开裂混凝土中氯离子传输的数值模拟.pdf

2 0 1 2年 第 9期 (总 第 2 7 5期 ) Nu mb e r 9 i n 2 0 1 2 ( T o t a l No 2 7 5 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THEORETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 2 0 9 0 0 4 开裂混凝土中氯离子传输的数值模拟 张士萍 ， ，刘加平 ，朱春银 。 ，朱洪俊 s ，高春生 。 ，赵字 。 ( 1 南京工程学院 建筑工程学院，江苏 南京 2 1 1 1 6 7 ；2 江苏省建筑科学研究院有限公司，江苏 南京 2 1 0 0 0 8 ； 3 江苏双龙集团有限公司，江苏 南京 2 1 0 0 3 4 ) 摘要： 通过施加劈裂荷载方式诱导裂缝， 然后采用图像分析技术对裂缝进行表征。 采用多项式拟合推导出裂缝宽度、 深度和氯离子浓 度三者之间的关系， 借助有限元方法推导出预测开裂混凝土中氯离子浓度分布的二维数值模拟方法。 通过与试验分析结果相比较 ， 验证 了该模拟方法 的有效性 。 关键词： 裂缝；有限元；氯离子传输 中图分类号 ： T U5 2 8 0 1 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 9 0 0 0 9 0 3 Pr edi c t i on of c hl or i de i on t r a ns po i n c r ac k e d c onc r e t e Z HANGS h i - p i n g ， L I U a - p i n g 2 , Z HUC h u n - y i n 3 Z HUHo n g -j an ， G AOC h u n - s h e n g 3 , Z H AOY u ( 1 De p a r t me n t o f A r c h i t e c t u r e Ci v i l E n g i n e e r i n g ， Na n j i n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， Na n j i n g 2 1 1 1 6 7 ， Ch i n a ； 2 J i a n g s uI n s t i tut e o f B u i l d i n g S c i e n c e C o ， L t d ， Na n j i n g 2 1 0 0 0 8 ， Ch i n a ； 3 J i a n g s u S h u a n g l o n gGr o u pC o ， L t d ， Na n j i n g2 1 0 0 3 4， C h i n a ) Abs t r a c t ： Cr a c k i n g wa s i n t r o d u c e d by s p l i t t i n g l o a d i n g， a n d c r a c k i n g wi d t h wa s me a s ur e d t h r o u g h i ma g e an a l y s i s t e c h n o l o g y Re l a t i o n s h i p a mo ng c r a c k i n g wi d t h， d e p t h a n d c hl o r i d e i o n c o nc e n t r a t i o n h a s b e e n d e d u c e d t h r o u g h po l y no mi a l fit t i n g， an d a t h e o r e t i c mo d e l whi c h c o u l d p r e d i e t c h l o ri d e i o n c o n c e n t r a t i o n o f c r a c k e d c o n c r e ， wa s p u t f o r wa r d b a s e d o n fi n i t e e l e me n t me t h o d s ( F E M) T h e mo d e l wa s v e ri fi e d a c c o r d i n g t o t he c o mp a ris o n wi t h n u me r i c a l r e s u l t s a n d e x p e rime n t a l r e s u l t s Ke y w o r d s ：c r a c k； FEM ； c h l o rid e i o n t r a n s p o r t 0 引言 1 试验原材料与方法 裂缝对水泥基材料的耐久性有着重要影响 ， 裂缝是导致 混凝土结构耐久性和使用寿命降低的主要因素 1 J 。 由于化学收 缩、 干燥收缩、 自收缩及荷载等作用， 混凝土会产生裂缝 ， 侵蚀 介质通过裂缝和孔隙网络侵入混凝土内部 ， 加速混凝土性能 劣化2 】 。 目前， 国内外对混凝土中氯离子渗透的研究 ， 基本上都 以无裂缝混凝土为研究对象。 然而在工程实际中， 由于普通钢 筋混凝土结构本身带裂缝工作等原因， 结构将产生裂缝。 开裂 混凝土中氯离子渗透的数值模拟， 有着重要的实用价值。 随着 有限元数值分析方法的不断深入发展以及计算机硬件和软件 技术的飞速发展 ， 人们已经可以对混凝土结构作比较准确的 非线性有限元分析了。 混凝土中的氯离子传输与热传导无论 从原理还是方程的形式上， 都有极大的相似性。 热分析遵循的 是能量守恒， 扩散遵循的是质量守恒 ； 热分析服从傅立叶定 律 ； 扩散服从 F i c k定律 ； 混凝土中氯离子非稳态扩散也相似于 热分析中的瞬态传热。 研究发现， 只要能够对热分析模块中的 计算参数实现合理的等效化 ， 就可以实现氯离子浓度分布的 数值模拟。 本试验通过对 A NS YS软件中热分析模块进行合理 的等效 ， 以满足模拟预测要求。 1 1 原材 料 试验采用小野田水泥厂生产的 P I I 5 2 5级水泥， 其化学组 成见表 1 。 细集料为细度模数为 2 3的中砂。 粗集料为 5 2 0 mil l 连续级配的玄武岩碎石。 采用直径 d = 0 2 r n l n ， 长度 l = 1 3 I n l T l 的 钢纤维。 外加剂为江苏博特新材料有限公司研制生产的聚羧酸 系超塑化剂 J M P C A( 固含量 2 O ) 。 表 1 水泥的化学组成 化学组成 C a O S i O2 AI 2 0 3 F e 203 Mg O S O 3 Na 2 O e q 水泥 6 6 6 2 1 7 4 5 0 6 3 5 6 1 6 0 0 8 1 O 5 0 1 2试 验 方 法 采用施加劈裂荷载方式诱导微裂缝。 考虑到素混凝土试件 的韧性较差， 所以掺加钢纤维改善混凝土的韧性。 成型 1 0 0 I n mx 1 0 0 l mx 1 0 0 I T u n钢纤维混凝土试件， 配合比见表 2 。 试件脱模 后养护2 8 d ， 然后采用施加劈裂荷载的方法诱导裂缝。 荷载诱导的 裂缝宽度采用图像分析法计算裂缝， 具体方法参考文献【 3 】 。 由 于荷载诱导的带裂缝混凝土试件是非标准尺寸试件 ， 因此采用 氯盐溶液长期浸泡法。 将采用劈裂荷载诱导的带裂缝混凝土试 件采用图像分析法测量平均裂缝宽度， 然后置于 5 Na C 1 溶液 中浸泡， 6 0 d 后用砂纸将试件的侵蚀面磨掉薄薄的一层， 然后用 收稿 日期 ：2 0 1 2 - 0 3 - 3 0 基金项目：国家自然科学基金( 5 1 1 0 8 2 3 1 ) ； 江苏省 自 然科学基金( B K 2 0 1 1 6 9 0 ) ； 高性能土木工程材料国家重点实验室开放基金课题( 2 0 1 O c E M0 1 9 ) 住房和城乡建设部科学技术项 目( 2 0 1 1 - K 1 5 7 ) 9 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 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 没有试件J _ +严重， 表明钢纤维增强的混凝土可以显著改善中节 点的破坏形态。 节点 J + a 在破坏时， 其与右梁的交接处出现了一 条较宽竖向裂缝 ， 宽度比试件 J + b及 J + c的大 ， 这是由于试件 J + 一 a的此处为钢纤维混凝土和普通混凝土的分界面， 比较薄弱 所致。 用钢纤维增强的异形柱中节点 J _ + a 、 J + b及 J _ + c中， J - + b 的最大裂缝较小， 表明当在中节点核心区浇筑钢纤维混凝土并 向梁内延伸一倍的有效梁高时， 钢纤维的掺人对改善节点的破 坏特征效果较好。 3 3 承 载 能力及 变形 能力 异形柱中节点的荷载 、 位移及延性系数如表 3所示。 用钢 纤维增强的异形柱中节点 J 斗a 、 J + b及 J _ + c的开裂荷载比未用 钢纤维增强的异形柱中节点 J +的开裂荷载大， 可见掺入钢纤维 可以提高试件的抗裂能力。 试件 J _ + a 、 J + b及 J _ + c的屈服荷载 及极限荷载比试件 J - +的大， 表明钢纤维能够阻止裂缝的发展 ， 提高了试件的承载能力。 在试件 J - + a 、 J 一 + b 及 J _ + c中， 试件 J + b 的极限荷载最大， 即在中节点核心区浇筑钢纤维混凝土并向梁 内延伸一倍的有效梁高的试件的承载能力最大。 用钢纤维增强 的异形柱中节点 J _ + a 、 J + b 及 J - + c的位移均比未用钢纤维增强 的异形柱中节点J - +的相应位移大， 表明掺入钢纤维提高了试件 的变形能力。 研究表明， 结构位移延性系数的取值一般在 3 - 5 之 问， 以保证结构构件有较高的曲率延性， 更利于结构抗震。 本研究 计算得到四个中节点的位移延性系数平均值均在这个范围内， 说明试件的延性较好。 用钢纤维增强的异形柱中节点 J _ + a 、 J + b 及 J c的延性系数均大于未用钢纤维增强的异形柱中节点 J _ + 的延性系数， 其 中， J + b的延性系数最大， 节点的延性最好 ， 表 明钢纤维对试件的延性影响较大， 这是由于钢纤维跨越了斜裂 缝， 发挥了相当于钢筋作用， 承担部分混凝土开裂释放应力， 限 值裂缝地开展； 增强了钢筋与混凝土之间的握裹力 ， 改善了混 凝土与钢筋之间黏性性能， 提高了纵筋销栓作用及箍筋约束作 用； 增强裂缝之问骨料胶合的作用， 减缓了混凝土脆性破坏 ； 改善了混凝土韧性 ， 提高了异形柱节点的变形能力。 4结 论 通过对钢纤维混凝土力学特性和阻裂机理的阐述 ， 将钢纤 维掺入钢筋混凝土异形柱中节点 ， 进行了对比试验研究 ， 得出 了以下结论 ： 通过比较异形柱中节点的破坏特征得出在异形柱中节点 的核心区、 核心区与梁内部分区域浇筑纤维混凝土可以减小裂 缝宽度 ， 显著改善节点的破坏形态。 在中节点核心区浇筑钢纤 维混凝土并向梁内延伸一倍的有效梁高时， 钢纤维的掺入对改 善节点的破坏特征的效果最好。 通过比较异形柱的承载能力及变性能力得出在异形柱中 上接第 1 1 页 参考文献： 1 1 J E N S E N A D， C H AT F E R J I S S t a t e o f t h e A r t R e - p o r t o n Mi c r o - c r a c k i n g a n d L i f e t i m e o f C o n c r e t e ： P a r t l J Ma t e ri a l s and S t r u c t u r e s ， 1 9 9 6 ， 2 9 ( 1 ) ： 3 8 f 2 1 NA V A R RO V， Y U S T R E S A， C E A L， e t a 1 C h a r a c t e ri z a t i o n o f th e w a t e r flo w t h r o u Is h c o n c r e t e b a s e d o n p a r a me t e r e s t i ma t i o n f r o m i n fi l t r a t i o n t e s t s J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 6 ( 3 6 ) ： 1 5 7 5 1 5 8 2 3 张士萍 ， 刘加平 荷载裂缝对混凝土氯离子扩散的影响 J 】 混凝土， 2 0 1 1 ( 1 1 ) ： 2 4 2 6 4 程传煊表面物理化学【 M 】 北京： 科学技术文献出版社， 1 9 9 5 1 4 表 3 中节点 的承载力、 位移及延性 系数 节点掺人钢纤维可以提高试件的承载能力和变形能力， 显著改 善了异形柱节点的延性性能。 在中节点核心区及延伸向梁的一 倍的有效梁高范围内掺入钢纤维对提高试件的承载力及改善 试件的延性效果最好。 参考文献 ： 1 1 陈景， 林华 钢纤维增强高性能混凝土力学性能研究 J 】 混凝土与水 泥制品， 2 0 0 6 ( 1 ) ： 3 7 3 9 2 2 杨勇 ， 任青文 钢纤维混凝土力学性能试验研究 J 】 河海大学学报 ， 2 0 0 6 ， 3 4 ( 1 ) ： 9 2 9 4 【 3 】 胡岩， 李新辉， 王洪哲钢纤维高性能混凝土框架节点的延性分析【 J J 混凝土 ， 2 0 0 4 ( 1 2 ) ： 6 6 6 7 4 1 王廷彦， 李长永， 张军伟 钢纤维高强混凝土框架边节点抗震性能研 究f J 1 混凝土， 201 1 ( 9 ) ： 3 2 3 5 【 5 】黄珏， 肖建庄， 葛亚杰 ， 等 异形柱框架节点受力性能研究进展与评 述f J 1 结构工程师， 2 0 0 2 ( 1 ) ： 5 2 5 7 6 6 王铁成， 张学辉， 康谷贻厕 种混凝土异形柱框架抗震性能试验对 比f J 1 天津大学学报 ， 2 0 0 7 ， 4 0 ( 7 ) ： 7 9 1 7 9 8 【7 】 章文纲， 程铁生， 等 冈 纤维混凝土的主要力学性能和工艺特性 J 】 j 昆 凝土及加筋混凝土， 1 9 8 4 ( 4 ) ： 1 - 9 【 8 】MAN G A T A P S ， A Z AR I M MS h ri n k a g e of s t e e fi b e r r e i n f o r c e d c e me n t c o mp o s i t e s J J o n ma l o f Ma t e ri a l s S c i e n c e ， 1 9 8 5 ( 2 0 ) ： 1 6 3 - 1 7 1 f 9 】RO MU A D I J MN A D E L J A T e n s i l e s t r e n g t h o f c o n c r e t e a f f e c t e d b y u n i f o r ml y d i s t ri b u t e d a n d c l o s e l y s p a c e d s h 0 n l e n gth o f wi r e r e i n f o r c e m e n t J A C I J o u r n a l ， 1 9 6 4 ( 6 ) ： 5 6 7 - 6 7 0 1 O 壬春印， 张兴民 钢纤维混凝土的阻裂机理分析及应用J 基建优化， 1 9 9 8 ， 1 9 ( 4 ) ： 4 7 4 8 作者简介： 戎贤( 1 9 6 5 一 ) ， 男， 教授， 博士， 主要研究方向： 结构抗震。 联系地址： 天津市北辰区河北工业大学北辰校区( 3 0 0 4 0 1 ) 联系电话 ： 1 3 6 1 2 1 1 8 4 3 3 5 】KA T O E ， K A T O Y， U O MO T O T D e v e l o p me n t o f s i mu l a t i o n mo d e l o f c h l o - ri d e i o n t r a n s p o r t a t i o n i n c r a c k e d c o n c r e t e f J J o u r n a l of A d v a n c e d C o n c r e t e T e c h n o l o g y ， 2 0 0 5 ， 3 ( 1 ) ： 8 5 9 4 作者简介 联 系地址 联 系电话 张士萍( 1 9 8 2 一 ) ， 女， 博士， 主要研究方向为水泥混凝土材 料的耐久性。 江苏省南京市江亍科学园弘景大道 1 号 南京工程学院建 筑工程学院( 2 1 1 1 6 7 ) 1 3 7 70 6 0 41 5 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m