压缩荷载作用下混凝土中氯离子扩散行为细观模拟.pdf
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1、第 1 9 卷第 1 期 2 0 1 6年 2月 建筑材料学报 J OuRNAL OF BUI LDI NG MATERI ALS VO I 1 9, No 1 Fe b , 2 O1 6 文章编号 : 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 6 ) 0 1 0 0 6 5 0 7 压缩荷载作用 下混凝 土 中氯离子扩散行为细观模 拟 杜修 力 , 金 浏 , 张仁 波 ( 北京工业大学 城市与工程安全减灾教育部重点实验室 , 北京 1 0 0 1 2 4 ) 摘要 :将 外荷 载作 用的 影响 等效 为 外荷 栽 引起 的 混 凝 土孔 隙率 的 改 变 , 来研 究 其 对 混凝
2、土 中氯 离 子扩 散 特性 的影 响 , 提 出 了压 缩荷载 作 用 下非 均质 混凝 土 氯 离子 扩散 行 为的 细观 模型 首先 对 混凝 土在压缩荷载作用下的力学行为进行模拟分析 ; 然后 , 将荷 载作 用后 的“ 结果输 出” 作为氯 离子扩 散模拟的“ 初始输入” 条件 , 以单轴压缩荷载为例 , 将混凝土看作 由骨料 、 水泥浆体基质及界面过渡 区组成的三相复合材料 , 建立 了混凝土在力学与物理耦合作 用下的细观模型, 研究 了压 缩荷载对 混凝土 中氯 离子扩散特性的影响, 得 到 了氯 离子 有效扩散 系数与压缩应力水平之 间的关 系式, 揭 示 了压 缩应 力水 平
3、的影 响规 律 关 键词 :混凝 土 ; 压 缩荷 栽 ;氯 离子 扩散 ;细观 方 法 ;数值 模拟 中图分 类 号 : TU5 2 8 1 ;T B 3 3 3 文 献标 志码 : A d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 6 0 1 0 1 1 M e s o - s c a l e S i mu l a t i o n o f Ch l o r i d e Di f f u s i v i t y i n Co nc r e t e S u g j e c t e d t o C o mp r e s s i v e S
4、 t r e s s DU Xi u l i , JI N Li u, zHANG Re n b o ( Ke y La b o r a t o r y o f Ur b a n Se c u r i t y a n d Di s a s t e r E n g i n e e r i n g o f Mi n i s t r y o f Ed u c a t i o n, Be i j i n g Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y,Be i j i n g 1 0 0 1 2 4,Ch i n a ) Ab s t r a c t :The
5、e f f e c t o f t he e xt e r na l m e c ha n i c a 1 s t r e s s o n c hl o r i de di f f u s i v i t y i n c on c r e t e c a n be e q ui v a l e nt t o t he e f f e c t o f po r os i t y c ha ng e o n c h l o r i d e d i f f us i v i t y i nd uc e d by e x t e r na l m e c h a ni c a l s t r e s
6、s And b a s e d o n t h i s v i e wp o i n t ,a me s o s c a l e mo d e l a n d a n a l y s i s me t h o d we r e p r o p o s e d t o s t u d y t h e c h l o r i d e d i f f u s i v i t y i n h e t e r 0 g e n e o u s c o n c r e t e u n d e r c o mp r e s s i v e s t r e s s I n t h i s a p p r o a
7、 c h,t h e me c h a n i c a 1 s i mu l a t i o n wa s p e r - f o r me d f i r s t b y u s i n g t h e me s o s c a l e f i n i t e e l e me n t me t h o d Th e o u t c o me s o f t h e me c h a n i c a l r e s p o n s e o f c o n c r e t e we r e t h e n u s e d a s i n p u t d a t a f o r t h e s
8、i mu l a t i o n o f c h l o r i d e d i f f u s i v i t y Th e c o n c r e t e a t t h e me s o s c a l e wa s a s s u m e d t o be a t hr e e - ph a s e c o m po s i t e c ompo s e d o f a g g r e g a t e,c e me nt p a s t e ma t r i x a nd t he i n t e r f a c i a l t r a n s i t i o n z o n e s
9、Th e me s o s c o p i c n u me r i c a l mo d e l o f c o n c r e t e u n d e r u n i a x i a l c o mp r e s s i v e s t r e s s wa s bu i l t t o i n ve s t i ga t e t he c hl o r i de di f f u s i v i t y be ha v i or The e f f e c t o f c ompr e s s i ve s t r e s s o n c hl o r i d e d i f f u s
10、 i v i t y wa s e x p l o r e d,a n d t h e q u a n t i t a t i v e r e l a t i o n s h i p b e t we e n e f f e c t i v e c h l o r i d e d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t i n c o n - c r e t e a n d c o mp r e s s i v e s t r e s s l e v e 1 wa s o b t a i n e d Ke y wo r d s :c o n c r e t
11、e ;c o mp r e s s i v e l o a d;c h l o r i d e d i f f u s i v i t y;me s o - s c a l e me t h o d;n u me r i c a 1 s i mu l a t i o n 氯离子对混凝土的侵蚀是影响混凝土耐久性的 重要 因素之一 近年来海洋环境混凝土结构工 程 日益 增加 , 尤 其是 对 耐久性 要 求严格 的重点 工 程 , 如 跨海大桥、 海底隧道等工程逐渐增多, 因此对混凝土 中的氯离子扩散渗透性能研究 已越来越引起人们 的 重视 多年来 , 国内外学者对其进行 了大量研究 , 但 收稿
12、 日期 : 2 0 1 4 0 7 0 5 ;修订 日期 : 2 0 1 4 0 8 一 Z 6 基金项 目: 国家重点基础研究发展计划( 9 7 3计划) 项 目( 2 0 1 1 C B 0 1 3 6 0 0 ) ;北京市 自然科学基金重大项 目( 8 1 0 0 0 0 1 ) ; 国家 自然科学基金 资 助项 目( 5 1 5 0 8 0 1 1 ) ; 中国博士后 科技 基金资助项 目( 2 o 1 5 M5 7 0 1 0 5 ) 第一作 者: 杜修力( 1 9 6 3 一 ) , 男 ,四川广安人 , 北京工业大学长 江学者特聘教授 , 博士生导师 ,博士 E - ma i l
13、 : d u x i u l i b j u t e d u c n 建筑材料学报 第 1 9卷 主要 集 中于无 应力 状 态下 的混 凝 土结 构 E 然 而 , 绝 大多数混凝土在服役期 内都受到荷载、 干湿循环 、 冻 融循环、 化 学反应等 众多外部 因素 的共 同作 用, 其 中, 荷载对影 响氯离子渗透性能 的重要 因素 孔 结构和微 裂 缝 的产 生 和 扩展 有 着 十分 重 要 的 影 响 2 。 忽略荷载作用得到的混凝土抗氯离子渗透性 研究结果存在一定 的片面性 , 因此研究荷载对混凝 土抗氯离子渗透性的影响具有重要的科学意义 近年来 , 国内外研 究者 陆续开展 了荷载
14、作用下 混 凝土抗 氯 离子 渗透 性 的研究 , 包 括试 验 研 究 】 和 数值模拟 9 _ 其 中, 试验研究包括轴压荷载E 4 - 6 、 拉 伸 荷 载E 和 弯 曲荷 载 8 对 混凝 土抗 氯离 子 渗 透性 的 影响 方永浩等E 和金伟 良等 较为系统地介绍 了 荷载作用下混凝 土抗氯离子渗 透性 的试验 研究工 作 试验研 究工作促进 了对荷载作用下混凝土抗氯 离子渗透特性 的认识 , 但依然存在很多不足 , 如 : 由 于试验装置等因素的差异 , 造成结果 的离散性较大 ; 试验结果难以解 释荷载作用影响的微 细观物理机 制 近 年 来 不 少 学 者开 始 尝 试 采
15、用 数 值 模 拟来 研 究 荷载作用与氯离子渗透扩散 的耦合问题 , 但相关研 究尚处于起步阶段 , 仍然需要做进一步的深入研究 实 际上 , 在外 荷载 作 用下混 凝 土达 到其 强 度前 , 即未产生新裂纹前 , 外荷载对氯离子扩散行为的影 响主要是荷载导致 的混凝土 内部孔隙结构变化 1 在荷载达到 9 0 的破坏荷载之前 , 荷载作用 的影响 可以等效为外荷载所引起 的孔隙率 的改变对氯离子 扩 散性 能 的影 响 文献E 1 4 提出了饱和水泥浆体有效扩散特性研 究 的 细观分 析 模 型 与方 法 , 建 立 了浆 体 的有 效 扩 散 系数与孔隙率及体应变之间的定量关系 ,
16、理论探讨 了荷 载作 用 对 水 泥 浆 体 氯离 子 扩散 行 为 的影 响 本 文在文献 1 4 1 5 3 的基础上 , 将混凝 土看作 由骨料、 水泥浆体基质及界面过 渡区( I T Z ) 组成的三相复合 材料 , 提出了研究压缩荷载作用下非均质混凝土 中 氯离子扩散行为的细观数值方法 1 理论模型 I一 浆体基质 中氯离子扩 散行为 1 1 氯离子 扩 散 系数 D。与水 泥 浆 体 孔 隙 率 P 的 关 系 水泥浆体 复合材料 的渗透特性 由其孔 隙率决 定r 】 假定水泥浆 体 由不可渗透 固体相及孔 隙结 构组成 , 基于广义有 效介质理论 , Z h e n g等 1 获
17、得 了氯离子扩散系数 D 。 与水 泥浆体孔隙率 P( 包括 毛细管孔和凝胶孔等) 之间的半经验方程 , 并用试验 数 据证 明了该 方程 的合 理 性 和 准 确 性 , 该 方 程 的 表 达 式为 : D cp 一 ( 1 ) D c 一 p一 ( 1 式 中: D。 为混凝 土孔 隙溶液 中的氯离子扩散 系数 , 取 D。 一1 0 7 1 0 。 m。 s _ 1 ; , z 为 待定 参数 , 可 取 一 1 4 4 4 r 硬化水泥砂浆中主要结构组分( 如水泥凝胶、 凝 胶孔 、 毛细孔 、 未水化水 泥和总孔隙等) 的体积分数 可 由水灰 比 m m 和 水 化度 a来 确 定
18、 , Ha n s e n 的研究表明初始孔隙率 P 。 满足 : P 0一 m z 一 _ LZ 十U 1 2 外 荷载 作用 下水 泥 浆体 的 当前 孔 隙率 文献 - 1 4 将饱和水泥浆体简化为由浆体基质及 孑 L 隙溶液夹杂组成 的两相复合材料 , 建立了计算外 荷载作用下 水泥浆体 当前 孔隙率 的两 相球分析模 型 , 推导获得 了当前孔 隙率 P与初始孔 隙率 P 。及 体应变 e 之间的定量关系式 : 一 一 式 中 : 一 1一 1 一 , K 一 K , 3 K + 4 , 其中 K 和 分别为浆体基质的体积模量和 剪切 模 量 , K 为 孑 L 隙 溶 液 的 体
19、积 模 量 , K 一 2 25 GPa 在外荷载作用下 , 水泥浆体 中孔隙结构参数 如 孔隙尺寸 、 连通性及孔隙率等 , 尤其是孔隙率将发生 改变 , 进而改变了水泥浆体的渗透扩散性质 通过式 ( 1 ) ( 3 ) 即可获得水泥浆体在外荷载作用下的氯离 子 当前扩 散性 能 2 理论模型 一 混凝土 中氯 离子扩散 行为 混凝土中氯离子传导及渗透扩散特性依赖于混 凝 土微 细观 结 构 , 因此 混 凝 土 中 氯 离 子 的有 效 扩散 系数应与水泥浆体基质、 骨料及界 面过渡 区的 扩散特性密切关联 文献E 1 5 3 将混凝土认为是 由骨料 、 水 泥浆体 基 质 及 界 面 过
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- 压缩 荷载 作用 混凝土 氯离子 扩散 行为 模拟
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