硫酸盐侵蚀下混凝土梁的开裂强度分析模型.pdf

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1、2017年第1期(总第327期)Number1in2017(TotalNo．327)混凝土Concrete理论研究THEORETICALRESEARCH硫酸盐侵蚀下混凝土梁的开裂强度分析模型张清清，徐锋，刘伟庆，王曙光，刘鑫(南京工业大学土木工程学院，江苏南京211816)摘要：混凝土在硫酸盐侵蚀下将发生化学一力学耦合作用，并导致其力学性能退化和耐久性降低。基于Fick第二定律建立考虑侵蚀损伤演化的硫酸根离子扩散一反应耦合模型，运用Matlab实现该耦合过程的数值求解，得到硫酸盐腐蚀下的细观损伤时变规律，在此基础上建立损伤后混凝土梁式构件开裂强度分析方法，

2、并通过算例进行了性能分析。关键词：硫酸盐侵蚀；数值模拟；损伤强度中图分类号：TU528．01文献标志码：A文章编号：1002—3550(2017)01—0039—05AnalyticalmodelofstrengthdeteriorationofconcretebeamundersulfateattackZHANGQingqing，xuFeng，LIUWeiqing，WANGShuguang，LIUXin(CollegeofCivilEngineering，NanjingTechUniversity，Nanjin9211816，China)Abstract

3、：Thecherrfical．mechanicalcouplingeffectofconcretesubjectedtosulfateattackwouldcausethedeteriorationinmechanicalpropertiesanddurabilityofconcrete．AccordingtoFick’Ssecondlaw．adiffusion—reactionmodelofsulfateionsinconcretebasedonevolutionoferosion—induceddamageisproposedandthenumeric

4、alsolutionofthecouplingprocessisrealizedbyMatlabprogram，thenitiSobtainedthatthetime．invariantmeso．damagemechanismofconcreteundersulfateattack．Withthetime．invariantmeso．damagemechanism，thispaperpresentsananalyticalmethodforthecrackingstrengthofbeamconcretespecimens．Finally，themecha

5、nicalbehaviorisanalyzedthroughanumericalexample．Km／words：sulfateattack；numericalsimulation；damagestrength0引言工程结构的耐久性已是目前工程领域最为关切的问题，而硫酸盐侵蚀一直是处于化学侵蚀环境(如复杂地下环境)混凝土耐久性研究的重要内容之一M。硫酸盐侵蚀是一个涉及离子扩散反应、物质化学变化以及材料力学损伤的多物理场耦合问题，并且不同条件下的腐蚀机理也不同口-2]。Biczok研究了不同硫酸根浓度条件下水泥石产物生成情况[3】，Carlos等[4】与Sa

6、nthanama等[5-03分别研究了硫酸盐侵蚀产物的膨胀性能，并且指出当混凝土内部孔隙、裂缝无法为反应产物提供足够的空间时，材料内部将产生膨胀应力，甚至造成微观裂缝的产生。左晓宝和孙伟院士根据硫酸根离子在混凝土中的扩散及反应规律，以材料的应变为主要指标量化了硫酸盐与材料之间的化学反应所引起的膨胀效应对材料微观结构的影响同。虽然目前对混凝土中硫酸盐侵蚀损伤机理有了相当研究，但对于硫酸盐侵蚀后混凝土宏观力学性能的研究尚不多，但这却是工程实践中亟待解决的参数问题。本研究构建了硫酸根离子扩散一反应与材料宏观力学性能演化之间的桥梁关系，通过数值模拟硫酸盐环境下混凝

7、土的损伤过程，以混凝土梁式试件为例建立开裂强度的解析模型，分析得到了混凝土在不同侵蚀阶段的力学性能。1硫酸盐侵蚀下混凝土的损伤机理混凝土遭受硫酸盐侵蚀的过程是一个集离子扩散、化学反应及力学损伤的复杂化一力耦合过程阎(如图1)，混凝土因水泥水化而导致的密实作用会延缓硫酸根离子的扩散，然而钙矾石的破坏作用又会对离子扩散起着加速作用，所以硫酸根离子的扩散取决于两种机制的竞争作用。因此，模型中的扩散系数不能简单地表示为一个常量，而应该是一个受水化和侵蚀损伤共同作用的函数，其机理如图1所示。1．1硫酸盐侵蚀扩散方程本研究以混凝土梁式构件为例建立硫酸盐侵蚀下混凝士I生

8、能的分析模型(如图2)。以硫酸盐溶液扩散方向为石轴，由于试件和扩散