干湿循环环境下现代混凝土性能衰变机理

工程实践表明，混凝土结构开裂大多是由非荷载因素，即结构内温度及水分变化引发的混凝土体积膨胀或收缩，约束条件下导致结构内拉应力大于材料抗拉强度所致。水既是水泥水化的必需物质，同时也和多数混凝土性能的衰退过程相关联。而导致混凝土内部水分发生剧烈变化的外部环境最典型的是干燥与湿润交替的环境，即通常所说的干湿循环环境。因此，混凝土结构在干湿循环下服役的环境通常被认为是最典型、最严酷、最容易引发混凝土耐久性问题的外部环境。本项目针对干湿循环环境下混凝土性能衰退研究中存在的问题，在申请人已完成的“现代混凝土材料自身收缩与干燥收缩一体化研究”基础上，将研究范围由混凝土单调干燥扩展到干湿循环，研究干湿循环环境下混凝土的变形及其引发的内应力问题。研究从混凝土干湿循环环境下失水收缩和吸水肿胀的内因—“水分含量”出发，通过研究水分变化与体积变形的关系，建立了能够统一描述失水收缩和吸水肿胀的物理分析模型；通过测定混凝土试件的自由变形和内部湿度、温度变化，揭示其变形产生的内部机制；在此基础上，建立了干湿循环下混凝土结构水分变化预测计算模型和相应的收缩应力计算模型，研究了干湿循环参数、混凝土强度等级对胀缩应力的影响。与此同时，开展了现代混凝土自身与干燥收缩调控研究，提出了以预吸水多孔陶粒与面层永久性纤维水泥模板为技术基础的普通与高强混凝土收缩调控措施，大幅度降低了中低强度混凝土干燥收缩的致裂风险和高强、超高强混凝土自身收缩的致裂风险。通过对本项目研究结果总结，共发表各类文章19篇，其中SCI期刊论文13篇，EI期刊论文6篇。

干湿循环服役环境是混凝土结构最典型、最严酷、最容易引发混凝土耐久性问题的外部环境。工程实践表明，混凝土结构在干湿循环下破坏的主要形式是初期的结构表面有限条数的宏观裂缝的形成和后期有害介质沿裂缝渗入引发二次化学反应，致使破坏模式逐渐发展成面层混凝土剥离、脱落、钢筋外露。鉴于此，本项目拟从研究现代混凝土干湿循环环境下失水收缩和吸水肿胀的内因- - 水分含量出发，通过研究水分变化与体积变形的关系，建立能够统一描述失水收缩和吸水肿胀的物理模型。通过同时测定干湿循环下混凝土试件的自由变形和内部湿度变化，深入研究混凝土干湿循环条件下的变形规律，揭示其变形产生的内部机制，为建立统一的缩胀预测模型提供理论依据。同时本研究还将建立干湿循环下混凝土水分变化预测计算模型和相应的收缩、湿胀应力计算模型，并分析干湿循环参数、混凝土强度等级对胀缩应力的影响。以期实现干湿循环环境下混凝土结构表层开裂的预测、预防与控制。

以滨海环境桥梁的桥墩为工程背景，拟通过理论、试验和数值模拟相结合的方法，探索在干湿循环和腐蚀环境长期影响下钢筋混凝土桥墩抗侧向冲击能力的退化及其计算。以干湿循环制度和氯离子浓度为控制指标，基于试验研究干湿循环和腐蚀环境对混凝土材料性能的影响；以落锤冲击试验获得桥墩模型在冲击过程的应变时程曲线，由此计算割线斜率并将其等效为平均应变率。.以应变率为关键指标，基于CEB推荐的率型经验公式确定钢筋和混凝土的动态强度以及混凝土动态断裂应变，以抗拉区边缘混凝土动态断裂应变为承载力极限状态，建立材料的动态本构关系，确立钢筋混凝土桥墩在侧向冲击荷载下的动态极限承载力计算模型。利用数值模拟方法，将模型试件层次的研究结果拓展到构件，建立干湿循环和腐蚀环境长期影响下钢筋混凝土桥墩抗侧向冲击动态极限承载力计算，为处于滨海环境遭撞击受损的钢筋混凝土桥墩剩余承载力评估以及新建桥墩设计提供参考。

本项目以滨海环境桥梁的桥墩为工程背景，通过理论、试验和数值模拟相结合的方法，探索在干湿循环和腐蚀环境长期影响下钢筋混凝土桥墩抗侧向冲击能力的退化及其计算。 通过制作8根混凝土墩柱试件进行通电加速腐蚀后拟静力加载试验，研究获得腐蚀钢筋混凝土墩柱承受不同形式荷载作用下的性能变化，分析研究初始损伤裂缝、混凝土强度、保护层厚度及钢筋直径对保护层内裂纹萌生、扩展及混凝土力学性能的影响。 用有限元软件Open Sees和DIANA分别对墩柱建立纤维模型单元和二维平面应力单元模型，用不同方法考虑钢筋腐蚀，分析获得钢筋腐蚀对钢筋混凝土墩柱滞回曲线，骨架曲线，耗能能力，延性，刚度退化，刚度退化等力学性能的影响。 通过以干湿循环和氯离子浓度为控制指标，基于试验研究干湿循环和腐蚀环境对混凝土材料性能的影响，并通过落锤冲击试验完成15根不同腐蚀状况的钢筋混凝土墩柱的抗侧向冲击性能的试验研究。 通过考虑混凝土墩柱的材料率效应，钢筋腐蚀力学性能退化，钢筋混凝土腐蚀粘结性能退化以及冲击侵彻性能，分析得到腐蚀钢筋混凝土墩柱的极限状态计算方法。 利用ANSYS/LS-DYNA对试验进行数值模拟，通过钢筋力学性能的退化模拟钢筋腐蚀作用，综合分析获得腐蚀率和不同腐蚀形式对钢混墩柱抗侧向冲击性能的影响。在此基础上进行拓展，分析支座形式、混凝土强度、主筋腐蚀率、撞击速度和次数以及撞击接触面结构形式等各个因素对其抗侧冲击性能的影响。 使用支持向量机方法对重复荷载下受腐蚀的钢筋混凝土构件的力学性能进行研究。获得了基于机理建模的分段型和整体型的回归公式以及基于黑箱建模的承载力预测模型以及最大裂纹宽度、跨中挠度和刚度的黑箱预报模型。使用支持向量机方法对受腐蚀钢筋混凝土柱的冲击性能进行了预报，包括单一通电加速和干湿循环锈蚀的锈蚀率预预测、冲击荷载下的钢筋应变和混凝土应变。 本项目研究获得干湿循环和氯离子腐蚀对钢筋混凝土桥墩抗侧向冲击性能的影响，建立干湿循环和腐蚀环境长期影响下钢筋混凝土桥墩抗侧向冲击动态极限承载力计算，为处于滨海环境遭撞击受损的钢筋混凝土桥墩剩余承载力评估以及新建桥墩设计提供参考。 2100433B

α衰变

α衰变是一种放射性衰变。在此过程中，一个原子核释放一个α粒子（由两个中子和两个质子形成的氦原子核），并且转变成一个质量数减少4，核电荷数减少2的新原子核。

一个α粒子与一个氦原子核相同，两者质量数和核电荷数相同。α衰变从本质上说，是量子力学隧道效应的一个过程。与β衰变不同，它由强相互作用支配。

衰变产生的α粒子的动能通常为5MeV左右，速度是15,000km/s，光速的二十分之一。因为它质量相对较大，带两个单位的正电荷，速度相对较慢（针对其他衰变粒子），所以它们容易与其他原子相互作用而失去能量。因此，它们可以被一层几厘米厚的空气几乎完全吸收。

β衰变

β衰变是一种放射性衰变。在此过程中，一个原子核释放一个β粒子（电子或者正电子），分为β 衰变（释放正电子）和β-衰变（释放电子）。

β-衰变中，弱相互作用把一个中子转变成一个质子，一个电子和一个反电子中微子。其实质是一个下夸克通过释放一个W-玻色子转变成一个上夸克。W-玻色子随后衰变成一个电子和一个反电子中微子。

β 衰变中，一个质子吸收能量转变成一个中子，一个正电子和一个电子中微子。其实质是一个上夸克通过释放一个W 玻色子转变成一个下夸克。W 玻色子随后衰变成一个正电子和一个电子中微子。

与β-衰变不同，β 衰变不能单独发生，因为它必须吸收能量。在所有β 衰变能够发生的情况下，通常还伴随有电子捕获反应。

γ衰变

γ射线通常伴随其他形式的辐射产生，例如α射线，β射线。当一个原子核发生α衰变或者β衰变时，生成的新原子核有时会处于激发态，这时，新原子核会向低能级发生跃迁，同时释放γ粒子。这就是γ衰变。

γ射线，x-射线, 可见光和紫外线,都是不同形式的电磁辐射。唯一的区别是光的频率，也就是光子的能量。γ光子的能量最高。2100433B