干湿循环-硫酸盐侵蚀后混凝土的表征及受压本构关系

摘要

干湿循环-硫酸盐侵蚀耦合作用对混凝土材料的影响与实际工程环境较为一致。在此环境下服役的混凝土材料性能的退化尤为显著，如何准确评估受侵蚀混凝土的损伤劣化程度和剩余承载能力已成为一个急需解决的问题。本构关系是力学中一项基础性参数，正确、实用和物理意义明确的本构关系能较好的反映材料的物理力学特性，为工程设计和维修加固决策提供科学依据。因此，如何选取合适的评价指标表征受侵蚀混凝土的损伤劣化程度，建立受侵蚀混凝土的本构关系，并将二者有机联系起来，构建内含损伤度的本构关系，最终实现硫酸盐侵蚀混凝土受压破坏过程和受压本构关系的数值模拟，是具有重要理论意义和工程实用价值的研究课题。
　　本文围绕构建内含损伤度的本构关系这一中心问题，开展了大量实验，研究硫酸盐侵蚀混凝土评价指标及其演化过程、微结构力学性能演化规律和应力-应变曲线特征等，并运用粗糙集、扰动状态和细观力学理论进行分析。运用粗糙集理论，比较分析了多项评价指标的重要性差异，筛选出了合适的评价指标，并定义了含有该指标的损伤度，将损伤度代入《混凝土结构设计规范》和CEB/FIP所建议的未侵蚀混凝土单轴本构方程，建立了以混凝土强度等级和损伤度为参数的受压本构方程。基于二元扰动状态理论，建立了物理意义明确、形式简单和易于工程师接受的实用性受压本构方程，参数同样可以通过损伤度和混凝土强度等级确定。并从材料细观力学角度，实现了硫酸盐侵蚀混凝土受压破坏过程和受压本构模型的数值模拟。根据以上对硫酸盐侵蚀混凝土受压本构模型建立过程的分析，总结提炼出了硫酸盐侵蚀混凝土和类似侵蚀状态混凝土本构模型的构建方法。本论文所取得的主要研究结论和创新成果主要体现在以下几个方面:
　　(1)运用粗糙集理论确定了能敏感评价硫酸盐侵蚀损伤程度的参数
　　针对硫酸盐侵蚀评价指标难以选取的问题，运用粗糙集理论中的知识约简方法挖掘评价指标的重要性，将各个评价指标重要性所占权重问题转化为粗糙集中属性重要性评估问题，得到各个评价指标对表征硫酸盐侵蚀损伤程度的重要性系数。在硫酸钠侵蚀环境中，膨胀率（长度变化率）和超声波波速的重要性系数较大，回弹值次之，质量变化率和侵蚀深度最小;在硫酸镁侵蚀环境中，超声波波速和回弹值的重要性系数较大，侵蚀深度次之，质量变化率和长度变化率最小。因此，选取超声波波速为统一表征硫酸盐侵蚀损伤程度的评价指标，并为硫酸盐侵蚀混凝土损伤度的定义所选参数提供有力证据。
　　然后，通过属性约简，建立各个评价指标之间的相关性和组合关系，得到了预测和判断腐蚀程度的19条决策规则。应用所得到的相关决策规则对其他硫酸盐侵蚀实验情况预测结果与实验结果的对比表明，可以作为类似条件下腐蚀程度预测的依据，相对于单个评价指标预测结果精度更高。
　　(2)建立了基于实验数据的硫酸盐侵蚀混凝土单轴受压本构方程及其参数拟合方程根据粗糙集理论分析各个评价指标重要性结果和超声波波速变化与强度的变化趋势较为一致，定义超声波波速相对变化率为硫酸盐侵蚀的损伤度。通过损伤度，可以将不同试验制度下的硫酸盐侵蚀损伤程度统一下来。本文将该参数贯穿于全文，研究不同损伤度大小的微结构损伤及其力学性能演化规律，并用于确定受压本构关系中的参数等，使所得结论具有实际应用价值。
　　通过对比分析硫酸盐侵蚀、碱骨料反应和溶蚀在不同损伤路径下造成混凝土强度相近或相等条件下的应力-应变曲线差异，表明该实验研究的必要性。
　　混凝土硫酸盐侵蚀后的受压应力-应变曲线在损伤度较小时与普通混凝土相似，当损伤度较大时不同于普通混凝土的完全外凸形式，而存在下凹曲线形式。随着损伤度的不断增大，峰值应力和弹性模量先增大后减小，而峰值应变先减小后增大。基于《混凝土结构设计规范》和CEB/FIP的无损混凝土的单轴受压本构模型，提出了以混凝土强度等级标准值(fcu)和损伤度（d)为参数的硫酸盐侵蚀混凝土单轴受压本构方程及峰值应力、峰值应变和弹性模量的拟合方程。与其他文献报道的实验数据的比较表明，方程的预测结构准确，因此方程的适用性较强，并便于实际工程应用。
　　(3)运用扰动状态理论建立了形式简单、物理意义明确并便于实际工程应用的硫酸盐侵蚀混凝土受压本构模型
　　根据扰动状态理论构建模型的方法，通过探讨不同相对完整状态和完全调整状态模型对预测结果的影响，并考虑到模型的物理意义和实用性，分别选取了非线性模型和弹性模型描述相对完整状态和完全调整状态的本构关系，采用经验公式和超声波波速为参数的扰动函数，构建了硫酸盐侵蚀混凝土的扰动状态本构模型，对于所构建的扰动状态模型中的参数可通过本文所定义的损伤度和混凝土强度等级标准值确定。通过对所建模型进行实验验证和与其他模型对比，所建模型与实测曲线较为接近，且部分优于其他模型预测结果。
　　(4)揭示了硫酸盐侵蚀混凝土微结构损伤及其力学性能演化规律
　　结合XCT扫描分析与硫酸根离子浓度分布测试结果，发现混凝土受硫酸盐侵蚀后损伤区域分布明显呈现梯度性。根据分层损伤理论，对不同损伤度大小的试件进行分区，划分为裂缝区（损伤较重）、损伤区（损伤较轻）和未损伤区。为硫酸盐侵蚀混凝土的受压破坏过程和受压本构方程的数值模拟分区提供了依据，以体现硫酸盐侵蚀的非均匀性。
　　根据不同强度等级混凝土在不同损伤度下的砂浆与界面过渡区之间的显微硬度值和纳米压痕弹性模量的关系，确定了砂浆相和界面过渡区之间力学参数的关系，用于后续数值模拟的参数选择。界面过渡区与砂浆基体的平均显微硬度值之间呈现线性变化关系，对于C30和C50混凝土的线性系数为0.40，C80混凝土的线性系数为0.50。纳米压痕测试结果表明，硫酸盐侵蚀改变了微结构的物相组成，空隙与软物质相的相对体积急剧增加，使得微结构的弹性模量大幅降低，混凝土强度等级越低降低的越明显;侵蚀产物所占体积在砂浆内随强度等级提高而增加，在界面过渡区内反而降低。混凝土硫酸盐侵蚀后界面过渡区与砂浆基体之间的弹性模量呈线性变化关系，对于C30和C50混凝土的线性系数为0.45，C80混凝土的线性系数为0.50。
　　(5)开展了基于细观力学的硫酸盐侵蚀混凝土数值模拟，提出了受侵蚀混凝土本构关系的构建方法
　　通过对混凝土进行合理的数值模拟分区，可以建立与硫酸盐侵蚀混凝土实际情况较为接近的数值模型;采用双折线模型描述细观单元损伤过程，采用最大拉应力准则和摩尔库伦准则判断失效，根据本文所提出的理论计算方法和实验过程确定各细观组分参数的方法，实现了混凝土受硫酸盐侵蚀后受压破坏过程的数值模拟。展现出实际实验过程中难以发现的现象:受侵蚀混凝土受压破坏过程中损伤所形成的微裂纹的萌生、扩展和交汇与普通混凝土的分布和走向不同，除了与界面过渡区位置相关，还与侵蚀损伤度密切相关，出现局部损伤集中于劣化严重区域内的砂浆相的现象。结合单元破坏类型所占比例和有限元云图分析表明，混凝土受硫酸盐侵蚀后受压破坏机理仍以受拉破坏为主，受压剪破坏也同时存在。
　　基于细观力学构建受侵蚀混凝土受压本构关系的方法可以归纳为:(1)以蒙特卡罗方法(Monte Carlo)为基础，采用Take and place算法生成随机骨料，定义界面过渡区和砂浆基质区域，生成混凝土的数值模型;根据实验测试结果对混凝土的数值模型进行合理分区，建立与侵蚀混凝土实际情况较为接近的数值模型;结合几何分解法和结点连接法在ANSA软件中尽量采用四边形完成细观模型的网格剖分，并对界面过渡区部分进行网格优化。(2)侵蚀混凝土细观单元参数、本构模型和失效准则的确定，首先根据建立的宏观力学参数与损伤度和混凝土强度等级之间的关系，计算出各种损伤状态下的混凝土的弹性模量，基于并联模型和无损检测参数之间的关系得到各个受损分区内的混凝土的弹性模量，应用三相复合球模型反演出各个分区内的砂浆相的弹性模量;然后结合文中确定的界面过渡区与砂浆之间参数的关系和参考相关文献，确定其参数;采用双折线等模型描述各个细观单元的本构模型;应用最大拉应力准则和摩尔库伦准则判断其失效状态。(3)采用有限元程序ABAQUS/Explicit模块实现侵蚀混凝土受压破坏过程和本构模型的数值模拟。

目录

声明

摘要

符号表

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 混凝土硫酸盐侵蚀研究现状

1．2．1 混凝土硫酸盐侵蚀机理

1．2．2 混凝土硫酸盐侵蚀实验研究综述

1．2．3 现有混凝土硫酸盐侵蚀实验研究评述

1．3 混凝土硫酸盐侵蚀单轴受压本构关系的研究现状

1．3．1 混凝土硫酸盐侵蚀单轴受压本构关系的实验研究

1．3．2 基于力学理论建立硫酸盐侵蚀混凝土单轴受压本构关系的研究现状

1．3．3 本构关系的数值模拟

1．3．4 硫酸盐侵蚀混凝土单轴受压本构关系研究评述

1．4 本文所开展的研究工作

1．4．1 研究目标

1．4．2 研究内容、意义及拟解决的关键问题

1．4．3 论文的总体框架

第二章 基于粗糙集理论的硫酸盐侵蚀评价指标重要性分析及其应用

2．1 粗糙集

2．1．1 粗糙集理论

2．1．2 粗糙集理论应用

2．1．3 基于粗糙集理论的盐侵蚀评价指标重要性分析过程

2．2 硫酸盐侵蚀实验设计及实验结果

2．2．1 实验原材料和配合比设计

2．2．2 试件制作及养护

2．2．3 外界侵蚀环境因素的确定

2．2．4 侵蚀龄期

2．2．5 评价指标

2．2．6 实验结果

2．3 粗糙集决策模型

2．3．1 关系数据模型

2．3．2 属性特征化

2．3．3 决策表

2．3．4 评价指标重要性分析及权系数计算

2．3．5 规则提取

2．4 应用

2．5 本章小结

第三章 硫酸盐腐蚀混凝土单轴受压本构关系实验研究

3．1 实验研究方案

3．1．1 配合比及试件尺寸

3．1．2 硫酸盐侵蚀实验方法

3．1．3 硫酸盐侵蚀损伤程度表征

3．1．4 硫酸盐侵蚀混凝土力学性能测试

3．2 硫酸盐侵蚀混凝土损伤分析

3．2．1 硫酸盐侵蚀混凝土损伤度的定义

3．2．2 与强度衰减相关联的表征参数对比

3．2．3 不同硫酸盐侵蚀损伤路径对本构关系的影响

3．3 受硫酸盐侵蚀混凝土应力-应变曲线与分析

3．3．1 受硫酸盐侵蚀混凝土表观特征

3．3．2 受硫酸盐侵蚀混凝土破坏形态

3．3．3 受硫酸盐侵蚀混凝土的应力-应变曲线及其分析

3．4 受硫酸盐侵蚀混凝土应力-应变曲线拟合

3．4．1 峰值应力

3．4．2 峰值应变

3．4．3 弹性模量

3．4．4 单轴受压本构方程的选择

3．4．5 受硫酸盐侵蚀混凝土单轴受压本构方程

3．4．6 硫酸盐侵蚀混凝土单轴受压本构方程验证

3．5 本章小结

第四章 硫酸盐侵蚀混凝土微结构损伤及其力学性能研究

4．1 引言

4．2 实验原材料及配合比

4．3 测试方法

4．3．1 XCT扫描分析

4．3．2 硫酸根离子含量测试

4．3．3 盐蚀混凝土显微硬度

4．3．4 盐蚀混凝土纳米压痕测试

4．4 实验结果及分析

4．4．1 XCT扫描分析结果及应用

4．4．2 硫酸根离子含量分布

4．4．3 显微硬度测试结果与分析

4．4．4 纳米压痕测试结果

4．5 本章小结

第五章 基于扰动状态理论的硫酸盐侵蚀混凝土受压本构模型

5．1 扰动状态理论

5．1．1 扰动状态基本原理

5．1．2 扰动状态与其他模型的对比

5．2 扰动状态理论研究方法

5．2．1 相对完整状态本构模型

5．2．2 完全调整状态本构模型

5．2．3 扰动函数

5．2．4 扰动状态理论的预测方法

5．3 硫酸盐侵蚀混凝土扰动模型

5．3．1 相对完整状态模型对预测结果的影响

5．3．2 相对完全调整状态模型对预测结果影响

5．3．3 含有损伤度的扰动状态单轴受压本构模型

5．3．4 基于超声波波速为参数的扰动状态模型

5．4 模型验证及方法提炼

5．4．1 扰动状态模型参数确定

5．4．2 模型验证

5．4．3 建模过程小结

5．5 本章小结

第六章 基于细观力学的硫酸盐侵蚀混凝土的数值模拟

6．1 混凝土细观力学

6．1．1 混凝土细观力学理论

6．1．2 混凝土细观力学研究方法

6．1．3 细观力学有限元法求解

6．2 混凝土细观结构的数值模拟

6．2．1 随机骨料生成方法

6．2．2 二维圆形随机骨料的生成

6．2．3 二维圆形随机骨料生成实例

6．3 硫酸盐侵蚀混凝土细观数值模拟及细观组分力学参数确定

6．3．1 硫酸盐侵蚀混凝土细观数值模拟

6．3．2 硫酸盐侵蚀混凝土细观组分力学参数的确定

6．3．3 细观单元的损伤本构关系

6．4 数值模拟结果及分析

6．4．1 有限元计算环境

6．4．2 机理分析

6．4．3 单轴受压细观本构模型

6．4．4 与其他模型结果对比

6．4．5 腐蚀混凝土数值模拟方法

6．5 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 研究展望

7．3 创新性自评分析

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表论文清单