孔径分布和孔隙度》(GB/T 21650—2008)。

图2 Autoclam法测试渗透性Fig.2 Water permeability test with Autoclam method

2 结果与分析

2.1 疲劳损伤过程与和损伤度表征

经大量三点弯曲疲劳试验，获得了混凝土试件疲劳残余应变与循环次数关系,见图3。关系曲线规律表明，随疲劳循环次数增加，混凝土疲劳残余应变呈单调增长趋势。混凝土疲劳损伤过程中，残余应变曲线演变可以划分为3个阶段，第I阶段残余应变随疲劳循环次数缓慢增长；第II阶段残余应变近似线性增长；第III阶段残余应变快速增长至破坏。按照这种规律，第I阶段、第II阶段拐点和第II阶段、第III阶段拐点分别为起劣点(A点)和陡劣点(B点)[15]。应力水平0.50和0.55下，起劣点、陡劣点和极限残余应变大致分别为8×10-6，70×10-6～80×10-6和265×10-6。

图3 残余应变与疲劳循环次数的关系Fig.3 Residual strains vs. fatigue cyclic number

增加疲劳应力水平，加速混凝土疲劳损伤过程，降低疲劳寿命特征显著。应力水平由0.50增加至0.55，起劣点、陡劣点和极限残余应变对应的疲劳循环次数分别由8.3万次降低至3.6万次、22.2万次降低至14.5万次，以及28.5万次降低至18.6万次，降幅分别为57%，35%和35%。经两个疲劳应力水平的疲劳试验，试验确定了疲劳损伤度与疲劳循环次数的对应关系，见表2。

表2 两种疲劳应力作用下疲劳损伤度与疲劳循环次数关系

结合疲劳试验数据，利用式(1)计算了混凝土试件疲劳损伤度与疲劳循环次数关系，见图4。疲劳损伤度与循环次数存在非线性关系表明，混凝土疲劳损伤随循环次数增加，且非线性损伤特征显著。混凝土疲劳损伤度与疲劳循环次数的对应关系，也可由上述关系曲线确定(N/N0也可用于定义疲劳损伤)。

图4 疲劳损伤度与疲劳循环次数的关系Fig.4 Fatigue damage degrees vs. fatigue cyclic number

2.2 透水性

受压区和受拉区混凝土透水性与疲劳损伤度的关系(见图5和图6)表明，疲劳损伤显著提高混凝土透水性，并随疲劳损伤度增加，影响作用程度加剧。在疲劳损伤度相同条件下，受拉区混凝土透水性提高幅度大于受压区。在应力水平0.50的疲劳荷载作用下，损伤度达到0.2，0.4，0.6和0.8试件受压区透水性分别增加6%，35%，147%和268%，受拉区透水性分别增加19%，132%，260%和366%。在应力水平0.55的疲劳荷载作用下，损伤度达到0.2，0.4，0.6和0.8的试件受压区混凝土透水性分别增加3%，30%，133%和237%，受拉区混凝土透水性分别增加22%，136%，278%和379%。

图5 受压区混凝土透水性与损伤度关系Fig.5 Water permeability vs. damage degree at compressive area

图6 受拉区混凝土透水性与损伤度关系Fig.6 Water permeability vs. damage degree at tensile area

应力水平由0.50增加至0.55，在相同疲劳循环次数时，混凝土疲劳损伤度增加，当疲劳循环次数超过75 000次后疲劳损伤幅度增幅加快，见图4。需要注意的是，疲劳损伤度D<0.4时，受压区混凝土透水性增幅缓慢，D≥0.4后透水性随疲劳损伤呈线性增长；从疲劳损伤发生开始，受拉区混凝土透水性就随疲劳损伤呈线性增长。由此发现，混凝土透水性增幅对受力状态敏感，既压缩已发生开裂的混凝土能够限制透水性的增大。

2.3 透气性

受压区和受拉区混凝土透气性与疲劳损伤度的关系(见图7～图8)表明，疲劳损伤明显提高了混凝土透气性，并且随疲劳损伤度增加，影响作用程度加剧。相同疲劳循环次数作用下，受拉区混凝土透气性增幅高于受压区混凝土，影响作用规律与透水性类似。在应力水平0.50的疲劳荷载作用下，损伤度达到0.2，0.4，0.6和0.8的试件受压区混凝土透气性分别增加0.5倍、1倍、4倍和12倍；受拉区混凝土分别增加1.5倍、5.5倍、10倍和18倍；当应力水平增至0.55，损伤度达到0.2，0.4，0.6和0.8试件受压区混凝土透气性分别增加0.5倍、1倍、5倍和11.5倍；受拉区混凝土分别增加1.5倍、5.5倍、11倍和18.5倍。

图7 受压区混凝土透气性与损伤度关系Fig.7 Air permeability vs. damage degree at compressive area

图8 受拉区混凝土透气性与损伤度关系Fig.8 Air permeability vs. damage degree at tensile area

应力水平由0.50增加至0.55，混凝土透气性增幅对受力状态敏感，压缩已发生开裂的混凝土能够抑制透气性的增加。这个规律与疲劳损伤混凝土透水性演变规律类似。

2.4 孔结构

通过混凝土MIP试验，获得了疲劳损伤混凝土阈值孔径和有害孔含量(大于50 nm)与损伤度关系，见图9～图10。随着疲劳损伤增大，阈值孔径和有害孔比例有一定程度增加，这表明疲劳损伤产生的微裂纹连通了小尺寸的无害孔(小于20 nm)或少害孔(20～50 nm)。MIP测试发现，同一试件的不同取样区孔隙率测试结果存在差异(试件取样区划分见图11)，混凝土纯弯段区混凝土有害孔数量增幅高，阈值孔径显著增大，之外区域的混凝土孔隙率增幅微小。

图9 阈值孔径与疲劳损伤度关系Fig.9 Threshold pore size vs. fatigue damage degree

图10 有害孔比例与疲劳损伤度关系Fig.10 Harmful pore ratio vs. fatigue damage degree

图11 压汞法取样测区布置(损伤度0.4)Fig.11 Arrangement of sampling at test area using mercury intrusion porosimetry (damage degree=0.4)

疲劳损伤导致混凝土微裂缝生成，是影响材料疲劳损伤和渗透性的重要原因。文献[16]研究发现，当应力水平达到0.60～0.85时，轴心抗压疲劳荷载导致混凝土内微裂缝数量大幅度提高。文献[17]研究发现，微裂缝能使混凝土氯离子扩散系数增加2～10倍。受限于微裂缝测试技术和量化评价方法，有关疲劳损伤诱致的微裂缝对耐久性影响的研究报道较少，亟待开展深入研究。

3 结论

(1)在疲劳荷载的作用下，混凝土疲劳损伤与疲劳应力水平和疲劳循环次数存在函数关系。在混凝土疲劳损伤发展过程中，残余应变具有单调递增特征，呈现出缓慢、线性稳定和非线性快速增长3个阶段，残余应变反映了疲劳损伤不可恢复特性。在实际应用中，混凝土疲劳损伤可用残余应变与极限残余应变比值进行评价，也可用疲劳循环次数与极限疲劳循环次数的比值进行评价。

(2)随着混凝土疲劳损伤度D的增大，透水性和透气性将不断提高。当D≥0.4后，透水性和透气性随疲劳损伤呈线性增长。混凝土透水性和透气性增幅对受力状态敏感，压缩已发生开裂的混凝土能够抑制透水性和透气性的增加。

(3)疲劳损伤能够显著提高混凝土渗透性，当疲劳荷载和环境共同作用时能大幅度降低桥梁混凝土耐久性，导致混凝土桥梁结构疲劳寿命低于单一疲劳荷载作用下的寿命，因此，在混凝土结构设计和服役结构评定中，混凝土桥梁疲劳强度计算模型应当考虑疲劳荷载和环境共同作用的影响，而耐久性计算模型和评定方法应考虑车辆疲劳荷载的影响。

[1] 金祖权，孙伟，张云升，等. 荷载作用下混凝土的碳化深度[J]. 建筑材料学报，2005，8(2)：179-183. JIN Zu-quan, SUN Wei, ZHANG Yun-sheng, et al. Study on Carbonation of Concrete under Loading[J]. Journal of Building Materials, 2005，8(2)：179-183.

[2] 韩建德，潘钢华，孙伟，等. 荷载与碳化耦合因素作用下混凝土的耐久性研究进展[J]. 材料导报，2011，25(增1)：467-469,473. HAN Jian-de，PAN Gang-hua, SUN Wei, et al. Recent Situation in Research on Concrete Durability under Couple Factors of Load and Carbonation[J]. Materials Review，2011，25(S1)：467-469,473.

[3] 牛建刚，牛荻涛，刘万里. 弯曲荷载影响粉煤灰混凝土碳化规律的研究[J]. 硅酸盐通报，2011，30(1)：140-146. NIU Jian-gang, NIU Di-tao, LIU Wan-li. Research on Carbonation Rule of Fly Ash Concrete Influenced by Bending Load[J]. Bulletin of the Chinese Ceramic Society, 2011，30(1)：140-146.

[4] 金伟良，王毅. 持续荷载与氯盐作用下钢筋混凝土梁力学性能试验[J]. 浙江大学学报：工学版，2014，48(2)：221-227. JIN Wei-liang, WANG Yi. Experimental Study on Mechanics Behaviors of Reinforced Concrete Beams under Simultaneous Chloride Attacks and Sustained Load[J]. Journal of Zhejiang University: Engineering Science Edition, 2014, 48(2):221-227.

[5] 傅宇方，张劲泉. 混凝土桥梁耐久性指标体系、检测方法与评价标准的研究，200631822302 [R].北京：交通运输部，2013. FU Yu-fang, ZHANG Jin-quan. Durability Indices, Inspection Methods and Evaluation Criteria for Highway Concrete Bridges, 200631822302 [R].Beijing：Ministry of Transport, 2013.

[6] TEGGUER A D, BONNET S, KHELIDJ A, et al. Effect of Uniaxial Compressive Loading on Gas Permeability and Chloride Diffusion Coefficient of Concrete and their Relationship [J]. Cement and Concrete Research, 2013, 52: 131-139.

[7] 韩冰，曹健，董敬勋. 持续荷载作用对粉煤灰混凝土冻融性能的影响[J]. 中国铁道科学，2012，33(2)：33-37. HAN Bing, CAO Jian, DONG Jing-xun. Influence of Sustainable Loading on the Freezing and Thawing Performance of Fly Ash Concrete[J]. China Railway Science, 2012, 33(2): 33-37.

[9] 蒋金洋，孙伟，王晶，等. 弯曲疲劳荷载作用下结构混凝土抗氯离子扩散性能[J]. 东南大学学报:自然科学版，2010，40(2)：363-366. JIANG Jin-yang, SUN Wei, WANG Jing, et al. Resistance to Chloride Ion Diffusion of Structural Concrete under Bending Fatigue Load [J]. Journal of Southeast University :Natural Science Edition, 2010, 40(2)：363-366.

[12]李文婷，孙伟，蒋金洋. 疲劳荷载与环境因素耦合作用下混凝土损伤劣化研究进展[J]. 硅酸盐学报，2009，37(12)：2142-2149. LI Wen-ting, SUN Wei, JIANG Jin-yang. Review on Damage and Deterioration of Concrete Subjected to the Coupling Effect of Fatigue Load and Environmental Actions [J]. Journal of the Chinese Ceramic Society, 2009, 37(12)：2142-2149.

[13]傅宇方，牛荻涛.环境与荷载共同作用下钢筋混凝土桥梁的耐久性能与疲劳性能研究，2013319223110 [R]. 北京：交通运输部，2015. FU Yu-fang, NIU Di-tao. Durability and Fatigue Performance of RC Bridge under External Loads and Environmental Actions, 2013319223110 [R]. Beijing：Ministry of Transport, 2015.

[14]BASHEER P A M.‘Clam’ Permeability Tests for Assessing the Durability of Concrete [D]. Belfast: The Queen’s University, 1991.

[15]蒋金洋. 超高程泵送钢纤维混凝土的服役性能研究[D]. 南京：东南大学，2008. JIANG Jin-yang. Service Performance of HPSFRC Suitable for Super-high Vertical Pumping [D]. Nanjing: Southeast University，2008.

[16]GERARD B，MACHAND J. Influence of Cracking on the Diffusion Properties of Cement-based Materials. PartⅠ: Influence of Continuous Cracks on the Steady-state Regime[J]. Cement and Concrete Research，2000，30 (1)：37-43.

[17]SHAH S P, CHANDRA S. Fracture of Concrete Subjected to Cyclic and Sustained Loading [J]. American Concrete Inst Journal & Proceedings，1970，67 (10)：816-825.

Fatigue Damage Characteristics of Bridge Concrete and Its Effect on Permeability

FU Yu-fang1, ZHANG Shou-qi1, NIU Di-tao2, MIAO Yuan-yao2

(1.Research Institute of Highway, Key Laboratory of Bridge Detection & Reinforcement Technology,MOT, Beijing 100088, China;2. School of Civil Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology,Xi’an Shaanxi 710311, China)

The damage and deterioration of concrete bridge subjected to fatigue loads and environmental corrosion is sped up in practice, so it is important to study the effect of fatigue damage on the permeability of the concrete. A cyclic test of three-point bending is conducted. The fatigue residual strain is introduced to represent the fatigue damage of bridge concrete. The fatigue damage process and its influence on water and air permeability are studied. The result indicates that (1) the fatigue damage is sensitive to fatigue stress level, fatigue cycles and stress states; (2) the fatigue damage degree can remarkably increase the water and air permeability of concrete. MIP observation shows that the harmful pores and the microscopic cracks are the fundamental factors to increase the permeability of concrete.

bridge engineering；concrete; fatigue damage; residual strain; permeability; pore structure

2015-06-10

交通运输部应用基础研究项目(2013 319 223 110)

傅宇方(1972-)，男，内蒙古海拉尔人，博士，研究员.(yf.fu@rioh.cn)

10.3969/j.issn.1002-0268.2016.12.014

U444

A

1002-0268(2016)12-0088-05