轴压荷载下干湿循环—硫酸盐侵蚀耦合作用混凝土长期性能

摘要

硫酸盐侵蚀混凝土的过程是一个涉及物理、化学、力学等多方面作用效应的复杂现象，其影响因素众多、危害很大，是混凝土耐久性研究的重要内容之一。实际工程中，当混凝土结构处于荷载与硫酸盐侵蚀环境因素耦合作用时，其作用机理更为复杂。在这种耦合作用下，如何判定结构的功能，即安全性、适用性与耐久性是否满足设计、施工、使用等方面的要求，需要对混凝土的长期性能等进行研究分析。然而，在现有的相关研究中，多因素耦合作用下混凝土性能试验方法还没有统一，造成研究成果缺乏规律性并存在普遍争议，尤其是环境因素作用下混凝土长期变形的试验方法还没有相应的标准遵循。这些因素都有可能会造成研究过程中出现偏差，并导致工程设计和施工的不安全，兹待解决。
　　在混凝土结构的设计中，往往取混凝土28天的力学性能或者是一个定值作为其材料性能的判定指标。然而，混凝土材料性能是随时间不断变化的，导致结构性能也在随时间不断变化，当这一变化在结构处于危险状态时则更为突出，会危及结构的安全，因此，获取和使用混凝土当前状态的材料性能指标十分重要。目前，荷载与环境多因素耦合作用下混凝土性能研究还很不充分，处于起步阶段，尤其是对于荷载与干湿循环硫酸盐耦合作用下混凝土依时性力学性能的研究分析仍是空白。
　　本文围绕轴压荷载、干湿循环、硫酸盐侵蚀三重因素共同作用下混凝土的力学、耐久、徐变性能开展了试验研究和理论研究。主要工作如下:
　　(1)通过对国内外已有硫酸盐侵蚀混凝土试验方法比较与分析，根据工程实际环境下混凝土硫酸盐侵蚀的特点，设计了轴压荷载下干湿循环-硫酸盐侵蚀耦合作用混凝土长期性能演变规律的试验方案;
　　(2)开展了压应力、干湿循环和硫酸盐侵蚀作用下混凝土长期性能的试验研究，主要考虑了浸泡方式、应力水平和硫酸盐溶液浓度等因素。试验结果表明，多因素的耦合作用，由于多因素之间选择的水平不同，耦合后对混凝土性能的复合作用会产生或延缓或加速的效应;
　　(3)基于描述物理系统的元胞自动机模型，制定了混凝土内各元胞状态在时间和空间上的演化规则，并考虑由于混凝土的不均匀性引起的硫酸根离子在混凝土内传输的不确定性，建立了用于模拟多因素耦合作用下硫酸根离子侵蚀混凝土的元胞自动机模型;
　　(4)基于材料损伤力学的有效应力理论与混凝土徐变B3模型，建立了硫酸盐侵蚀作用下混凝土轴心受压构件徐变模型。进一步考虑与干湿循环影响系数相结合，给出了干湿循环硫酸盐侵蚀下混凝土徐变预测模型。上述模型的预测结果与试验数据吻合较好;
　　(5)在混凝土损伤本构理论的基础上，考虑硫酸盐侵蚀混凝土的特征，建立了硫酸盐侵蚀混凝土的损伤计算模型，并结合徐变对混凝土应力应变关系影响规律，建立了干湿循环硫酸盐侵蚀下混凝土依时性应力-应变关系模型。该模型能较好的与试验数据曲线对应，并能合理地模拟其破坏过程。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 硫酸盐侵蚀下混凝土性能

1．2．2 干湿循环与硫酸盐侵蚀下混凝土性能

1．2．3 荷载与干湿循环耦合作用下混凝土硫酸盐侵蚀

1．2．4 考虑环境因素的混凝土徐变

1．2．5 混凝土依时性应力应变关系

1．2．6 存在的主要问题

1．3 本文研究的主要内容、技术路线及创新点

2 混凝土的制备及试验方案

2．1 概述

2．2 国内外现行硫酸盐侵蚀水泥基材料试验方法比较与评价

2．3 国内外现行混凝土徐变试验方法比较与评价

2．4 国内外已有荷载与环境因素下混凝土长期性能试验加载装置

2．5 混凝土的制备

2．5．1 试验原材料

2．5．2 混凝土配合比

2．5．3 混凝土基本物理力学性能

2．6 荷载-干湿循环-硫酸盐侵蚀混凝土性能试验方案

2．6．1 加载装置

2．6．2 荷载控制

2．6．3 硫酸盐侵蚀制度

2．6．4 混凝土内硫酸根离子浓度分布

2．6．5 混凝土徐变变形

2．6．6 混凝土材料耐久性损伤

2．6．7 混凝土依时性应力-应变关系

2．6．8 试验因素、水平及试件数量

2．7 试验参数表示方法

2．8 本章小结

3 压应力与干湿循环作用下硫酸根离子在混凝土内的传输

3．1 概述

3．2 Fick第二定律

3．3 元胞自动机模型

3．3．1 基本原理

3．3．2 模拟硫酸根离子侵蚀混凝土的元胞自动机模型

3．3．3 CA模型验证

3．4 改进的元胞自动机模型

3．4．1 腐蚀龄期的影响

3．4．2 硫酸根离子扩散系数

3．4．3 应力水平与硫酸盐溶液浓度对扩散系数的影响

3．4．4 MPCA模型验证

3．5 本章小结

4 压应力与干湿循环硫酸盐侵蚀耦合作用下混凝土损伤

4．1 概述

4．2 荷载与环境因素耦合作用混凝土耐久性损伤

4．2．1 硫酸盐侵蚀下混凝土损伤

4．2．2 荷载与多重环境因素耦合作用下混凝土损伤

4．3 试验结果分析

4．3．1 质量

4．3．2 动弹性模量

4．3．3 抗压强度

4．4 混凝土耐久性损伤模型

4．4．1 模型建立

4．4．2 模型分析

4．5 本章小结

5 干湿循环与硫酸盐侵蚀下轴心受压混凝土构件徐变

5．1 概述

5．2 混凝土徐变

5．2．1 徐变对混凝土结构的影响

5．2．2 固结理论

5．2．3 B3徐变模型

5．3 基于有效应力的修正B3徐变模型

5．3．1 压应力状态下硫酸盐侵蚀混凝土损伤

5．3．2 实验结果

5．3．3 硫酸盐侵蚀下混凝土B3徐变模型

5．3．4 模型验证

5．3．5 参数分析

5．4 干湿循环硫酸盐侵蚀下混凝土徐变

5．4．1 干湿循环对混凝土徐变的影响

5．4．2 BP-KX模型

5．4．3 试验结果

5．4．4 干湿循环硫酸盐侵蚀下混凝土徐变模型

5．4．5 模型验证

5．5 本章小结

6 压应力与干湿循环硫酸盐耦合作用后混凝土依时性应力-应变关系

6．1 概述

6．2 混凝土依时性应力-应变关系

6．2．1 混凝土单轴受压应力-应变关系

6．2．2 混凝土损伤本构模型

6．2．3 干湿循环与硫酸盐侵蚀下混凝土损伤本构模型

6．2．4 持续荷载作用对混凝土应力-应变关系的影响

6．3 试验结果及讨论

6．3．1 压应力水平

6．3．2 浸泡方式

6．3．3 溶液浓度

6．3．4 侵蚀时间

6．4 压应力与干湿循环硫酸盐侵蚀后混凝土依时性应力-应变关系

6．4．1 模型建立

6．4．2 模型验证

6．5 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

附录A 压应力与干湿循环下硫酸根离子在混凝土内分布规律

附录B 压应力与干湿循环硫酸盐下混凝土短柱应力-应变关系曲线

附录C 压应力下干湿循环硫酸盐侵蚀后混凝土应力-应变关系曲线的特征参数

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