受侵蚀混凝土本构关系.pdf
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、 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
6、 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 d
7、e 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
8、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 h
9、ni 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
10、 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
11、 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
12、 .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
13、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 ,
14、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,
15、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 , )
16、 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
17、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
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