海工混凝土环境损伤力学研究进展.pdf

Engineering,2023,45(3):499-512ChenJiankang,YangMin.Advances of environmentdamagemechanicsinmarineengineeringconcrete,Mechanicsin力2023年6月实第45卷第3 期学践海工混凝土环境损伤力学研究进展1)陈建康*,2)杨敏,3)（宁波大学压力容器与管道安全浙江省工程研究中心，浙江宁波31 52 1 1)（振华工程有限公司，中国香港9 9 9 0 7 7）陈建康，博士，二级教授，博士生导师，主讲理论力学、结构力学等课程，曾获全国工科院校弹性力学讲课比赛一等奖（1 9 9 6 年）。主讲的理论力学于2 0 0 9 年获国家双语示范课程。主要研究海洋环境下混凝土结构的力学/化学耦合作用下的耐久性预测理论。先后主持国家自然科学基金重点项目1 项，面上面目6 项。发表论文1 0 0 余篇，出版学术著作1 部，主编出版会议文集2 部。部分研究成果应用于准河入海水道工程和东海的某防浪堤工程。曾获2 0 1 5年度教育部自然科学一等奖（第二完成人）。摘要海工混凝土结构的安全性与耐久性是值得力学学科关注的重要问题。钢筋混凝土是由素混凝土基体和加强钢筋组成的复合材料。在海水中的氯离子腐蚀下钢筋会发生锈蚀，而在海洋环境的各种化学因素和物理因素作用下会导致素混凝土基体中的微裂纹成核与长大。腐蚀损伤会导致氯离子扩散系数增加，钢筋锈蚀加速，最终导致混凝土结构的安全性与耐久性降低。海工混凝土的损伤由化学因素和物理因素所诱发，化学因素包括碳化和侵蚀性离子（氯离子、硫酸根离子和镁离子）的攻击，而物理因素包括温度、湿度、波浪冲蚀和紫外辐射等。本文介绍了海工混凝土环境损伤力学的研究进展，首先讨论了环境损伤的诱发机理，然后介绍了环境损伤力学的理论模型，包括钢筋坑蚀的概率模型、硫酸盐腐蚀下混凝土损伤演化的模型和断裂韧性演化模型、波浪冲蚀模型等。腐蚀损伤对氯离子扩散的耦合作用也进行了评述，强调了如果不考虑腐蚀损伤的影响，关于氯离子在混凝土中扩散的分析结果有可能是错误的。最后，提出了几个未来需要解决的重要问题。关键词海工混凝土，化学腐蚀，物理劣化，环境损伤力学，耐久性中图分类号：0 39文献标识码：Adoi:10.6052/1000-0879-22-671ADVANCESOFENVIRONMENTDAMAGEMECHANICSINMARINEENGINEERINGCONCRETEl)CHEN Jiankang*,2)YANGMint,3)*(Zhejiang Provincial Engineering Research Center for the Safety of Pressure Vessel and Pipeline,Ningbo University,Ningbo315211,Zhejiang,China)t(Zhenhua Engineering Co.,Ltd,Hongkong 999077,China)2022-12-05收到第1 稿，2 0 2 3-0 1-0 6 收到修改稿。1）国家自然科学基金（1 1 8 32 0 1 3）资助项目。2)陈建康，教授，主要从事混凝土腐蚀损伤力学与结构损伤探测及修复技术研究。E-mail：c h e n j i a n k a n g n b u.e d u.c n3）杨敏，资深工程师，主要从事大型海洋结构工程建设及安全性与耐久性研究。E-mail：y a n g mi n _ 1 9 57 1 6 3.c o m引用格式：陈建康，杨敏.海工混凝土环境损伤力学研究进展力学与实践，2 0 2 3，45(3)：49 9-51 2力500实践2023年第45卷学Abstractt Safty and durability of marine engineering concrete structures are important concerns formechanics researchers.Reinforced concrete is a composite of concrete matrix and reinforced steel bars.Steelbars could be corrosed due to attack by chloride ions in seawater.Also,microcracks nucleation and growth mayoccur in concrete matrix under the action of various chemical and physical factors.Such a corrosion damageleads to the increase of diffution coefficient of chloride ions in concrete and the accelerated corrosion of steelbars,and this eventually reduces the safety and durability of concrete.The damage of marine engineeringconcrete is induced by chemical factors and physical factors.Chemical factors include carbonization and attackof corrosive ions(such as chloride ions,sulfate ions,and magnesian ions),whereas physical factors includetemperature,humidity,wave erosion,and ultraviolet radiation.In this paper,some advances on the research ofdamage mechanics in marine engineering concrete are inrtoduced.The mechanism of damage in concrete due toenvironment factors is firstly discussed,and then some theoretical models of damage mechanics arerecommended,including the probability model of pit corrosion damage in steel bar,the evolution model offracture toughness and cracks of concrete matrix under sulfate attack,wave erosion model of concretestructures,etc.Subsequently,the effect of corrosion damage on the diffusion of chloride ions is illustrated,and itis emphasized that the analysis on the diffusion of chloride ions may be uncorrect if the corrosion damage is nottaken into account.Finally,some important problems needing to be solved in the future are presented.Keywords marine engineering concrete,chemical corrosion,physical deterioration,environment damagemechanics,durability海洋环境下的钢筋混凝土结构，往往在设计的服役期内就产生了钢筋锈蚀、混凝土开裂、表面剥落等服役寿命结束的现象。这不仅说明海洋环境下混凝土结构寿命预测理论不够成熟，还反映了人们对海洋环境下混凝土结构的破坏机理和破坏过程缺乏深层次的认识。事实上，海洋工程混凝土结构耐久性面临两个方面的挑战，即化学腐蚀和物理劣化。物理劣化指波浪冲蚀、干湿交替、冻融循环、紫外辐射等长期作用导致的混凝土材料性能劣化，而化学腐蚀包括海水中侵蚀性离子和盐雾对混凝土的侵蚀、二氧化碳导致的混凝土碳化以及混凝土自身的碱集料反应。所以，海洋的严苛环境，挑战着混凝土结构的耐久性，由多物理场和多化学过程的作用导致的环境损伤是其关键因素。关于混凝土材料在载荷作用下的损伤问题，已经有了较为丰富的工作积累。在探伤技术方面，有电学量测试理论、声学量测试技术2-3，等等。在损伤理论研究方面，有各向同性损伤模型、塑性损伤模型5、胶凝基体-骨料界面过渡区损伤模型(6 、用于LS-DYNA（LST C-D y n a mi c）计算程序的混凝土损伤模型7，以及包括损伤演化规律的混凝土材料本构模型，如HJC（H o l mq u i s t-Johnson-Cook）模型8 和在此基础上改进的GR（G e b b e k e n-Ru p p e r t）模型9 、RHT（Ri e d e l-Hiermaier-Thoma）模型1 0 ，等等。但是，这些损伤问题都是机械载荷作用下的损伤，与海洋环境下的腐蚀劣化损伤并不直接相关。工程界很早就注意到海洋环境下腐蚀损伤导致混凝土结构劣化问题。在众多复杂化学-物理一力学的因素中，删繁就简，抓住了核心问题：钢筋锈蚀1-1 。钢筋锈蚀是由于氯离子（CI）腐蚀所导致的，而混凝土结构中的加强钢筋是结构的骨架，若骨架锈蚀，结构也就失效。所以，工程界常常以钢筋开始锈蚀作为结构服役寿命设计的依据，也就是以氯离子开始在混凝土中扩散，直到氯离子扩散到钢筋表面并积累到某一临界浓度的周期作为结构的服役寿命。很显然，结构服役寿命的设计是建立在氯离子扩散的理论基础之上的。但是，工程实践却表明，这一依据使得结构设计偏于危险。这不仅仅是由于混凝土具有容易萌生裂纹的特点，更是由于海洋环境腐蚀劣化因素的多样性和交互作用的复杂性。这使得研究者不得不对海洋环境下影响氯离子扩散的诸多因素进行梳理和研究，重点关注损伤是如何影响氯离501第3 期陈建康等：海工混凝土环境损力学研究进展子扩散的。为此，本文将从三个方面介绍混凝土海洋环境损伤力学的研究进展，包括混凝土结构在海洋环境下的腐蚀损伤机理；腐蚀损伤演化规律及相关的理论模型；腐蚀损伤对氯离子在混凝土中扩散的耦合作用。最后提出了几个值得重视的问题。1混凝土结构海洋环境腐蚀损伤机理海洋环境下混凝土结构的劣化通常以微裂纹的成核与演化的形式呈现，其后果主要表现为材料的强度衰减1 3。通常认为，海洋环境下混凝土结构的损伤劣化是由化学腐蚀导致，这是很不全面的看法。除了化学因素之外，还有物理、力学等因素，如图1 所示。钢筋混凝土材料可以看成是由素混凝土基体（包括水泥砂浆和粗骨料）与加强钢筋结合为一体的复合材料。海洋环境腐蚀所产生的微裂纹或微缺陷在混凝土基体内的扩展，形成了材料微细观结构的改变，构成了侵蚀性离子扩散系数的增加，加快了氯离子扩散的速度，使得加强钢筋提前锈蚀，最终导致结构的耐久性降低。下面分别从化学和物理两个方面介绍损伤萌生的机理。C1microcracksMg2+CO2ultravioletdry-wetlightscyclesfreeze-thawcycleswave图1化学腐蚀与物理劣化导致混凝土结构耐久性降低的机理Fig.1 Mechanism of durability reduction of concretestructure caused by chemical corrosion and physicaldeterioration1.1化学腐蚀诱发微裂纹机理1.1.1氯离子（CI）侵蚀海水中的侵蚀性离子以氯离子浓度为最高，约为1 9 0 0 0 2 0 0 0 0 mg/L14。氯离子腐蚀钢筋导致钢筋锈蚀，钢筋的锈胀力导致混凝土开裂。这个损伤机制已经为人们所熟知。最近的研究发现：氯离子在传输过程中会产生Friedel盐，Friedel盐的生长所产生的膨胀力会导致混凝土微裂纹成核1 5-1 7。这样的微裂纹发展，事实上会导致在目前的研究中通常不考虑氯盐对胶凝材料水泥砂浆的腐蚀作用，仅考虑其对钢筋的腐蚀作用是不够全面的。1.1.2硫酸根离子（SO）腐蚀海水中的硫酸根离子浓度约为2 8 0 0 30 0 0mg/L。它虽然对钢筋的锈蚀作用远低于氯离子的作用，但是它在混凝土孔隙中扩散时，会与孔隙溶液或固相物质发生化学反应产生硫铝酸钙（图2），也称延时钙矾石1 8-1 9 。1 8 9 2 年Michaelis发现了延时钙矾石对混凝土的劣化作用并称其为“水泥杆菌”2 0 。延时钙矾石在混凝土孔隙内生长受到孔隙壁的约束作用而产生膨胀力，这种膨胀力导致了孔隙壁的裂纹萌生2 1 。这种微裂纹的演化在统计意义上意味着混凝土的孔隙度增加，从而导致了氯离子扩散系数的增加，加速了氯离子在混凝土中的传输。Acc.VSpotMagnDetWDExp10um25.0kV3.06400 xSE7.03图2 硫酸盐腐蚀下混凝土中的延时钙矾石1 8 Fig.2Delayed ettringite in concrete under sulfate corrosion lis1.1.3镁离子（Mg?*）腐蚀镁离子是海水中的第三种侵蚀性离子，其浓度约为1 8 0 0 2 0 0 0 mg/L。较之于混凝土C-S-H凝胶中的钙，镁离子的电附性更强（镁离子的电附性指标Xp=1.31，而钙的电附性指标Xp=1.0）。因此，镁离子对混凝土的腐蚀机理是：镁离子与C-S-H中的钙发生置换反应生成胶凝能力较差的M-S-H，容易断裂破坏2 2-2 3。此外，镁离子进入混凝土后，也容易与孔隙溶液中的氢氧化钙发生力502实践学2023年第45卷反应生成难溶于水的氢氧化镁，减少孔隙溶液的氢氧根含量从而降低孔隙溶液的pH值，使得混凝土中加强钢筋的钝化膜稳定性变差，更容易被氯离子所腐蚀。相比较而言，侵蚀性离子中，氯离子主要是腐蚀混凝土中的加强钢筋。对素混凝土的劣化，硫酸根离子的腐蚀作用是主要的、直接的，镁离子的腐蚀作用是间接的、非主导的。1.1.4混凝土的碳化从化学角度看碳化，它会导致混凝土碱性下降使得钢筋钝化膜处于不稳定状态，易使钢筋锈蚀2 42 5。从力学角度看碳化，它会导致混凝土收缩变形。原因是，二氧化碳（CO2）气体进入混凝土孔隙后与孔隙溶液中的水反应生成碳酸，碳酸进一步与氢氧化钙反应生成碳酸钙2 6-2 8 。随着该反应的进行，生成的碳酸钙将填充毛细孔而使毛细孔细化，对二氧化碳气体的进一步扩散及碳酸化过程的继续进行起到一定的阻碍作用，但同时该反应将氢氧化钙中以氢氧根离子形式存在的结构水转变为自由水，并存在于被细化的毛细孔中，即碳化形成的水与凝胶之间存在较强的结合能力2 9-30，当这部分水从毛细孔蒸发时，导致凝胶颗粒的表面张力增加而使水泥石处于压缩状态，从而产生碳化收缩31-32 。水泥基的收缩受到骨料的阻碍，骨料就会抵御水泥基材料的收缩而形成膨胀力，这种膨胀力就会在界面的水泥基一侧的切向产生拉应力分量导致微裂纹成核。1.2物理劣化损伤机理1.2.1干湿交替混凝土有明显的干燥收缩现象，主要发生在胶凝材料中。同样地，骨料变形对湿度不敏感，不易产生与胶凝材料同步的收缩变形，因而就会阻碍水泥砂浆收缩而产生膨胀力，这种膨胀力会导致微裂纹萌生。另外，在干燥情况下会导致孔隙溶液中的盐分结晶2 0 ，结晶压也会使得微裂纹成核与长大。在干湿交替情况下，盐结晶-盐溶解交替进行，结晶压反复作用，疲劳裂纹扩展很快。调查证实：浪溅区是海洋环境下混凝土结构劣化损伤最严重的区域3-34。因为该区域是干湿交替、有害离子侵蚀、碳化重叠的区域。1.2.2冻融循环在高纬度地区，由于低温环境导致混凝土孔隙溶液结冰而体积膨胀产生内膨胀力35-36 。在内膨胀力的作用下孔隙壁产生拉应力而导致微裂纹产生。冻融循环使得内膨胀力发生周期性变化，加速了微裂纹群的演化。我国的渤海湾工程结构和加拿大的蒙特利尔港口，都发生了较为严重的混凝土冻伤，其表现为服役2 0 年以上的工程结构，其氯离子表观扩散系数明显高于其他地区37 。1.2.3波浪冲蚀波浪冲蚀会形成三方面的损伤。第一，波浪带着巨大的能量冲击混凝土结构造成损伤；第二，波浪卷起大量的空气形成大量的气泡，这些含大量气泡的波浪冲击结构物表面，气泡溃灭会在结构的表面形成气蚀38 ，其与漩涡将空气带入水泵，气泡溃灭会气蚀水泵叶片的道理类似。第三，波浪也会卷起泥沙，泥沙颗粒随波浪冲刷在结构物表面形成犁沟39-40 ，也就是表面裂纹群。波浪冲蚀、海水腐蚀、干湿交替，碳化的联合作用，会使得结构物表面砂浆很快消减，骨料裸露。图3是作者进行海工混凝土结构服役状况调研时拍摄的东海某防浪堤在经历海洋环境5年后，其浪溅区四角立方块表面剥蚀骨料裸露的情况。图3东海某防浪堤表面剥蚀Fig.3Surface erosion of a breakwater in the East China Sea总体上看，海洋环境下混凝土结构的劣化损伤体现了多物理场和多化学过程作用的特点，研究其损伤演化规律具有很强的挑战性。尽管如此，503陈建康等：海工混凝土环境损伤力学研究进展第3 期由于问题的重要性，研究人员还是开展了相关的研究，取得了显著的进展。2腐蚀损伤演化规律研究进展前已述及，钢筋混凝土是由素混凝土基体和加强钢筋组成的复合材料。因此，钢筋混凝土的损伤也由两部分构成，其一是钢筋的锈蚀损伤，其二是素混凝土基体的腐蚀损伤。下面分别介绍这两方面腐蚀损伤演化规律的研究进展。2.1钢筋锈蚀损伤规律研究钢筋的锈蚀程度通常采用质量降低率来表征，即9-90n=100%(1)90式中n为锈蚀率，是无量纲量；go和g分别为锈蚀前后的钢筋质量。很显然，式（1）所给的锈蚀率刻画的是平均意义下的损伤。金伟良等 通过对40 个钢筋样品腐蚀实验结果进行分析，发现在30 0 d的加速腐蚀实验过程中，锈蚀率演化大致呈现三个阶段：锈蚀速率下降阶段、锈蚀速率平稳阶段、锈蚀速率突然加速再平稳阶段。最后阶段的再加速是由于钢筋混凝土保护层开裂，加速了氯离子扩散的原因造成的。需要指出的是，锈蚀率可以在定性的意义下表征钢筋锈蚀损伤。实际上，钢筋的锈蚀往往呈现出非常明显的局部化特征：坑蚀。也就是说，在氯盐腐蚀环境下，加强钢筋的表面出现了形状各异的腐蚀坑。这是因为钢筋表面在微观尺度下存在缺陷，这些缺陷更容易吸附氯离子形成点蚀。点蚀的范围逐步扩大便形成了钢筋表面的坑蚀。金伟良等1 1 通过观察，发现蚀坑的形状分为四类，即：深椭球形、圆球形、长椭球形和凹槽形。通过测量与统计分析，他们发现，长椭球形和圆球形蚀坑分布概率与平均锈蚀率之间近似服从Gauss分布P=aexp(2)式中，b，c 为待定的无量纲参量。对于长椭球形蚀坑，a=0.553，b=4.434，c=4.7 58;对于圆球形蚀坑，=0.396，b=1.6 6 2，c=4.491。而对于深椭球形和凹槽形蚀坑，分布概率近似服从指数规律，即P=aexp(bn)(3)对于深椭球形蚀坑，=0.439，b=-0.51 8（负值说明指数衰减）；对于凹槽形蚀坑，0.014，6=0.50 9（正值说明指数增加）。由于问题的重要性，关于钢筋锈蚀损伤规律与钢筋剩余强度演化之间的关联关系研究依然是海洋环境下钢筋混凝土结构耐久性领域的研究热点。2.2混凝土材料强度衰变规律研究腐蚀损伤在混凝土中的演化导致了材料的强度与刚度的衰变，因此，观察和研究素混凝土材料与结构的强度变化是腐蚀损伤研究的第一步。这项工作可以追溯到1 9 世纪40 年代1 0 ，在随后的一个半世纪里，人们开展了大量的海洋腐蚀环境下素混凝土强度的演化规律研究。比如，Park等41 通过实验研究了普通和高强混凝土在硫酸盐环境下的强度退化问题；Kumar等42 研究了不同硫酸盐侵蚀下混凝土的强度损失情况，A-Dulaijan等43 测定了不同类型水泥浆体在不同浓度的硫酸盐侵蚀条件下的抗压强度，并以此来评价这些类型水泥浆体的抗硫酸盐侵蚀的能力。以上述及的研究工作对于探索海水对混凝土材料的侵蚀机理有着重要的意义。我们也注意到，强度的衰变是由于腐蚀损伤所诱发，但是缺乏定量的关联关系研究。为此，Zhang等4 将细观力学分析方法引入混凝土在硫酸根离子腐蚀下的损伤分析，得到了腐蚀损伤模型和混凝土抗折强度衰变模型。Chen等1 45 则进一步考虑了硫酸盐腐蚀的化学反应速率对内膨胀力的影响，揭示了混凝土抗折强度的衰减-强化-再衰减现象，强调指出抗折强度对初始腐蚀裂纹的敏感性。在此基础上，Yao等46 研究了腐蚀损伤对混凝土断裂韧性的影响。采用4种浓度的硫酸钠腐蚀溶液对水泥砂浆试样进行了8 40 d的腐蚀实验，期间开展系列断裂韧性实验研究（图4），断裂韧性定义为47)3SPmax1KIc=mgVTacFp()(4)2BD22式中，Pmax是样品断裂时的载荷值，S是试件跨度，B为试件宽度，D为试件高度，mg为试件自重，c为临界有效裂纹长度，是相对裂纹长度，力504实2023年第45卷践学(z/ru.edW)/PlyB0.63%5%0.48%lines:presentmodel0.2O-0.2-0.402004006008001000800:0-200900090080002001000-100:0200:08000900090002000800:0t/d111（a）裂纹扩展应变场的数字图像分析(b）腐蚀过程中断裂韧性演化曲线(a)Digital image analysis of strain(b)Evolution curve of fracturefield of crack growthtoughness during corrosion图4硫酸盐腐蚀后水泥砂浆断裂韧性实验研究46 Fig.4Experimental study on fracture toughness of cement mortar after sulfate corrosion kal是试件跨深比，F是与相关的的函数，是无量纲量。式（4）所定义的混凝土断裂韧性没有考虑腐蚀损伤的影响。如果考虑腐蚀损伤以及延时钙矾石的填充效应，可以得到修正后的断裂韧性。由于填充和腐蚀损伤是与时间相关的，因而修正的断裂韧性是时间的函数，即Kic=p 1-exp(t/tp)-n 1-exp(-n 1-exp(-t/tp)(5)其中参数p，n，t，n，m由实验结果确定，反应速率用特征时间书表示。反应速率越高，特征时间越长。2.3腐蚀裂纹成核一长大一裂纹群演化研究2.3.1腐蚀损伤成核判据前已述及，海洋环境下硫酸盐腐蚀、氯盐扩散过程中的Friedel盐生成、混凝土干缩与冻胀、碳化等因素都会诱发混凝土内部的内膨胀力。Song等48 采用细观力学的方法，将内膨胀力作用的局部作用区域简化为椭球形区域，根据Eshelby理论，计算了椭球表面的应力分布及最大拉伸应力发生的位置，根据混凝土的拉伸诱发损伤的机理，建立了内膨胀应力导致微裂纹的成核判据为Pcr=do(6)式中，Per为微裂纹成核时刻的临界内膨胀应力，o为混凝土的拉伸强度，为与基体模量、Poisson比、孔隙形状相关的无量纲参量。这个工作的意义在于：首次从力学的角度阐明，海洋环境下的许多腐蚀劣化机制实际上是拉伸损伤。根据这一观点，只要能够有效提高混凝土的拉伸强度和拉伸韧性，就可以增强混凝土材料的抗腐蚀能力。2.3.2腐蚀裂纹扩展的力学一化学相关律Qiao等4 采用8%的硫酸钠溶液开展了水泥砂浆试样的加速腐蚀实验研究。对腐蚀裂纹进行了一年的追踪拍摄，并根据化学反应速率方程得到了延时钙矾石的增长量。从而发现了裂纹扩展与延时钙矾石增长之间近似服从线性关系（图5），并建立了裂纹扩展的力学-化学相关律方程L=Ao+AiW(7)706050403020106.76 6.78 6.80 6.82 6.846.86 6.886.90ettrigite/molX10-4图5腐蚀裂纹扩展-延迟钙矾石积累关系曲线49 Fig.5Relationship between corrosion crack growth anddelayed ettringite accumulation la505陈建康等：海工混凝土环境损价力学研究进展第3 期式中，L为裂纹长度，W为钙矾石生长量，Ao和A1为与腐蚀溶液浓度及材料性质相关的待定参数。2.3.3混凝土腐蚀损伤的模型受到较多关注的还是钢筋锈蚀问题，比如，Poupard等50 对暴露在海洋环境中40 年的钢筋混凝土梁进行了氯化物腐蚀损伤的详细调查。发现腐蚀产物层的组成和厚度随损伤程度而变化。对于“低腐蚀”区域（厚度为几微米），腐蚀产物层仅由磁铁矿（主要成分为FeO4)组成。对于“高腐蚀”区域，腐蚀产物层（约50 0 m厚）主要由针铁矿和镁铁矿组成。某些凹坑中的腐蚀产物/金属基底界面处存在赤铁矿。为了便于判断钢筋的健康状况，Park等51 和Liang等52 探索用开路电位、线性极化电阻测量和电化学阻抗谱来评估嵌入混凝土中钢筋的腐蚀行为，证实了电流传感器系统是检测钢筋混凝土腐蚀的良好方法。随着胶凝材料损伤加速钢筋锈蚀的现象发现，2 0 世纪9 0 年代，Sun等53 的研究团队率先从研究材料模量衰变的角度出发，研究了钢纤维增强混凝土的损伤问题。通过测定经受冻融循环的试样的动态弹性模量损失和弯曲强度损失，讨论了损伤演化规律。研究结果表明：在载荷和冻融循环同时作用下，损伤过程加快，损伤程度增加。混凝土等级越低，损伤越大。应力比越高，混凝土损伤越严重。2 1 世纪初，蒋敏强等54 以淮河入海水道滨海枢纽工程为背景，采用超声波技术研究了在硫酸盐腐蚀下混凝土动态弹性模量演化，发现了模量先增长后衰减的规律。Chen等55 的平行实验再次验证了这一规律并分析指出，这种模量的增强-衰减效应是继续水化和延时钙矾石对混凝土孔隙填充的强化效应与腐蚀损伤的劣化效应之间的竞争机制所导致。Ikumi等56 考虑了扩散过程的影响，提出了一种扩散反应数值模型来模拟混凝土在硫酸盐侵蚀下的反应，并提出了胞体模型，讨论了损伤增长规律。Yuan等57 则提出了一种反应传输模型来模拟水泥材料与H2SO4溶液接触的化学降解过程，引入简化的损伤模型来表征石膏膨胀引起的混凝土退化。对于腐蚀损伤，Chen等58 将一维超声波探测技术用于圆柱形试样，得到了硫酸盐腐蚀下，混凝土材料平均损伤0.603%Na2SO45%Na2SO40.458%Na2SO4symbols:experimentallines:present model0.300.150080160240320400immergencetime/d图6混凝土腐蚀损伤与理论模型比较曲线58 Fig.6 Comparison curve between concrete corrosion damageand theoretical model s8的结果，如图6 所示。根据微裂纹成核准则，结合化学反应规律和材料破坏的最弱链Weibull分布模型，得到了腐蚀损伤演化模型t/tpD=1-exp(8)其中，和m为待定无量纲参数，tr为临界损伤成核时间，表示损伤演化的拐点时间（即D随时间变化二阶导数为零所对应的时间）。该模型较好地描述了混凝土腐蚀损伤演化规律。2.3.4表面腐蚀裂纹群信息指数增长模型与机械载荷作用下结构材料的微裂纹演化不同的是，腐蚀微裂纹的长大没有明显的取向，而是具有随机性。图7 给出了水泥砂浆试样在硫酸钠溶液中腐蚀6 30 d情况下试样表面裂纹演化的部分图片59 ，其中，腐蚀天数：(a)120d，(b)1 40 d,(c)180 d，(d)2 1 0 d，(e)2 30 d，(f)2 50 d。在腐蚀的情况下，采用统计的方法研究腐蚀裂纹的演化更为合理。为此，将样品表面划分为N个格子（图8），定义材料表面腐蚀裂纹群的信息熵S为5-2()N(9)1式中，l是第i个格子内裂纹的长度，L为表面裂纹的总长度（L=l）。很显然，裂纹信息熵在统计意义下能够反应腐蚀损伤的程度。假定裂纹信息熵正比于钙矾石生长量，由化学反应速率方程得到归一化信息熵S*力与506实践2023年第45卷学b图7硫酸盐腐蚀下混凝土表面裂纹群演化59 Fig.7Evolution of concrete surface cracks under sulfate corrosion 5al图8裂纹群信息焰计算方法59 Fig.8Calculation method of crack group informationentropy al与无量纲化时间t*之间近似服从指数增长规律S*=1-e-t(10)式（1 0）意味着表面腐蚀裂纹信息熵增长服从指数增长的规律由化学反应速率所控制。将该式与实验统计结果相比较，可以发现该模型很好地反映了表面腐蚀裂纹群演化规律（如图9 所示，其中，w/c为混凝土的水灰比）。2.4波浪冲蚀规律研究波浪与水流冲蚀造成结构物的损伤是直接以冲蚀深度表征的，这样的表征方式忽略了前期1.0*S0.80.60.4口w/c=0.65w/c=0.550.2w/c=0.45Eq.(10)00123456non-dimensional time,t*图9 腐蚀裂纹群信息焰指数增长规律59 Fig.9Exponential growth law of information entropy ofcorrosion crack group la的表面犁沟群的形成过程，简化了分析步骤，更方便于工程应用。2 0 世纪8 0 年代，Eadie等6 0 对四种随机波谱的海浪和水流联合作用下的单桩周围的冲刷进行了实验研究，发现由水流和波浪作用引起的冲刷比单独由稳定水流引起的冲刷发生得更快。同时由波流相互作用引起的平衡冲刷深度比仅由稳定水流引起的冲刷深度约大1 0%。Sumer 等6 1-6 2 在研究后则提出了基于Keulegan-Carpenter数（记为KC）的细长桩的相对平衡冲刷深度的关系式，并对圆形桩和不同截面桩周围波浪诱发冲刷的情况进行了对比实验分析，结果表明KC低于6 时，桩周围的冲刷实际上不复存507陈建康等：海工混凝土环境损伤力学研究进展第3 期在。KC大于等于6 时，可表示为S/D=1.3(1-exp-0.03(KC-6)(11)其中，S为平衡冲刷深度，当冲刷孔内输沙量等于桩外输沙量时，得到平衡冲刷深度值S；D 为圆柱体的截面直径，KC定义为UmTKC(12)二D其中，Um是定义的外部振荡流速度的最大值；T是波浪周期。Johnson63则建立了桥梁失效概率和安全系数之间的关系，桥梁破坏被定义为冲刷深度达到桥墩底部，同时认为破坏的概率根据破坏的定义而不同。Briaud等6 4 提出了一种桥梁冲刷概率模型，该模型考虑了水文条件的不确定性，但没有对模型的偏差和误差分布进行分析。Wilson(65根据现场冲刷测量推导出了新的冲刷模型，Melville 等6 、Arneson 等 6 7 、Briaud 等6 8 和Sheppard等6 9 也先后根据实验室或现场测量数据给出了各自的冲刷模型。Li等7 0 对波浪冲刷与纯扩散行为作了对比，认为波浪冲刷与离子扩散有相互促进作用。其实这是不难理解的，冲蚀损伤提高了表观扩散系数而加速离子扩散，离子腐蚀损伤弱化了材料的密实度更容易被冲刷磨损，因而两者之间有相互促进作用。3腐蚀损伤的时空分布及对氯离子传输的影响研究腐蚀损伤客观上增大了海工混凝土中的侵蚀性离子扩散系数，导致海工混凝土结构服役寿命降低。为便于在海工结构设计时计及腐蚀损伤影响，Da等7 1 将腐蚀损伤时空平均并以腐蚀损伤劣化因子K所替代，定义K为实际海工混凝土结构的扩散系数D与实验室实验所得到的扩散系数Dtlab之比K=D:/tD tlab(13)将损伤劣化因子K计入扩散系数，改进了Fick定律，得到以下改进的氯离子一维、二维、三维扩散模型84Cf=Cs+(Co-Cs)sin mTLm=1,3,5m2元?KDotmotl-moexp(14)(1+R)(1=mo)L2)816Ct=Cs+(Co-Cs).mn元2m=1,3,5 n=1,3,5m元元sinsinL1yL2KDotmot1-mom2元22n元exp(1+R)(1-mo)LL2(15)88864Cf=Cs+(Co-Cs):m=1,3,5 n=1,3,5 p=1,3,5mnp元3m元n元P元sinsinysinL1L2L3之KDotmot-mom2元22nTTPexp(1+R)(1-mo)LLL(16)式中，C为距离混凝土表面处的游离氯离子浓度（%)；Cs为表面游离氯离子浓度（%)；Co为初始氯离子浓度（%)；Li，L2，Ls 分别为c，y，之方向上的深度；Do为氯离子在溶液中的扩散系数，L为氯离子扩散方向混凝土的尺度；R是反映氯离子结合能力的无量纲参数，to为无量纲参数，mo为时间依赖指数，它们均由实验结果确定。K因子的确定需要两方面的实验研究，一是实验室研究，二是暴露实验和海洋环境结构的大数据调研37 。Xu等7 2 则进一步考虑了孔隙的双电层效应、继续水化、Freidel盐生成以及损伤的时空分布（图1 0），修正了Fick定律，得到的数值结果如图1 1 所示。从图中可以看出，不考虑腐蚀损伤会大大低估氯离子的扩散速度及浓度，使得结构的寿命设计偏于危险。4结语本文对海工混凝土在海洋环境下腐蚀劣化的机理进行了阐述，对海工混凝土环境损伤力学的研究进展进行了归类总结。必须指出，这一领域还有呕需解决的具有挑战性的问题。第一，需要建立完整统一的钢筋混凝土环境损伤理论。海洋环境下的钢筋混凝土腐蚀损伤问力508实践学2023年第45卷AFmAFmCI-AFmCICICIAFmCIsolidphraseCIFreidelliquidphrasephysical adsorbCIfilling effectC1transportC1-CI-C1-CI-CI-chemical binddamage effectFreidelFreidelAFmAFmCI-CI-C1CI-AFmCICI图1 0氯离子传输过程示意图(7 2)Fig.10Schematic diagram of chloride ion transport process 721200withdamageevlution60d1000with damage evlution 90 dwithdamageevlution180d(g-u.ou)/nwithoutdamageevlution60d800withoutdamageevlution90dwithoutdamageevlution 180d600400200000.010.020.030.040.05a/m图1 1腐蚀损伤对氯离子扩散影响的数值结果(7 2)Fig.1l Numerical results of the influence of corrosion damageon chloride ion diffusion(2题的理论研究，是根据实际工程问题的需要采用不同的方法进行的。尽管已经取得了可以指导工程实际的成果，但到目前为止还没有建立统一的理论。甚至，损伤的定义都有矛盾，比如碳化损伤的定义。通常材料中的损伤在热力学框架中被定义为二阶张量，是无量纲因子7 3-7 5。具体的物理意义通过四种形式呈现。（1）应力形式：有效应力与名义应力之比；（2）模量形式：有效模量与初始模量之比；（3）能耗形式：耗散余势对其热力学广义力的负偏导数；（4）体积形式：单位体积内微裂纹、微孔洞所占的体积比。这四个形式总是一致的，当损伤量