混凝土多因素损伤的复合效应研究.pdf

江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 收稿日期 10 10 18 作者简介张小冬男(1978-)江苏博特新材 料有限公司工程师 0 概述 重大土 木工程按 照使用寿 命设计是当 前结构 工程设计 的重要发展方向国际上许多重大工程逐步实现了以使用 寿命为主要目标的耐久性设计 我国为了真正体现百年大 计思想 近几年设计建造的长江三峡大坝 润扬大桥 杭州 湾跨海大桥等许多重大工程使用寿命都要求满足100年的 设计要求但是混凝土的耐久性问题十分复杂将混凝土 结构的破坏过程与时间建立起可靠的理论联系并用于寿命 设计的 只有碳化理论和氯离子扩散理论然而 对于内陆 工程环境的氯离子浓度很低氯盐引起的钢筋锈蚀并非主 要耐久性破坏因素不能应用氯离子扩散理论预测使用寿 命 另 一方面 由于设 计采用较高强 度等级的混 凝土 碳化 引起钢筋锈蚀的速度很慢运用碳化理论预测结构的使用 寿命都在几千年甚至几万年以上严重脱离实际其实对 于一般条件下的混凝土结构其功能失效的标志并非钢筋 锈蚀 而是冻融或腐蚀等引起混凝土自身的耐久性破坏 对 这类混凝土 结构工程进 行使用寿命预 测和耐久性 设计 需 要探索新的方法混凝 土使用寿命的预测方法可 归纳为5 种经验法比较法加速试 验法数 学模 型法和 随机方 法 等 其中 根据氯离子扩散理论和碳化理论建立的数学模型 方法已经得到成功应用对于冻融循环或腐蚀条件下混凝 土结构使用寿命的预测问题加速实验方法最有发展前途 是当前国内外学术界面临的重要课题之一在利用加速试 验方法预测混凝土使用寿命的研究领域作者根据不同的 工程环境条件 从不同的角度提出了新的方法 1 混凝土劣化损伤分类与分析 混凝土在外界环境因素作用下的失效过程实质上是一 个材料内部劣化损伤的过程 不管其失效的机理如 何 其损 伤总是分为均匀损伤有损伤梯度的不均匀损伤两大损伤 类型这样就可以从损伤的角度去探讨混凝土的寿命从而 能够为建立一个混凝土寿命评估的理论框架提供基础一 般而言混凝土在多因素作用下其损伤特点为均匀损伤叠 加梯度损伤的复合损伤针对不同的损伤机理常规的耐久 性问题可以归类如下 1. 1 外界化学侵蚀 这类耐久性问题的损伤特点一般为存在由外向内损伤 梯度的不均匀损伤 有以下几种情况 (1)溶解侵蚀主要是将硬化的水泥浆体固体成分逐渐 溶解带走造成溶析性破坏如流水的侵蚀 (2)离子交换 侵蚀性介质与硬化水泥浆体组分发生离 子交换生成易溶解或没有胶结能力的产物如酸性水的作 用 混 凝 土 多 因 素 损 伤 的 复 合 效 应 研 究 张小冬 江苏博特新材料有限公司江苏南京210008 摘 要文章研究了混凝土在冻融循环化学腐蚀等作用下的普遍劣化规律分析了多个劣化作用同时作用下的交互作 用建立了相应的劣化模型提出了劣化程度的定义根据劣化模型建立了多因素复合劣化作用下混凝土使用寿命的预测 方法 关键词混凝土耐久性多因素寿命预测 中图分类号 TU 5 28文献标识码 A文章编号 1005 -6 270201101-0090-04 HAN G X - ( J B N M C . , L ,N J 210008 C ) : I , - , .T .B , , , . A , , - . : ; ; - ; - 90 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期(总第 3 9期) 图 2多元分布失效率函数 (3 )形成 膨胀组分形成 盐类结晶长大时 体积增 加导 致膨胀性破坏 如硫酸盐侵蚀 1. 2 内部化学损伤 其特点 主要为内 部的均匀 损伤如内生型的 碱骨料反 应问题尽管其损伤主要发生在骨料与水泥砂浆间的界面 处但是如果考虑的试件或构件当其尺寸相对于石子最大 粒径较大时从整体上看就可以把它们的损伤特点看成是 内部均匀的 1. 3 物理损伤 (1)简单 单向拉压加 荷作用下的 混凝土徐 变损伤 以及 混凝土的蠕变损伤其损伤特点可认为是均匀损伤 (2)弯曲受荷或复合加载情况下混凝土的徐变问题其 损伤特点可认为损伤截面存在损伤梯度 (3 ) 干湿变化以及冻融循环下的混凝土损伤 以试验过 程中的循环次数为时间尺度可认为 这些损伤为由 外向 内的存在损伤梯度的损伤过程 对于高 强度混凝 土由于其水胶比较小 水泥用量较 高而随着水泥的水化导致孔隙中湿度的降低从而产生 混凝土内部自收缩损伤这种损伤可认为是均匀损伤 尽管研 究混凝土 的失效机 理对于进一 步了解 材料的性 能是必须的深入到微观层次的研究能够带来最本质的东 西 但是宏观性能的研究却能够得到最直接的结果 在对受 荷情况下混凝土的失效分析过程中人们通常采用损伤和 断裂理论进行材料的应力应变分析但是对于牵涉到冻融 循环 硫酸盐腐蚀 碱骨料反应等单因素甚至多因素共同作 用之下混凝土材料的耐久性问题利用传统的损伤应力应 变理论显然是困难的由于该种问题的复杂性以及特殊性 很自然人们会想到利用试验统计模型来得出寿命预测的回 归经验公式但随之带来的问题是回归公式受人为主观因 素影响很大不同的人对相同的问题会得出不同的表达形 式 另外 经验公式分析缺乏对材料物理性能以及损伤机制 的进一步阐述因此 这里采用寿命统计理论 抛开了混凝 土具体的失效机理这一层研究而试图在宏观表象层次上 建立混凝土的一般耐久性损伤演变模型为了建立一个宏 观意义上混凝土一般损伤失效模型框架这就需要建立混 凝土内部单元点失效与时间的函数关系 正是在 以上思路 的指导下 为了构筑一个混 凝土一般 寿命评估理论框架本文在结合了损伤与寿命统计理论的 基础上初步建立了混凝土的一般损伤演变的多元分布寿命 预测模型 2 基于损 伤理论和多 元分布的混凝 土寿命预 测理论和 模 型 2 . 1模型假设及相关说明 为方便 起见先讨论一个边界条件为四边受 到等损伤 梯度影响的正方 形模型(图1) 其 它一些常 遇边界 情况 将在后面提到 假设1混凝土内部是连续且均匀的从宏观方 面研 究因空隙大小比物体尺寸小得很多可不考虑空隙的存 在混凝土材料内部组成物质大小与物体尺寸相比很小且 随机排列因此宏观上可将物体性质视为各组成部分性质 的统计平均量混凝土性质是均匀的 假设 2 现由 于混凝土四周边界条件为 同一侵蚀条 件 假设混凝土内部到边界最短距离相同的所有点均服从同一 种损伤演变规律 假设3为了描述混凝土内 部单元点失效与 时间之间 的关系这里采用多元寿命分布族(图2 ) 混凝土失效损伤 过程表明混凝土的损伤随龄期而逐步积累内部的微缺陷 也逐步增多 材料内部各元件的失效率此时必然 增大 混 凝土内部元件的失效率肯定是递增函数而假设的分布函 数当形状因子大于 1 时 其失效率函数正是递增函数 因此 本节采用能够描述该特征的多元寿命分布族相关公式如 下所示认为针对混凝土这一复杂系统混凝土内部元件 ( 微元件)均服从该分布 假设的多元分布函数为 ( ) 1- - ( - 0) ( 1) 式中 时间 0 阈值 尺度因子 0 形状因子 1. 0另 外下 标 代表括 号中数 值为负时 其括号值取为 0 否则值不变 假设4混凝土内部单元点 受到周边有限个 点单元破 坏状况的影响每 一个点单元的破坏只对其上下左右单 元的破坏概率产生影响 而远处的影响忽略不计 并且每一 个点单元在某一时刻的破坏概率和周边有限个单元的破坏 数目之间的关系表示如式(2 ) ( ) 0( )+ 1 (1-0) (2 ) 图 1四边受 到等损伤 梯度 的简化模型 91 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江苏建筑 11年第1期( 总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期( 总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期( 总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期( 总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期( 总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期( 总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期( 总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期( 总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期( 总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期( 总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期( 总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期( 总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期( 总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期( 总第 3 9期) 江苏建筑 11年第1期( 总第 3 9期) 江苏建筑 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已发生破坏的概率 表示为式( 2)所示根据假设2尺度因 子的表达式为 ( ) ( )(4 ) 如果尺度因 子沿截 面呈如图3所示的非 线性变化 由于网格剖分使离散化其第层的尺度因子 示如式 (5) 0+ ( -0 . 5) -1 (5) 式中 0 待定的均匀尺度参数 0 0 待定的梯度因子 0 自然数序列 取值为 1 2 /2 那么 根据式 (2)只 能得到 时刻点各个单 元的破 坏概 率但是又如何确定一个点单元是否破坏了呢很简单只 要我们在 0 1区间内随机 地均匀选 取一个数只要 该数值 小于 破坏概 率则 认为 该点 单元发 生了 破坏 ( 表示 为式 (6)随即该破坏点单元的位置坐标存储到程序中的 记 忆矩阵中从而退出整体 破坏概率 矩阵的重组并 且对原 程序中各点单元的破坏概率矩阵进行调整以得到下一个 采样时间的破坏概率矩阵 点单元破坏条件 ( ) (0 1)( 6 ) 式中 (0 , 1) 01区间内的均匀随机数 ( ) 时刻 在点( )处点单元发生破坏的概率 从以上讨论中可看到利用概率图的手段来计算损伤寿 命的预测模型是得不到解析解的 因此 对计算截面进行了 离散化处理和等效转化并提出更加方便实用的计算方法 是必需的数值算法的思想是对截面进行每边等分的剖 分 初值取为 4 然后进行有约束的最小二乘优化 拟合实 验结果 得到下次拟合计算的参数初始值令 2 进一 步细分网格重复上 一步骤周而 复始直至相邻 步骤拟合 得到的参数值基本稳定为止计算程序框图如图4所示 3 实际环境中混凝土寿命的估算 通过概述中对各种寿命评估方法的探讨可知快速试 验方法可以为混凝土的性能评估提供很好的基础从合理 性的角度来说 在快速试验的基础上并 结合现场条件测试 由于综合地考虑了现场和材料性质等综合因素有助于较 准确地预测混凝土的使用寿命通过快速实验来估算混凝 土的使用寿命经常采用线性模型来进行预测其假设快速 实验与长期 实验的混凝 土其劣化速 度按一定 比例进行 尽 管两种速率之间的 关系一般而言为非线 性,但是一般仍然 采用线性关系所示 这里结合了统计与损伤理论提出了更加一般的非线 性模型根据假设5 对于某一类型混凝土只要其现场与室 内主要劣化机理基本一致那么损伤模型在现场应用中的 形状因子 可以用室内的快速试验结果来代替 另外 待定 比例系数 0 决 定于混凝土的具体配 比以及其劣化机理 这 样对于 某一配 比混凝 土其室 内的 0 同样可 应用于 现场环 境剩下的工作就是只要确定了现场的均匀尺度参数因子 0以及梯度因子 就可对实际工程中的混凝土进行劣化的 全过程曲线模拟再配合以其相应的破坏准则从而估算出 图 3尺度因子 随截面的变化 92 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江苏建筑 1 1年第1期总第 39期 江苏建筑 1 1年第1期总第 39期 江苏建筑 1 1年第1期总第 39期 江苏建筑 1 1年第1期总第 39期 江苏建筑 1 1年第1期总第 39期 江苏建筑 1 1年第1期总第 39期 江苏建筑 1 1年第1期总第 39期 江苏建筑 1 1年第1期总第 39期 江苏建筑 1 1年第1期总第 39期 江苏建筑 1 1年第1期总第 39期 江苏建筑 1 1年第1期总第 39期 江苏建筑 1 1年第1期总第 39期 江苏建筑 1 1年第1期总第 39期 江苏建筑 1 1年第1期总第 39期 江苏建筑 1 1年第1期总第 39期 江苏建筑 1 1年第1期总第 39期 江苏建筑 1 1年第1期总第 39期 江苏建筑 1 1年第1期总第 39期 江苏建筑 1 1年第1期总第 39期 江苏建筑 1 1年第1期总第 39期 江苏建筑 1 1年第1期总第 39期 江苏建筑 1 1年第1期总第 39期 江苏建筑 1 1年第1期总第 39期 江苏建筑 1 1年第1期总第 39期 江苏建筑 1 1年第1期总第 39期 江苏建筑 1 1年第1期总第 39期 江苏建筑 1 1年第1期总第 39期 江苏建筑 1 1年第1期总第 39期 江苏建筑 1 1年第1期总第 39期 江苏建筑 1 1年第1期总第 39期 江苏建筑 1 1年第1期总第 39期 江苏建筑 1 1年第1期总第 39期 江苏建筑 1 1年第1期总第 39期 江苏建筑 1 1年第1期总第 39期 江苏建筑 1 1年第1期总第 39期 江苏建筑 1 1年第1期总第 39期 江苏建筑 1 1年第1期总第 39期 江苏建筑 1 1年第1期总第 39期 江苏建筑 1 1年第1期总第 39期 江苏建筑 1 1年第1期总第 39期 江苏建筑 1 1年第1期总第 39期 其使用寿命实施步骤如下所示 步骤一确定室内快速实验方法其要求室内与室外混 凝土主要劣化机理基本一致 步骤二测定现场与室内早期损伤速率之间的比例关 系要求现场数据应具有代表性且所取的点距离要拉开 一般至少两个点比例值 步骤三确定模型中各待定参数 通过室内快速实验计 算出现场的及 0 再通过室内外比例关系计算出现场的 均匀尺度参数因子 0 以及梯度因子 这样就可得出现场 损伤过程全曲线图 步骤四确定破坏准则本项目推荐采用拟合曲率极值 计算的方法计算得到的最大曲率点对应于技 术使用寿命 尽管偏向于保守 但是对于工程而言该寿命是保障构筑物 正常技术使用的年限超过此年限后由于混凝土的服役性 能急剧退化而使建筑物处于非常危险的状态因此陡劣点 对应的年限具有比较重要的意义 根据相关资料以北京十三陵抽水蓄能电站这一现场环 境为例代表性的针对C 70来介绍该模型在实际工程中的具 体应用 根据室内外主要劣化机理基本一致的要求采用室内 一般快 冻实验来确 定 C 70 的形状 因子 和 比例系数 0分 别为4 . 90和0 . 4 8 接下来测定现场与室内早 期损伤速率 之间 的比例 关系资料 得出 初期损 伤时 比例 系数大 约为 1 1 . 3 线性模型只要求一 个室内外比例值即可 模拟出全过 程但是非线性模型要求至少两个实测点 因 此从理论上 来讲非线性模型的预测精度要高于线性模型尽管本节第 二个点没有测试但为了说明模型的应用现就取对应于 0 . 1 损 伤 值 时 第 二 个 室 内 外 损 伤 比 例 值 分 别 为 1 0 . 8% 1 1 . 3%1 1 . 8%从而根据这两点值计算出现场的均匀尺度参 数因子 0以及梯度因子 得出现场损伤过程的全曲线图 (图5所示曲线上的数值为第二点比例值) 通 过计 算发 现 0室 外比 室内 降低 的比 例比多许 多例如对于第二点室内外比例取1 1 . 3%的情况室外的梯 度因子 为 0 . 0 2 8是室内的 1 1 .2 % 均匀尺度 参数因子 0 为 0 . 2 93是室内的 6% 这说明了现场环境下同步损伤推进 的速度比室内快速实验要慢许多实际情况也确实如此最 后本节分别取60 %相对动弹对应的点和陡然劣化点作为破 坏标志估算出该配比混凝土的现场使用寿命 按目前运行 状况 十三陵抽水蓄能电站一年平均冻融循环为 1 0 0 次左 右,根据60 %相对动弹点线性模型计算破坏时达到4 2 54 次循环因此,该配比混 凝土的使 用寿命为4 2 .5年本模型 当第二点室内外比例 1 0 . 8% 1 1 . 3% 1 1 .8 % 时使用寿命分别 为40年4 4年4 9年从中也可看出 非线性损伤模型其结 果的适应性要比线性模型强的多当按照这里推荐的陡然 劣化点 确定的破 坏准则来计 算时相对动 弹为0 .48线性 模型得到的使用 寿命为 43. 8年本模型当 第二点室内外比 例1 0 . 8% 1 1 . 3% 1 1 .8 %时使用 寿命分别 为42年48年54 年 由于现场环境异常复杂 室内试验不可能对各种破坏 因素都考虑到另外施工工艺原材 料的波动现场数据的 采集年平均冻融数的变化由于室内外损伤速度的不同从 而带来的损伤机理变化等因素或多或少会对预测结果产生 间接或直接的影响 4 结论 混凝土的耐久性是指混凝土抵抗各种损伤因子长期作 用的能力混凝土在内外界环境因素作用下的一般失效过 程实质上是一个材料内部劣化损伤的过程不管其失效的 机理如何其损伤总是分为均匀损伤 有损伤梯度的不均匀 损伤两大损伤类型 本文从损伤的角度去探讨混凝土的寿 命 从而为能够建立一个混凝土寿命评估的理论框架提供 基础一般而言混凝土在多因素作用下其损伤特点为均匀 损伤叠加梯度损伤的复合损伤结合损伤与寿命统计理论 的基础上初步建立了混凝土的一般损伤演变的多元统计寿 命预测模型提出使用寿命预测的步骤方法 参考文献 1 邓正 刚李金玉 安 全性 抗冻 混凝土 技术 条件的 研究 R .中国水利水电科学研究院结构材料所1 999. 2 曹建 国李金 玉林莉 等高强 混凝土抗冻性的研 究 J . 建筑材料学报1 9992 (4)2 92 - 2 97. 3 P. K . M 等混凝土系统 的性能与耐 久性 C .第九届 国际水泥化 学会议综合报告译文 集 南京化工大学 1 993: 2 4 0 - 34 5. 4 AC I C 2 0 1 ,P : J .AC I J , 1 991 , 8 8(5) 544 - 634. 5 邓德华水泥基复合材 料受冻融破 坏其性能 衰减耐久 函数的探讨 J . 武汉工业大学学报1 98 6(3)2 73 2 8 0 . 6 H S .冯乃谦 译.高性能混凝土的 耐久性 M .科学 出版社1 998. 7 M G , C M , D J ,AC I M J ,1 993,90 (6) :594 60 4 . 图 5C 70 混凝土线性和非线性模型的损伤全曲线 93 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m