近年来,随着中国综合国力的增强以及城市化建设进程的推进,大量公路和高速公路、桥梁、高速铁路、港口、码头、机场、水电(大坝)、隧道、涵洞、防护、南水北调、西气东输等等重大工程正在全面兴建。并且将持续相当长时期。这些大型和特大型工程的建造,均使用了掺有粉煤灰或磨细矿渣的现代高性能混凝土材料。其中,在重大桥梁和道路工程中,混凝土结构均需要承受由于车辆运行、风荷载等因素引起的振动和疲劳作用,这类混凝土结构如若突发地失效断裂,则会给人民生命财产安全带来巨大威胁。纵观国内外相关主题的研究成果,至今无可靠的针对现代高性能混凝土疲劳寿命的预测模型；其疲劳损伤机理尚缺乏全面、系统的研究；对这类混凝土疲劳性能与其微观结构演变之间的定量关系以及可靠表征该定量关系的数值模型研究及模拟结果,尚未见报导。因此,这些重大工程在设计阶段提出的使用寿命迫切需要由充分的试验研究结果以及可靠的数值模型来进行支持和保证,并且,深入了解这类服役环境下粉煤灰及磨细矿渣对混凝土材料疲劳性能以及疲劳损伤机理的影响规律,不仅是本课题的研究内容和研究目标,也是承受疲劳荷载作用的国家大型混凝土结构工程中急需解决的问题之一。 本文以不同比例以及不同掺加方式掺入不同类型矿物掺和料的现代高性能混凝土为研究主体,以矿物掺和料对混凝土疲劳损伤规律及疲劳损伤机理的影响为研究目标,采用了多种先进的实时监测技术手段,并基于细观力学理论建立了2D细观混凝土疲劳损伤有限元模型。对8个系列混凝土以及4个系列砂浆基体、4个系列砂浆-粗集料界面区的静载、疲劳性能以及疲劳损伤规律进行了大量试验和数值模拟研究。 首先,对混凝土及其细观结构组分(砂浆基体、砂浆-粗集料界面区、粗集料母岩)的静载力学性能、疲劳性能及疲劳损伤规律分别进行了测试和分析,从试验的角度研究了混凝土主要细观结构组分力学性能对混凝土宏观疲劳行为及其力学参数的影响规律。 在固定砂率38％、水泥用量480kg/m3、水胶比0.35、粗集料最大粒径20mm等因素的基础上,采用单掺30％、50％质量分数I级粉煤灰、单掺30％、50％、80％质量分数S95级磨细矿渣、复掺15％/35％、20％/30％粉煤灰/磨细矿渣的方式等量取代水泥,制备了设计强度为C50的8个系列高性能混凝土抗弯试件(试件尺寸100mm×100mm×400mm)。不仅测试并分析了不同养护龄期8个系列混凝士试件的抗压强度、抗弯强度、劈拉强度、断裂能、孔隙率、弹性模量、泊松比、混凝土粘滞裂纹的表面粘滞力、主裂纹开口位移、混凝土粘滞能、有效裂纹长度以及静态脆性指数等12项力学指标,而且,对养护龄期超过90d混凝土试件在6个应力水平(0.90,0.85,0.80,0.75,0.70,0.65)4点弯曲等幅循环荷载作用下的平均疲劳寿命、局部断裂区宽度、疲劳断裂面粗糙度及分形特征、疲劳断裂能、疲劳脆性指数等参数进行了试验研究。静载试验结果表明：当粉煤灰及磨细矿渣的掺量不超过50％胶凝材料总质量时,二者单掺或复掺均改善了现代高性能混凝土的基本力学性能：当等量取代水泥的质量分数超过胶凝材料总质量的50％时,随着粉煤灰或磨细矿渣掺量的增加,现代高性能混凝土的基本静载力学性能测试结果均随之降低,但其变形性能增大、静态脆性指数降低。其中,30％质量分数粉煤灰或磨细矿渣混凝土的12项静载力学性能指标最佳,其次为50％质量分数粉煤灰或磨细矿渣混凝土的静载力学性能。疲劳测试结果表明：无预留切口混凝土的疲劳寿命及疲劳性能指标均与疲劳应力水平、胶凝材料组分密切相关。其中,在应力水平高于0.75时,混凝土的疲劳寿命及4项分形指标均随着粉煤灰或磨细矿渣掺量的增加而减小；当应力水平等于或低于0.75时,混凝土的疲劳寿命及4项分形指标随着粉煤灰或磨细矿渣掺量的增加而增大；对于粉煤灰及磨细矿渣复掺的混凝土,在应力水平高于0.75时,C50-F3S7的疲劳寿命比C50-F4S6的长,而当应力水平低于0.75时。C50-F4S6的疲劳寿命比C50-F3S7的长。 为了探讨粉煤灰及磨细矿渣等量取代水泥之后改变混凝土宏观力学性能的原因,选择了综合性能较好的3个系列矿物掺和料混凝土和基准混凝土进行深入地试验研究。在该4个系列混凝土配合比的基础上,剔除粗集料并将水胶比降低为0.30,制备了4个系列混凝土的砂浆基体试件和4个系列砂浆-粗集料界面区试件,并对其静载抗压强度、抗弯强度、I型断裂能、弹性模量、泊松比、高低应力水平下的疲劳寿命及刚度衰减等力学指标进行了测试和分析。结果表明:I级粉煤灰及S95级磨细矿渣的掺入,显著提高了混凝土中砂浆基体、砂浆一粗集料界面区的I型断裂能,其中以二者复掺的砂浆基体以及单掺磨细矿渣的砂浆-粗集料界面区的断裂能为最大；掺入粉煤灰的砂浆基体弹性模量大于掺有磨细矿渣砂浆基体的弹性模量,但砂浆-粗集料界面区弹模模量试验结果却并未随矿物掺和料类型的改变而发生显著改变；砂浆-粗集料界面区的疲劳损伤累积速率大于砂浆基体内的疲劳损伤累积速率,砂浆基体在高低应力水平下的疲劳寿命均比砂浆-粗集料界面区的大；粉煤灰或磨细矿渣的掺入,显著提高了砂浆基体的平均疲劳寿命,也在一定程度上提高了砂浆-粗集料界面区的平均疲劳寿命。其次,本文还采用了数字散斑相关系统DSCM、动弹模仪与动态应变采集设备等技术手段,对混凝土在循环荷载作用下的性能劣化过程进行了实时监测,并对混凝土疲劳过程中的2D位移场、疲劳应变幅、2D应变场、疲劳粘滞主裂纹开口位移及裂纹尖端过程区尺寸、相对动弹模、动态应变等参数进行了采集及分析。由分析结果可知：当荷载循环次数达到混凝土疲劳寿命10％时,即可在混凝土表面观测区域内的2D应变场中出现应变集中区,该应变集中区对应于最终的疲劳主裂纹路径:I级粉煤灰及S95级磨细矿渣的掺入,不仅明显优化了混凝土的动弹模衰减规律、提高了疲劳主裂纹的裂纹闭合效应,而且增大了疲劳主裂纹的开口位移及裂尖断裂过程区长度,延长了矿物掺和料混凝土在低应力水平下的疲劳寿命。 再次,由于目前采用试验研究手段对混凝土细观结构内的疲劳微裂纹发展过程进行实时监测与直观展示尚存在技术瓶颈,并且,基于混凝土细观结构组分性能劣化规律对混凝土疲劳性能影响的定量描述和对混凝土疲劳寿命的预测尚属空白,因此,本文基于细观力学理论及真实混凝土细观结构高分辨率数字图像,采用Fortran语言自编程序,建立了用于预测现代高性能混凝土疲劳寿命、展示混凝土细观结构劣化过程及损伤机理的2D细观混凝土疲劳损伤有限元模型。该有限元模型将混凝土纯弯段微观结构的栅格模型与2个匀质平面单元组合以模拟4点弯曲简支混凝土梁,不仅将循环次数与拉伸应变耦合,为模型单元定义了疲劳损伤函数,而且还将细观结构组分的极限拉伸应变定义为模型单元的疲劳失效判据。该模型由MATLAB、Visual Fortran及ABAQuS软件调用并运行。由于该模型采用了规则的栅格结构、精确的混凝土细观结构定义方式、可靠的疲劳损伤函数、以及简单合理的疲劳失效判据,其模拟结果未受栅格单元类型以及不规则栅格结构的影响。经论证,该数值模型不仅是相关研究领域内首次建立的用于表征混凝土疲劳损伤累积的细观模型,而且使用该模型得到的混凝土疲劳寿命、疲劳主裂纹路径、混凝土临界疲劳损伤等预测结果均与试验结果一致。因此,该数值模拟结果不仅合理、准确、稳定、重现性好,而且其预测结果还可为实际混凝土结构工程的疲劳损伤评价及加固、修补方案的制定,提供可靠的理论支持。 最后,采用该2D细观混凝土疲劳损伤有限元模型,研究了单掺或复掺粉煤灰及磨细矿渣对混凝土疲劳寿命、疲劳微裂纹发展及疲劳损伤规律的影响。由模拟结果可知：粉煤灰及磨细矿渣的掺入,由于二者的颗粒形状及火山灰效应,改善了混凝土细观结构中的砂浆基体及砂浆-粗集料界面区的断裂能,减小了这两个主要细观结构组分力学性能之间的差异程度,改善了混凝土在循环荷载作用下的荷载～位移本构关系,使得混凝土在疲劳失效前的弹性模量按照缓慢的非线性规律衰减,相应地增大了混凝土在疲劳失效前的最大位移,减小了混凝土的疲劳脆性指数,由此使得在相同试验条件下的混凝土疲劳寿命及疲劳性能也随之提高。并且,在水胶比、集胶比、砂率等材料参数不变的条件下,这些“正效应”也随着粉煤灰及磨细矿渣掺入比例及掺加方式的改变而呈现出不同的变化规律。