受侵蚀混凝土本构关系.pdf

第 1 4 卷第 6期 2 0 1 1年 1 2月 建筑材料学报 J OURNAI OF B UI L DI NG MATE RI AL S Vo l _ 1 4， No 6 De c ， 2 O1 l 文 章 编 号 ： 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 1 ) 0 6 0 7 3 6 0 6 受侵蚀 混凝土本构 关 系 刘汉 昆， 李 杰 ( 同济 大学 土木 工程 学 院 ，上海 2 0 0 0 9 2 ) 摘 要 ：混 凝土 腐蚀 具有 内外 不均 匀的特 点 ， 这 使 得 真 正 意 义上 的 受侵 蚀 混凝 土本 构 关 系一 直都 没 有得到确定 ， 为此提 出了试验与数值模拟相结合的技术思路以解决上述问题 首先 ， 利用 F i c k第二 定 律对硫 酸 钠 腐蚀后 砂 浆和界 面过 渡 区( I TZ ) 的细观 本构 关 系分层修 正 ， 应 用 C T技 术在 细观层 面 模拟受侵蚀混凝土试件的应力一 应变曲线； 其次， 利用力学试验结果 ， 识别给 出蚀强率参数 ； 最后 ， 对 砂 浆和 I TZ的“ 腐蚀程 度” 进行 全截 面均 匀化 ， 通过 数 值模 拟得 到 受侵蚀 混 凝 土本 构 关 系 基 于此 ， 提 出 了任 一腐蚀 介 质 质 量 分 数 下 试 件 内任 一位 置 处 单 元 对 应 的 受侵 蚀 混 凝 土 本 构 关 系的 分 析 流 程 关键词 ：混凝土；硫酸钠腐蚀 ； C T技术；F i c k第二定律；细观本构关系；数值模拟 中图分 类号 ： TU5 2 8 0 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 1 0 6 0 0 3 Co n s t i t u t i v e La w o f At t a c k e d Co n c r e t e LI U Ha l l k u n，LI Ji e ( Co l l e g e o f Ci v i l En g i n e e r i n g，To n g j i Un i v e r s i t y ，S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：Du e t o n on un i f o r m c o r r o s i on a c r o s s t h e s e c t i o n o f s pe c i me n，i t i s ve r y d i f f i c u l t t o o bt a i n c o ns t i t u- t i v e l a w o f a t t a c ke d c on c r e t e A m e t ho d c o m b i n i ng e xp e r i me n t wi t h s i mul a t i on wa s p r op o s e d t o s ol v e t he pr o bl e m Fi r s t l y，wi t h Fi c k S s e c on d l a w ，i t mod i f i e s t he m e s o s c o pe c ons t i t ut i v e l a w o f a t t a c ke d mor t a r a n d 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 ( I TZ) ，wi t h wh i c h t h e s t r e s s s t r a i n c u r v e s o f s p e c i me n e x p o s e d t o s o d i u m s u l f a t e s ol u t i o n i s s i mul a t e d b y u s i ng CT t e c hn i q ue S e c on dl y，t he s t r e ng t h r e du c t i on r a t i o o f m o r t a r a n d I TZ a r e i de nt i f i e d wi t h c o m pa r i s o n o f e xp e r i m e nt r e s u l t s Thi r d l y， wi t h c o r r o s i on h omo ge ni z a t i o n， t he m e t ho d s i m u l a t e s t he c o ns t i t u t i v e l a w o f u ni f or ml y a t t a c ke d c o nc r e t e I n v i e w o f t he wo r k a b ov e，i t gi v e s a p r o c e d ur e t o a n a l y z e t he c o ns t i t ut i ve l a w o f a t t a c ke d c on c r e t e i n a ny l o c a t i o n o f c o nc r e t e s t r uc t ur e a t a ny m a s s f r a c t i o n of t he a t t a c ke r Ke y wo r ds ：c o nc r e t e；s o di u m s ul f a t e a t t a c k；CT t e c hni q ue ( X r a y m i c r ot omo gr a phy)；Fi c k S s e c o nd l a w ； m e s o s c o pe c on s t i t ut i v e 1 a w ：s i mul a t i on 地下 管 网 、 近 海建 筑 、 海洋平 台以及海 底 石 油储 存装置等建筑物或构筑物 ， 大多属于混凝 土或大体 积混 凝 土结 构 在 服役 过程 中 ， 这些 建筑 物或 构 筑物 必然 遭 受环境 侵 蚀 的影 响 ， 其 中硫 酸 盐 对混 凝 土 的 腐 蚀更 严 重 ， 给 我 国 经 济带 来 了 重 大损 失 i - 2 在 这 种背景 下 ， 普通 混 凝 土 的 本 构关 系 已经 难 以满 足 对 受侵蚀 混凝 土 结 构 进行 非 线 性 性 能 分 析 的 需 求 ， 受 侵蚀混凝土本构关系开始提到研究 日程之 中 蚓 大量的腐蚀试验结果说明 ， 混凝土试件腐蚀后 呈 现“ 夹心 饼” 式 的腐 蚀 模 式 这 是 由腐 蚀 介 质 的 扩 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 6 2 3 ；修订 日期 ： 2 0 1 0 0 9 1 7 基金项 目： 国家创新研究群体科学基金资助项 目( 5 0 3 2 1 8 0 3 ； 5 0 6 2 1 0 6 2 ) ； 国家青年科学基金 资助项 目( 5 0 6 0 8 0 5 7 ) ； 国家 自然科学基金 委重 点资助项 目( 9 0 7 1 5 0 3 3 ) 第一作者 ： 刘汉昆( 1 9 8 5 一) ， 男 ， 河北邯郸人 ， 同济大学博士生 E ma i l ： l i u h a n k u n c i v i l h o t ma i l c o rn 通信作者 ： 李杰( 1 9 5 7 一) ， 男 ， 河南开封人 ， 长江学者 ， 同济大学 教授 ， 博 士生导师 ， 博 士 E ma i l ： l i j i e t o n g j i e d u c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 刘汉昆 ， 等 ： 受侵蚀混凝土本构关系 7 3 9 一 R 一 ，一 ( 6 ) 、 m 0 由已知条 件 叫。一 0 0 8 ， t 一 3 0 d ， D 一 0 5 2 mm。 d ， h一 1 7 5 mm， 可求 得 mo一 8 1 5 1 0 2 1 4蚀强 率 忌 对 于混 凝 土 中 的砂 浆 和过 渡 区 ( I TZ ) ， 参 照 文 献E 5 - 1 ， 假定腐蚀介质对其蚀强率与腐蚀介质质量分 数成正 比且与腐蚀持续时间成线性关 系， 可给出如 下蚀 强公 式 ： ： 一 叫。 k( t 一 ) ， 。 ( 7 ) j c O 其中： t 。为抗压强度开始降低 的时刻 ， 本文为 2 0 d ； _厂 。 为未 腐 蚀混 凝 土 的抗 压 强 度 ； f ( ) 为腐 蚀 引 起 的混凝土抗压强度折减值 ； k为蚀强率， 取决 于腐蚀 介 质 的类 型和 混凝 土 的组成 在确 定腐 蚀 区混 凝 土 的三 相 细 观 本 构 关 系 时 ， 可以认为 ： 腐蚀前、 后 ， 混凝 土中粗骨料 的物理和力 学 性 质 基 本 不 发 生 变 化 ， 只有 砂 浆 和 I TZ发 生 变 化 】 所 以 ， 从 细观层 面考 虑 ， “ 夹 心饼 ” 问题 是 由于 混凝土 内部的砂浆和 I TZ存在不均匀腐蚀所引起 的 通 过测试 硬 化 水泥 浆 腐 蚀 后 的 力 学性 能 来 得 到 受 侵蚀 砂浆 本构模 型 及其力 学参 数在 试验 上是 不 可 行 的 只能通 过腐 蚀 后 混 凝 土应 力 一 应 变 ( ) 关 系 的 试 验 结果 和数 值模 拟 结 果 的对 比 ， 反 推 砂 浆 和 I TZ 的蚀 强率 和 k 2 2 细观本 构 关 系的修正 由式 ( 6 ) 可 知 S O i 一侵 入 深 度 为 h时 所 需 时 问 t为 ： ( 8) 一 8) 由于腐蚀作用， 受侵蚀截面内混凝土强度的分 布是不 均匀 的 根 据式 ( 7 ) 可 得 截面 内抗 压强 度降 低 值分布的微分方程 ， 为 ： f o f d ( r ， ) c o w( r ， ) k t ，R r R f od ( ) 一 0 ， r R h ( 9 ) 将式 ( 5 ) 代 入式 ( 9 ) ， 并经 整理 ， 可得 腐蚀 后 砂 浆 和 I T Z的抗压 强度 分布 ( f o ( r ， ) ) 为 ： f oo ( r , t 一 。 叫 ( r , t ) k d t= 一 + 2 R w o 唧( ) d z 将 式 ( 1 0 ) 整 理得 ： 当 f ( r ， ) 0时 ， 即意 味着 材 料 已 经失 效 ， 退 出工 作 砂 浆 和 I TZ在 腐 蚀 后 的抗 压 强 度 分 别 为 厂 c ( r ， ) 和 厂 ， I T z ( r ， t ) 既有试 验研 究 表 明 ： 在硫 酸钠 对 混凝 土腐 蚀 初 期 ， 峰值应 力 对应 的应 变变化 不 大 故 可对 砂 浆 和 I T Z的细观 模 型作如 图 6所示 的修 正 图 6腐蚀前 、 后 的细观本构关系 Fi g6 M e s o s c opi c c o ns t i t ut i ve l a w be f o r e a n d a f t e r a t t a c k 前已述及 ， 通过数值模拟与试验结果的对比， 可 以识 别砂浆 和 I TZ的 蚀强 率 k 和 忌 根 据 图 6所 示 的修 正方 法 ， 并 结 合 式 ( 1 1 ) 就 可 以得 到 一定 质 量 分数 下 某 一 标 号 试 件 在 某 一 深 度 处 砂浆 和 I TZ的 受侵 蚀细 观本 构关 系 3 受侵蚀混凝土试 件的细观数值模拟 3 1 混凝 土试 件 的分 区 将 MI MI C S重 构 得 到 的 单 元 在 MATI AB 中 进 行 分 区 ， 即分 为 腐蚀 区和 未 腐蚀 区 ， 如 图 7所 示 对 不 同 区中 的三相 赋 予 不 同的 细 观本 构 关 系 ： 未 腐 蚀 区 中的 骨料 、 砂 浆 和 I TZ可参 照文 献 1 0 确 定 ； 腐 蚀 区 中的砂 浆 和 I T Z根 据 式 ( 1 1 ) 并 结 合 未 腐 蚀 细 观本 构关 系确 定 3 2受侵蚀 混凝 土试 件 的数值 模拟 以 C 3 O混 凝 土 试 件 为 例 ， 将 腐 蚀 区 ( 厚 度 为 1 7 5 ram) 分 为腐蚀 区 1 ( r 一1 7 5 2 7 5 ram) 和 腐 蚀 区 2 ( r 一1 0 0 1 7 5 ram) ， 且 每 一 腐 蚀 区 均取 该 区内腐蚀 应 力 的均 值 图 8给 出腐 蚀 后 的数 值 模 拟 结 果 与 试 验 结 果 由此 ， 可 识 别 给 出 尼 一 0 1 2和 k1 T z = = = 0 1 4 一 学 一 R 一 一 一 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 刘汉昆 ， 等 ： 受侵蚀混凝 土本 构关 系 7 4 1 的砂浆 和 I TZ取修正细观本构模型 ， 对未腐 蚀区域 的骨 料 、 砂 浆 和 I TZ取 未 腐 蚀 细 观 本 构 模 型 通 过 试 验结 果 与模 拟结 果 的对 比 ， 得 出 k 和 k ( 4 ) 假 定相 同组分 混 凝 土 中砂浆 和 I T Z在 同种 腐 蚀性 介 质里 的蚀 强 率 k 和 k 保 持 不 变 ， 利 用 式 ( 1 1 ) 求 出 叫。 下 的 f c ( r ， ) 和 f I T z ( r ， ) ， 并 将 其 均 匀赋 予整 个试 件 ， 通过 数值 模拟 ， 即可 给 出质 量分 数 为 w。 时混凝 土构 件 r 处 对 应 单 元 的受 侵 蚀 混 凝 土 本构 关 系 5 结 语 建 议采 用数 值 模 拟 与试 验 相结 合 的方 式 ， 解 决 受侵 蚀 混凝 土本 构关 系 的确 定 问题 通 过这 一 途 径 ， 可 望得 到 真正 意 义 上 的受 侵 蚀 混 凝 土 本 构 关 系 在 此基础上 ， 提出了混凝土结构 在任一腐蚀介质质量 分数 下 、 任 意位 置 处 对 应单 元 的受 侵 蚀 混 凝 土本 构 关 系 的分析 方法 该 方 法 为混 凝 土结 构 的耐 久 性 研 究提 供 了新 的途 径 在 一 定程 度上 ， 所 提 出的 方法 也 适合 于 混凝 土在其 他腐 蚀 情况 ( 如 盐 酸 、 硝 酸 以及 有 机酸 ) 下 受侵 蚀 混 凝 土 本 构关 系 的研 究 另 外 ， 亦 初 步验 证 了在 定 义砂 浆 和 I TZ蚀 强率 时所 采 用 假 定 的合 理性 参考 文献 ： 1 2 3 张凤杰 ， 吴庆 ， 向伟 ， 等 混凝土 的硫酸盐腐蚀研究 E J 徐 州工 程学院学报 ， 2 0 0 7 ， 2 2 ( 4 ) ： 5 7 5 9 ZHANG Fe n g j i e， WU Qi n g， XI ANG We i ， e t a 1 Re s e a r c h o n s u l f a t e a t t a c k o n c o n c r e t e J J o u r n a l o f Xu z h o u I n s t i t u t e o f Te c h n o l o g y， 2 0 0 7， 2 2 ( 4 )： 5 7 5 9 ( i n Ch i n e s e ) 陈达 ， 东培华 ， 廖迎娣 海洋 环境 中受腐蚀 混凝土 的力学研 究 现状和展望E J 腐蚀与 防护， 2 0 0 7 ， 2 8 ( 1 2 ) ： 6 3 0 6 3 2 CH EN Da，DONG Pe i h u aLI AO Yi n g d i Re t r o s pe c t a nd p r o s p e c t o f me c ha n i c a l s t u d y o f c o r r o s i o n i n ma r i n e c o n c r e t e J C o r r o s i o n P r o t e c t i o n ， 2 0 0 7 ， 2 8 ( 1 2 ) ： 6 3 0 6 3 2 ( i n C h i n e s e ) 梁 咏宁， 袁迎 曙 硫 酸盐腐 蚀后 混凝土单轴受 压本构关系 J 哈尔滨工业 大学学报 ， 2 0 0 8 ， 4 0 ( 4 ) ： 5 9 6 1 LI ANG Yo n g n i n g， YUAN Yi n g s hu Co n s t i t u t i v e r e l a t i o n o f s u l f a t e a t t a c k e d 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 o n J J o u r na l o f Ha r b i n I n s t i t u t e o f Te c h n o l o gy ， 2 0 0 8， 4 0( 4) ： 5 9 6 1 ( i n Ch i n e s e ) 4 陈朝晖 ， 黄河， 颜 文涛 ， 等 腐蚀 混凝 土单轴受 压力学性能研 究 J 华 中科技大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 0 8 ， 3 6 ( 3 ) ： 3 8 4 1 CHEN Zh a o h u i 。 HU ANG He。 YAN W e n t a o， e t a 1 Co n s t i t u t i v e mo d e l o f c o r r o d e d c o nc 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 o n E J J o u r n a l o f Hu a z h o n g Un i v o f S c i& Te c h ： Na t u r a l S c i e n c e ， 2 0 0 8， 3 6( 3 )： 3 8 4 1 ( i n Ch i n e s e ) 5 曹双寅 受腐蚀混凝 土的力 学性 能_ J 东南大学学报 ： 自然科 学 版 ， 1 9 9 1 ， 2 1 ( 4 ) ： 8 9 9 5 CAO Sh u a n g y i n Me c ha n i c a l p r o p e r t i e s o f c o r r o d e d c o n c r e t e J J o u r n a l o f S o u t h e a s t Un i v e r s i t y ： Na t u r a l S c i e n c e ， 1 9 9 1 ， 21 ( 4) ： 8 9 - 9 5 ( i n Ch i n e s e ) E 6 张玉敏 ， 王 铁成 人 工海 水对混 凝土 侵蚀性 的研 究 J 混凝 土 ， 2 0 01 ( 1 1 1 2 )： 4 8 5 0， 5 卜5 3 ZH ANG Yu rai n， W ANG Ti e - c he n g Th e r e s e a r c h o f c o n c r e t e c o r r o d e d b y t h e a r t i f i c i a l s e a J C o n c r e t e ， 2 0 0 1 ( 1 1 1 2 ) ： 4 8 5 O， 5 1 5 3 ( i n Ch i ne s e ) 7 梁 咏宁， 袁迎 曙 硫 酸钠 和硫 酸镁溶液 中混凝 土腐蚀破坏 的机 理E J 硅酸盐学报 ， 2 0 0 7 ， 3 5 ( 4 ) ： 5 0 4 5 0 8 LI ANG Yo n g ni n g， YUA N Yi n g s h u M e c h a ni s m o f c o n c r e t e d e s t r u c t i o n u nd e r s o d i u m s u l f a t e a n d ma g n e s i u m s u l f a t e s o l u t i o n J J o u r n a l o f t h e C h i n e s e C e r a mi c S o c i e t y ， 2 0 0 7 ， 3 5 ( 4 ) ： 5 0 4 5 0 8 ( i n Ch i n e s e ) 8 AL DUL AI J AN S U， MAS L E HUD DI N M， AL - Z AHR ANI M M ， e t a 1 Su l f a t e r e s i s t a n c e o f p l a i n a nd b l e n d e d c e me n t s e x p o s e d t o v a r y i n g c o n c e n t r a t i o n s o f s o d i u m s u l f a t e J C e me n t Co n c r e t e Co mpo s i t e s ， 2 0 0 3， 2 5( 4 - 5 )： 4 2 9 4 37 E 9 亢景富 混凝土硫酸盐侵蚀 研究 中的几个基 本问题 J 混凝 土 ， 1 9 9 5 ( 3 )： 9 1 8 KANG J i n g f u B a s i c p r o b l e ms o f s u l f a t e a t t a c k e d c o nc r e t e J J C o n c r e t e ， 1 9 9 5 ( 3 ) ： 9 1 8 ( i n C h i n e s e ) 1 O 刘汉昆 ， 孙超 ， 李杰 基于 C T扫描 的混凝土 三维细 观数值 模 拟E J 建筑科学与工程学报 ， 2 O 1 O ， 2 7 ( 1 ) ： 5 4 5 9 LI U Ha n k u n， SUN Ch a o， LI J i e X r a y CT b a s e d t h r e e d i me ns i o n a l n ume r ic a l s i mul a t i o n o f c o nc r e t e i n me s o s c o p i c l e v e l F J 2 J o u r n a l o f Ar c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e r in g ， 2 0 1 0 ， 2 7 ( 1 ) ： 5 4 5 9 ( i n Ch i ne s e ) 1 1 Z H0U Q， HI L L J ， B Y ARS E A， e t a 1 Th e r o l e o f p h i n t h a u ma s i t e s u l f a t e a t t a c k J C e me n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h ， 2 0 0 6 ， 3 6( 1 )： 1 6 O 1 7 O 1 2 3 C RANK J T h e ma t h e ma t i c s o f d if f u s i o n M Ox f o r d ： C l a r e n d o n Pr e s s ， 1 9 5 6： 4 1 3 3 S ANTHANAM M， C OHE N M D Me c h a n i s m o f s u l f a t e a t t a c k： A f r e s h l o o k Pa r t 1 ： Su mma r y o f e x p e r i me nt a l r e s u l t s E J C e me n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h ， 2 0 0 2 ， 3 2 ( 6 ) ： 9 1 5 - 9 2 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m