疲劳荷载作用下混凝土硫酸盐腐蚀寿命预测.pdf
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1、第 1 5卷 第 3期 2 O 1 2年 6月 建筑材料学报 J OURNAL OF BUI L DI NG M ATERI AL S V0 l _ 15, No 3 J u n , 2 0 1 2 文 章 编 号 : 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 2 ) 0 3 0 3 9 5 0 4 疲劳荷载作用下混凝土硫酸盐腐蚀寿命预测 关博 文 , 陈拴发 , 李华平 , 熊 锐 , 於德 美 ( 1 长安 大学 特 殊地 区公 路工 程教 育 部重 点实 验室 ,陕西 西 安 7 1 0 0 6 4 ; 2 长 安大学 材料科 学 与工 程学 院 , 陕 西 西安 7 1 0 0
2、6 1 ) 摘 要 : 在 已有 水 泥混凝 土硫 酸 盐腐蚀 模 型 的基 础 上 , 引入 疲 劳荷 载 影 响 的硫 酸根 离子有 效 扩散 系 数 , 分析不同参数对疲劳荷载作用下水泥混凝土硫酸盐腐蚀寿命 的影响 ; 通过 大量 的均 匀设 计计 算 , 回归 出疲 劳荷载 作 用下道 路 混凝 土 受硫 酸 盐 腐 蚀 寿 命 的 计 算公 式 , 可 为疲 劳荷 载 作 用 与硫 酸 盐腐蚀工况下的水泥混凝土材料设计及 寿命预估提供参考 关 键词 :水 泥混凝 土 ;疲 劳荷 载 ;硫 酸盐 腐蚀 ; 腐 蚀 寿命 中 图分类 号 : TU5 2 8 0 1 文献 标 志码 : A
3、 d o i : 1 0 3 9 6 9 i i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 2 0 3 0 2 0 S u l f a t e Co r r o s i o n Li f e o f Ce me n t Co n c r e t e u n d e r Fa t i g u e Lo a d GUAN Bo we n 。 , CHEN Sh u a n fa 。 , LI Hu a p i n g。 , XI ONG Ru i , De me i ( 1 Ke y La bo r a t or y f or Spe c i al Ar e a H i g hwa
4、y En gi ne e r i ng of M i ni s t r y of Edu c a t i on,Ch a ng a n Uni ve r s i t y, Xi a n 71 00 6 4,Chi na;2 Sc h oo l o f M a t e r i a l s Sc i e nc e a n d Eng i n e e r i ng,Cha ng a n Uni v e r s i t y,Xi a n 71 0 061,Chi na ) Ab s t r a c t:Ex i s t i ng s u l f a t e a t t a c k m o d e l
5、of c e m e n t c o nc r e t e c a n no t t r ul y r e f l e c t t he a c t u a l c o ns t r uc t i o n o f c e m e nt c o nc r e t e Ba s e d o n t he e x i s t i ng s ul f a t e a t t a c k m o d e l o f c e m e nt c on c r e t e。e f f e c t i v e s u l f a t e di f f u s i o n c o e f f i c i e n
6、t u nd e r f a t i g ue l o a d wa s i n t r od uc e d t o a n a l y s i s t he e f f e c t of d i f f e r e n t pa r a me t e r s o n t he s ul f a t e c o r r os i o n l i f e und e r f a t i g ue l o a d Ba s e d on t he a na l y s i s o f t he l a w ,a pr a c t i c a l f o r m u l a f or t he s
7、u l f a t e c o r r o s i o n l i f e o f c e m e nt c o nc r e t e un de r f a t i gu e l o a d i s e s t a bl i s he d by a l a r ge nu m b e r o f u ni f or m de s i gn c a l c ul a t i o ns Ke y wo r d s :c e me nt c on c r e t e;f a t i g ue l o a d;s ul f a t e c o r r os i o n;c o r r o s i o
8、n l i f e 腐 蚀是水 泥 混凝 土结 构病 害劣 化 的主要 原 因之 一 ,因腐蚀导致巨大经济损失的工程不胜枚举 在水 泥混凝土腐蚀破坏 的诸多类型 中, 以硫酸盐腐蚀最 为严重 , 而且硫酸盐腐蚀破坏很少是受单 一硫 酸盐 浓 度 因素作 用 的影响 大量 工程 调查 表 明 : 疲 劳 荷载 的存在 , 促进 了硫酸盐腐蚀进一步发展 , 严重 降低了 水 泥混 凝土 结构 的耐 久性 能_ 1 现 有 的水 泥 混凝 土硫 酸盐腐 蚀 模型 主要 集 中于 单一硫酸根离子在水泥混凝 土 中的扩 散与传输过 程 , 并 不 能真 实反 映实 际工 程状 况 4 , 因此 , 本
9、文在 已有水泥混凝土硫酸盐腐蚀模型的基础上 , 引入疲 劳荷 载影 响 的硫 酸 根 离 子有 效 扩散 系数 , 分 析 不 同 参数对疲劳荷载作用下水泥混凝土硫酸盐腐蚀寿命 的影响 ; 通过大量的均匀设计计算 , 回归出疲劳荷载 作用下道路混凝土受硫酸盐腐蚀 寿命 的计算公式 , 以期为疲劳荷载作用与硫酸盐腐蚀工况下的水泥混 凝 土材料 设计 及 寿命 预估 提供参 考 1 分析模型 的修正与参数选择 1 1扩 散 系数 的修正 现有 硫酸 根离 子在 水 泥混凝 土 中 的扩 散 行 为模 型与实际路桥工程情况存在很 大的差异 , 在路桥混 收稿 日期 : 2 0 1 1 - 0 1 1
10、 0 ;修订 日期 : 2 0 1 1 - 0 3 0 1 基金项 目: 国家 自然科学基金 资助项 目( 5 0 9 7 8 0 3 1 ) ; 中央高校基本科研业务基金资助项 目( C HD 2 0 1 0 Z Y0 1 4 ) ; “ 十二五” 国家科技 支撑计划 项 目( 2 0 1 1 B AE2 7 B 0 0 0 4 ) 第一作者 : 关博文( 1 9 8 5 ) , 男 , 吉林 吉林人 , 长安大学博士生 E ma i l : g u a n b o we n 2 O O 1 1 6 3 c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 9 6
11、建筑材料学报 第 1 5卷 凝 土 中的扩 散 系数是 随着 所受 荷载 大小 而发 生变 化 的 , 为 准确 描述 受 疲 劳 荷 载作 用 的水 泥 混凝 土 中 的 扩散行 为 , 必须对 现 有模 型 的扩散 系数进 行修 正 设 水 泥混凝 土单 位微 元 的体 积 ( m。 ) 和裂 纹 面积 S 。 ( m ) 分 别为 : V H H ( 1) S 一 n H 4 ( 2 ) 式 中 : H 为棱 柱体 裂 纹 宽 度 , m; H 为 水 泥混 凝 土 基体 间距 , m 在扩 散过程 中 , 水 泥 混 凝 土 单位 微 元 的 总扩 散 通量 J ( too l ( m
12、。 s ) ) 为 : J 一 ( J S + I , S ) ( S + S ) ( 3 ) 式 中 : 为 裂 纹 中 的扩 散 通 量 , mo l ( m s ) ; J 为 水泥 混凝 土 基 体 材 料 中 的扩 散 通 量 , mo l ( m s ) ; s , s 分别表示与 J , 正交的裂纹面积和基体面 积 , m , , , 。 , -, 又可表 示 为 : J 一一 D ;J 一一 D ;J 一一 D ( 4 ) 式 中 : D 为整 个 混凝 土材 料 中 ( 包 括 基体 和裂 纹 ) 的 有效扩散系数, m2 s ; D。 为裂纹中的扩散系数 , m 2 s ;
13、 D 为硫酸盐在混凝土基体材料中的扩散系数 , m 2 s ; 为 扩散 化学 势 , mo l s 由式 ( 1 ) , ( 2 ) 可得 : D D 一 ( D S D + S ) ( S。 + S ) ( 5 ) b= = =S ( S 。 + S )一 7 【 H 4 H 一 0 7 8 5 H H ( 6 ) 令裂 纹 因子 一 H H , 则 b一 0 7 8 5 1 由式 ( 4 ) ( 6 ) 可得 : D 一 ( 1 + 0 7 8 5 1 D D 一 0 7 8 5 1 ) D ( 7 ) 对裂 纹 均一化 处理 , 则疲 劳 过 程 中裂 纹 因 子 与 水泥混凝土在疲
14、劳荷 载作用 次后 的残余变形 : 的关 系 6 为 : a = = :1 ( 1+ 2 : ) ( 8 ) 研究 表 明 , 水 泥混 凝 土疲 劳方程 可 以表示 为 : s a一 ( 1一 u ) 1 gN ( 9 ) 式 中 : S为最大 疲 劳荷 载应力 水平 ; a , 8 为 实验 常 数 ; u 为高低应力 比; N 为疲劳荷载最大应 力水平时 的 极限疲劳寿命 假设 水 泥混凝 土疲 劳损 伤 过 程 的 第 一 、 二 阶段 残余变形均 为线 性 变化 , 且 约 占整个 疲 劳过 程 的 9 O , 则 : 2 4 n h E 0 91 0 p 卜 一 e p 。 Bp
15、( 1 0 ) 式 中 : 为每 小 时 的加 载 次 数 ; e &为 水 泥 混 凝 土 疲 劳损 伤过 程 中第 二 发展 阶段 结 束 时对 应 的残 余 应 变 由式 ( 9 ) , ( 1 0 ) 可 得 : e :一 2 4 n h e & - 0 9 1 0 s 。 p 卜 ( 1 1 ) 将 式 ( 8 ) , ( 1 1 ) 代人 式 ( 7 ) , 就可 以得 到基 于疲 劳 荷 载影 响 的硫酸 根离 子有 效扩 散系 数 : D 一 D + 2 4 0 7 8 5 n h e B ( D 一 D ) 1 ( 2 4 n h e S + 2 0 9 1 0 s 。 )
16、( 1 2 ) 1 2 疲 劳 荷 载 下 水 泥 混 凝 土硫 酸 盐 腐 蚀 寿 命 的 判定 钙 矾石 ( C 。 A 3 C a S O 2 H O) 形 成 导 致水 泥混 凝土体积膨胀是裂缝产生的主要原因, 而裂缝有利 于硫酸盐溶液的渗透 , 从而加速 了水泥混凝 土性 能 的劣化 钙 矾石 由硫 酸 盐 与 铝 酸 三 钙 ( C 。 A) 经 过 一 次和二 次化 学反 应形 成 , 其化学 反 应方程 式 为 : C4 AH1 3 + 3 CS H2 + 1 4 H C 6 AS 。 H3 2 + CH ( 1 3 ) C 4 AS H1 2 +2 CSH2 + 1 6 H
17、C 6 AS 3 H3 2 ( 1 4 ) C3 A+ 3 CSH2 + 2 6H C6 AS。 H。 2 ( 1 5 ) 将化 学反应 方程 ( 1 3 ) ( 1 5 ) 采 用式 ( 1 6 ) 的统 一 形式 , 可方便数值求解 7 : C A+ 7 S+ H C 6 AS 3 H。 2 ( 1 6 ) 式 中 : C A 代表 C AH C A S H C 。 A 中的任何 1 种 ; S代表 c S H ; ) , 为 C S H。的反应系数 ; 为水 的 反应 系数 本文基于修正后 的模 型, 将模 型 中心节 点 C A 被完 全 消耗 的反应 时 间作 为 疲劳 荷 载作用
18、下 的水 泥 混凝土硫酸盐腐蚀寿命 t ( d ) , t 越大 , 说明水 泥混凝 土在疲劳荷载作用下的耐硫酸盐腐蚀能力越强 1 3 模 型主 要参 数及 变量 参数 的确 定 在疲劳荷载与硫酸盐腐蚀工况下, 影响水泥混 凝土硫酸盐腐蚀寿命的主要 因素有 : 疲 劳荷 载应力 水平( A) 、 S O ; 一浓度 ( c ( S ( ) i) ) 、 水灰 比( m m ) _ 8 计算 模 型 的 主 要 参 数 及 变 量 参 数 取 值 范 围 见 表 1 2 表 1 计算模型的主要参数 T a b l e 1 M a i n p a r a me t e r s i n c a l
19、c u l a t i o n mo d e l I t e m Va l u e I t e m Va l u e T h i c k n e s s mm 4 0 d 1 0 7 D ( m S 一 ) 1 7 3 1 0 。 卢0 0 9 8 h ; t i a 1 c o n t e n t 0 f u 0 0 8 C 3A ( m。 l o m s ) 1 6 4 9 I n j t j a 】 c o n t e n t 0f C A wi t ho u t g y p s u m ( m。 l o re- 3 ) 6 6 1 h y d r a t i o n ( mo l o
20、m一 。 ) 4 4 9 1 2 0 1 0一 (mo 卜m一 一 ) 0 5X 1 0 -+ S I o a d n 1 】 mbe r ( t i me s d 一 ) 3 O O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 关博文 , 等 : 疲劳荷 载作 用下混凝土硫酸盐腐蚀 寿命 预测 3 9 7 表 2 变量参数的取值范围 Ta b l e 2 Va l u e r a n g e s o f p a r a me t e r s i n t h e mo d e l 2 计算结果及分析 2 1应 力水 平 的影 响 固定 S 浓度 为 3 0 mo
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