压缩荷载作用下混凝土中氯离子扩散行为细观模拟.pdf

第 1 9 卷第 1 期 2 0 1 6年 2月 建筑材料学报 J OuRNAL OF BUI LDI NG MATERI ALS VO I 1 9， No 1 Fe b ， 2 O1 6 文章编号 ： 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 6 ) 0 1 0 0 6 5 0 7 压缩荷载作用 下混凝 土 中氯离子扩散行为细观模 拟 杜修 力 ， 金 浏 ， 张仁 波 ( 北京工业大学 城市与工程安全减灾教育部重点实验室 ， 北京 1 0 0 1 2 4 ) 摘要 ：将 外荷 载作 用的 影响 等效 为 外荷 栽 引起 的 混 凝 土孔 隙率 的 改 变 ， 来研 究 其 对 混凝 土 中氯 离 子扩 散 特性 的影 响 ， 提 出 了压 缩荷载 作 用 下非 均质 混凝 土 氯 离子 扩散 行 为的 细观 模型 首先 对 混凝 土在压缩荷载作用下的力学行为进行模拟分析 ； 然后 ， 将荷 载作 用后 的“ 结果输 出” 作为氯 离子扩 散模拟的“ 初始输入” 条件 ， 以单轴压缩荷载为例 ， 将混凝土看作 由骨料 、 水泥浆体基质及界面过渡 区组成的三相复合材料 ， 建立 了混凝土在力学与物理耦合作 用下的细观模型， 研究 了压 缩荷载对 混凝土 中氯 离子扩散特性的影响， 得 到 了氯 离子 有效扩散 系数与压缩应力水平之 间的关 系式， 揭 示 了压 缩应 力水 平的影 响规 律 关 键词 ：混凝 土 ； 压 缩荷 栽 ；氯 离子 扩散 ；细观 方 法 ；数值 模拟 中图分 类 号 ： TU5 2 8 1 ；T B 3 3 3 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 6 0 1 0 1 1 M e s o - s c a l e S i mu l a t i o n o f Ch l o r i d e Di f f u s i v i t y i n Co nc r e t e S u g j e c t e d t o C o mp r e s s i v e S t r e s s DU Xi u l i ， JI N Li u， zHANG Re n b o ( Ke y La b o r a t o r y o f Ur b a n Se c u r i t y a n d Di s a s t e r E n g i n e e r i n g o f Mi n i s t r y o f Ed u c a t i o n， Be i j i n g Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y，Be i j i n g 1 0 0 1 2 4，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：The e f f e c t o f t he e xt e r na l m e c ha n i c a 1 s t r e s s o n c hl o r i de di f f u s i v i t y i n c on c r e t e c a n be e q ui v a l e nt t o t he e f f e c t o f po r os i t y c ha ng e o n c h l o r i d e d i f f us i v i t y i nd uc e d by e x t e r na l m e c h a ni c a l s t r e s s And b a s e d o n t h i s v i e wp o i n t ，a me s o s c a l e mo d e l a n d a n a l y s i s me t h o d we r e p r o p o s e d t o s t u d y t h e c h l o r i d e d i f f u s i v i t y i n h e t e r 0 g e n e o u s c o n c r e t e u n d e r c o mp r e s s i v e s t r e s s I n t h i s a p p r o a c h，t h e me c h a n i c a 1 s i mu l a t i o n wa s p e r - f o r me d f i r s t b y u s i n g t h e me s o s c a l e f i n i t e e l e me n t me t h o d Th e o u t c o me s o f t h e me c h a n i c a l r e s p o n s e o f c o n c r e t e we r e t h e n u s e d a s i n p u t d a t a f o r t h e s i mu l a t i o n o f c h l o r i d e d i f f u s i v i t y Th e c o n c r e t e a t t h e me s o s c a l e wa s a s s u m e d t o be a t hr e e - ph a s e c o m po s i t e c ompo s e d o f a g g r e g a t e，c e me nt p a s t e ma t r i x a nd t he i n t e r f a c i a l t r a n s i t i o n z o n e s Th e me s o s c o p i c n u me r i c a l mo d e l o f c o n c r e t e u n d e r u n i a x i a l c o mp r e s s i v e s t r e s s wa s bu i l t t o i n ve s t i ga t e t he c hl o r i de di f f u s i v i t y be ha v i or The e f f e c t o f c ompr e s s i ve s t r e s s o n c hl o r i d e d i f f u s i v i t y wa s e x p l o r e d，a n d t h e q u a n t i t a t i v e r e l a t i o n s h i p b e t we e n e f f e c t i v e c h l o r i d e d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t i n c o n - c r e t e a n d c o mp r e s s i v e s t r e s s l e v e 1 wa s o b t a i n e d Ke y wo r d s ：c o n c r e t e ；c o mp r e s s i v e l o a d；c h l o r i d e d i f f u s i v i t y；me s o - s c a l e me t h o d；n u me r i c a 1 s i mu l a t i o n 氯离子对混凝土的侵蚀是影响混凝土耐久性的 重要 因素之一 近年来海洋环境混凝土结构工 程 日益 增加 ， 尤 其是 对 耐久性 要 求严格 的重点 工 程 ， 如 跨海大桥、 海底隧道等工程逐渐增多， 因此对混凝土 中的氯离子扩散渗透性能研究 已越来越引起人们 的 重视 多年来 ， 国内外学者对其进行 了大量研究 ， 但 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 7 0 5 ；修订 日期 ： 2 0 1 4 0 8 一 Z 6 基金项 目： 国家重点基础研究发展计划( 9 7 3计划) 项 目( 2 0 1 1 C B 0 1 3 6 0 0 ) ；北京市 自然科学基金重大项 目( 8 1 0 0 0 0 1 ) ； 国家 自然科学基金 资 助项 目( 5 1 5 0 8 0 1 1 ) ； 中国博士后 科技 基金资助项 目( 2 o 1 5 M5 7 0 1 0 5 ) 第一作 者： 杜修力( 1 9 6 3 一 ) ， 男 ，四川广安人 ， 北京工业大学长 江学者特聘教授 ， 博士生导师 ，博士 E - ma i l ： d u x i u l i b j u t e d u c n 建筑材料学报 第 1 9卷 主要 集 中于无 应力 状 态下 的混 凝 土结 构 E 然 而 ， 绝 大多数混凝土在服役期 内都受到荷载、 干湿循环 、 冻 融循环、 化 学反应等 众多外部 因素 的共 同作 用， 其 中， 荷载对影 响氯离子渗透性能 的重要 因素 孔 结构和微 裂 缝 的产 生 和 扩展 有 着 十分 重 要 的 影 响 2 。 忽略荷载作用得到的混凝土抗氯离子渗透性 研究结果存在一定 的片面性 ， 因此研究荷载对混凝 土抗氯离子渗透性的影响具有重要的科学意义 近年来 ， 国内外研 究者 陆续开展 了荷载作用下 混 凝土抗 氯 离子 渗透 性 的研究 ， 包 括试 验 研 究 】 和 数值模拟 9 _ 其 中， 试验研究包括轴压荷载E 4 - 6 、 拉 伸 荷 载E 和 弯 曲荷 载 8 对 混凝 土抗 氯离 子 渗 透性 的 影响 方永浩等E 和金伟 良等 较为系统地介绍 了 荷载作用下混凝 土抗氯离子渗 透性 的试验 研究工 作 试验研 究工作促进 了对荷载作用下混凝土抗氯 离子渗透特性 的认识 ， 但依然存在很多不足 ， 如 ： 由 于试验装置等因素的差异 ， 造成结果 的离散性较大 ； 试验结果难以解 释荷载作用影响的微 细观物理机 制 近 年 来 不 少 学 者开 始 尝 试 采 用 数 值 模 拟来 研 究 荷载作用与氯离子渗透扩散 的耦合问题 ， 但相关研 究尚处于起步阶段 ， 仍然需要做进一步的深入研究 实 际上 ， 在外 荷载 作 用下混 凝 土达 到其 强 度前 ， 即未产生新裂纹前 ， 外荷载对氯离子扩散行为的影 响主要是荷载导致 的混凝土 内部孔隙结构变化 1 在荷载达到 9 0 的破坏荷载之前 ， 荷载作用 的影响 可以等效为外荷载所引起 的孔隙率 的改变对氯离子 扩 散性 能 的影 响 文献E 1 4 提出了饱和水泥浆体有效扩散特性研 究 的 细观分 析 模 型 与方 法 ， 建 立 了浆 体 的有 效 扩 散 系数与孔隙率及体应变之间的定量关系 ， 理论探讨 了荷 载作 用 对 水 泥 浆 体 氯离 子 扩散 行 为 的影 响 本 文在文献 1 4 1 5 3 的基础上 ， 将混凝 土看作 由骨料、 水泥浆体基质及界面过 渡区( I T Z ) 组成的三相复合 材料 ， 提出了研究压缩荷载作用下非均质混凝土 中 氯离子扩散行为的细观数值方法 1 理论模型 I一 浆体基质 中氯离子扩 散行为 1 1 氯离子 扩 散 系数 D。与水 泥 浆 体 孔 隙 率 P 的 关 系 水泥浆体 复合材料 的渗透特性 由其孔 隙率决 定r 】 假定水泥浆 体 由不可渗透 固体相及孔 隙结 构组成 ， 基于广义有 效介质理论 ， Z h e n g等 1 获得 了氯离子扩散系数 D 。 与水 泥浆体孔隙率 P( 包括 毛细管孔和凝胶孔等) 之间的半经验方程 ， 并用试验 数 据证 明了该 方程 的合 理 性 和 准 确 性 ， 该 方 程 的 表 达 式为 ： D cp 一 ( 1 ) D c 一 p一 ( 1 式 中： D。 为混凝 土孔 隙溶液 中的氯离子扩散 系数 ， 取 D。 一1 0 7 1 0 。 m。 s _ 1 ； ， z 为 待定 参数 ， 可 取 一 1 4 4 4 r 硬化水泥砂浆中主要结构组分( 如水泥凝胶、 凝 胶孔 、 毛细孔 、 未水化水 泥和总孔隙等) 的体积分数 可 由水灰 比 m m 和 水 化度 a来 确 定 ， Ha n s e n 的研究表明初始孔隙率 P 。 满足 ： P 0一 m z 一 _ LZ 十U 1 2 外 荷载 作用 下水 泥 浆体 的 当前 孔 隙率 文献 - 1 4 将饱和水泥浆体简化为由浆体基质及 孑 L 隙溶液夹杂组成 的两相复合材料 ， 建立了计算外 荷载作用下 水泥浆体 当前 孔隙率 的两 相球分析模 型 ， 推导获得 了当前孔 隙率 P与初始孔 隙率 P 。及 体应变 e 之间的定量关系式 ： 一 一 式 中 ： 一 1一 1 一 ， K 一 K ， 3 K + 4 ， 其中 K 和 分别为浆体基质的体积模量和 剪切 模 量 ， K 为 孑 L 隙 溶 液 的 体 积 模 量 ， K 一 2 25 GPa 在外荷载作用下 ， 水泥浆体 中孔隙结构参数 如 孔隙尺寸 、 连通性及孔隙率等 ， 尤其是孔隙率将发生 改变 ， 进而改变了水泥浆体的渗透扩散性质 通过式 ( 1 ) ( 3 ) 即可获得水泥浆体在外荷载作用下的氯离 子 当前扩 散性 能 2 理论模型 一 混凝土 中氯 离子扩散 行为 混凝土中氯离子传导及渗透扩散特性依赖于混 凝 土微 细观 结 构 ， 因此 混 凝 土 中 氯 离 子 的有 效 扩散 系数应与水泥浆体基质、 骨料及界 面过渡 区的 扩散特性密切关联 文献E 1 5 3 将混凝土认为是 由骨料 、 水 泥浆体 基 质 及 界 面 过 渡 区 ( 界 面 区) 组成 的三相复合材料， 建立了混凝土 中氯离子扩散行为 模拟的细观尺度模 型与分析方法 ， 其数值结果与相 关试验结果的良好吻合验证了其提 出的细观分析方 法 的有效性 本文将该细观数值分析方法扩展应用 到压缩荷载作用下混凝 土 中氯离子 扩散行为 的模 拟 中 在压缩荷载作用下 ， 混凝土 中细观结构将发生 第 1 期 杜修力 ， 等 ： 压缩荷载作用下 混凝土 中氯离子扩散行 为细观模 拟 4 5 6 7 8 9 E l O u 1 2 1 3 LI M C C， GOW RI PALAN N ， S I RI VI V ATNAN0N V M i c r o - c r a c k i n g a n d c h l o r i de p e r m e a b i l i t y o f c o n c r e t e u n d e r u n i a x i a l c o mp r e s s i o n C e me n t a n d C o n c r e t e C o mp o s i t e s ， 2 0 0 0 ， 2 2 ( 5 )： 3 5 3 3 6 0 CHOI NS KA M ， KHELI E I 丁A， CHATZI GE0RG1 0US G，e t a 1 Ef f e c t s a n d i nt e r a e t i o n s o f t e mp e r a t ur e a n d s t r e s s l e v e l r e l a t e d d a ma g e o n p e r me a b i l i t y o f c o n c r e t e J C e me n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h， 2 0 0 7， 3 7 ( 1 )： 7 9 8 8 KoNI N A ， FRANCOI S R， ARU GUI E G Pe n e t r a t i o n o f c h l o r i d e s i n r e l a t i o n t o t he mi c r o c r a c k i n g s t a t e i n t o r e i n f o r c e d o r d i n a r y a n d h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e J Ma t e r i a l s a n d S t r u c - t u r e s ， 1 9 9 8， 31 ( 5) ： 31 0 3 1 6 GOW RI PALAN N ， S I RI VI VATNANON V ， LI M C C C h l o r i d e d i f f u s i v i t y o f c o n c r e t e c r a c k e d i n f l e x u r e J 3 C e me n t a n d Co n c r e t e Re s e a r c h， 2 0 0 0， 3 0( 5 )： 7 2 5 7 3 0 W ANG Ha i l o n g，LU Chu n h u a，】 I N W e i l i a ng Ef f e c t o f e x t e r n a l l o a d s o n c h l o r i d e t r a n s p o r t i n c o n c r e t e J AS CE J o u r n a l o f Ma t e r i a l s i n Ci v i l En g i n e e r i n g，2 01 1，2 3(7)：1 0 4 3 1 0 4 9 KAM ALI BERNARD S， B ERNARD FEf f e c t o f t e n s i l e c r a c k i n g o n d i f f u s i v i t y o f mo r t a r ： 3 D n u me r i c a l mo d e l i n g J Co mp u t a t i o na l Ma t e r i a l s Sc i e nc e， 2 0 09 ， 47 ( 1 ) ： 1 7 8 1 8 5 SAVUA B， PACHECO J， S CHLANGEN E La t t i c e mo d e l i n g o f c h l o r i d e d i f f u s i o n i n s o u n d a n d c r a c k e d c o n c r e t e J C e me n t a n d Co n c r e t e Co mp o s i t e s ， 20 1 3， 4 2： 3 0 - 4 0 SAVI j A B， LUKOVI C M ， S CHLANGEN E La t t i c e mo d e l i n g o f r a p i d c h l o r id e mi g r a t i o n i n c o n c r e t e J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h， 2 0 1 4 ， 6 1 6 2 ； 4 9 - 6 3 W ANG L C， S ODA M ， U EDA T S i m u l a t i o n o f c h l o r i d e d i f f u s i v i t y f o r c r a c k e d c o n c r e t e b a s e d on RB SM a n d t r u s s n e t wo r k mo d e l J J o u r n a l o f Ad v a n c e d C o n c r e t e Te c h n o l o g y， 2 0 0 8 ， 6 ( 1 )： 1 4 3 1 5 5 金伟 良， 延永东 ， 王海龙 氯离子 在受荷 混凝土 内的传 输研 究 进展 J 硅酸盐学报 ， 2 0 1 0 ， 3 8 ( 1 1 ) ： 2 2 1 7 - 2 2 2 4 儿N W e i l i a n g，YAN Yo n g d o ng，W ANG Ha i l o n g Re s e a r c h p r o g r e s s o n t he c h l o r i d e t r a n s p o r t a t i o n i n s t r e s s e d c o n c r e t e J J o u r n a l o f t h e C h i n e s e Ce r a mi c S o c i e t y ， 2 0 1 0 ， 3 8( 1 1 ) ： 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 3 1 9 2 o 3 2 1 2 2 2 3 3 2 4 2 2 1 7 2 2 2 4 ( i n Ch i ne s e ) 金浏 ， 杜修力 ， 张仁波 荷载 作用下饱 和水泥 浆体 中氯离子 扩 散性能研究 J 工程力 学 ， 2 0 1 5 ， 3 2 ( 6 ) ： 3 3 4 0 J I N Li u， DU Xi u l i ， Z HANG Re n b o Ch l o r i de d i f f u s i v i t y i n s a t - u r a t e d c e m e n t p a s t e s u b j e c t e d t o e x t e r n a l l o a d i n g s J E n g i - n e e r i ng M e c h a n i c s ， 2 0 1 5， 3 2 ( 6 )： 3 3 4 0 ( i n Ch i n e s e ) DU Xi u l i ，儿N Li u，MA Gu o we iA me s o - s c a l e n u me r i c a l me t h o d f o r t h e s i mu l a t i o n o f c h l o r i d e d i f f u s i v i t y i n c o n c r e t e J F i n i t e E l e me n t s i n An a l y s i s a n d De s i g n ， 2 0 1 4 ， 8 5 ： 8 7 1 0 0 Z HE NG J i a n i u n ， Z HOU X i n z h u An a l y t i c a l s o l u t i o n f o r t h e c h l o r i d e d i f f u s i v i t y o f h a r d e n e d c e me n t p a s t e J J o u r n a l o f Ma t e r i a l s i n Ci v i l En g i n e e r i n g， 2 0 0 8， 2 0( 5 )： 3 8 4 - 3 9 1 H ANS EN T C Phy s i c a l s t r u c t u r e o f h a r d e n e d c e m e nt p a s t e ： A c l a s s i c a l a p p r o a c h J Ma t e r i a l s a n d S t r u c t u r e s ， 1 9 8 6 ， 1 9 ( 6 )： 4 2 3 - 4 36 GAR B 0C Z I E J ， B E NTZ D P M u l t i s e a l e a n a l y t i c a l n u me r i e a 1 t h e o r y o f t h e d i f f u s i v i t y o f c o n c r e t e J Ad v a n c e d C e me n t Ba s e d M a t e r i a l s ， 1 9 9 8， 8( 2 )： 7 7 8 8 S H I X M ， XI E N ， FORTUNE K ， e t a 1 Du r a b i l i t y o f s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e i n c h l o r i d e e n v i r o n me n t s ： An o v e r v i e w J Co n s t r uc t i o n a n d Bu i l d i n g M a t e r i a l s ， 2 O1 2， 3 0： 1 2 5 1 3 8 DU Xi u l i ，儿N Li u M e s o - s c a l e n u r r i e r i c a l i n v e s t i g a t i o n o n c r a c k i n g o f c o v e r c o n c r e t e i n d u c e d b y c o r r o s i o n o f r e i n f o r c i n g s t e e l J E n g i n e e r i n g F a i l u r e A n a l y s i s ， 2 0 1 4 ， 3 9 ： 2 1 3 3 DU Xi u l i ， j i N Li u， MA Gu o we i Nu me r i e a I s i mul a t i o n o f d y n a mi c t e n s i l e f a i l u r e o f c o n c r e t e a t me s o s c a l eJ I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f I mp a c t Eng i n e e r i n g， 2 0 1 4， 6 6： 5 - 1 7 W RI GGERS P。 M OFTAH S OM e s o s c a l e mo d e l s f o r c o n c r e t e ： Ho mo g e n i s a t i o n a n d d a ma g e b e h a v i o r J F i n i t e E l e me n t s i n An a l y s i s a nd De s i gn， 2 0 06， 42 ( 7 )： 6 2 3 - 6 3 6 LEE J， FENVES G L Pl a s t i c - d a m a g e m o d e l f o r c yc l i c l o a d i n g o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s J AS C E J o u r n a l o f E n g in e e r i n g Me c h a n i c s ， 1 9 9 8， 1 2 4 ( 8 )： 8 9 2 9 0 0 SUGI YAM A T ，BREM NER T W ，H OLM T A Ef f e c t o f s t r e s s o n g a s p e r me a b i l i t y i n c o n c r e t e J A CI Ma t e r i a l s J o u r n a l ， 1 9 9 6， 9 3 ( 5 )： 44 3 4 5 0