压缩荷载作用下混凝土中氯离子扩散行为细观模拟

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发布时间：2021-09-03

资料介绍

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，北京100124)
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：TU528．1；TB333 文献标志码：A doi：10．3969／j．issn．1007—9629．2016．01．011
M eso-scale Simulation of Chloride Diffusivity in Concrete
Sugj ected to Compressive Stress
DU Xiuli， JIN Liu， zHANG Renbo
(Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering of Ministry of Education，
Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)
Abstract：The effect of the external mechanica1 stress on chloride diffusivity in concrete can be equivalent
to the effect of porosity change on chloride diffusivity induced by external mechanical stress．And based on
this viewpoint，a meso—scale model and analysis method were proposed to study the chloride diffusivity in
heter0geneous concrete under compressive stress． In this approach，the mechanica1 simulation was performed
first by using the meso—scale finite element method．The outcomes of the mechanical response of
concrete were then used as input data for the simulation of chloride diffusivity．The concrete at the meso—
scale was assumed to be a three-phase composite composed of aggregate，cement paste matrix and the in—
terfacial transition zones．The meso—scopic numerical model of concrete under uniaxial compressive stress
was built to investigate the chloride diffusivity behavior．The effect of compressive stress on chloride diffu—
sivity was explored，and the quantitative relationship between effective chloride diffusion coefficient in concrete
and compressive stress leve1 was obtained．
Key words：concrete；compressive load；chloride diffusivity；meso-scale method；numerica1 simulation
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：2014—07—05；修订日期：2014—08一Z6
基金项目：国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2011CB013600)；北京市自然科学基金重大项目(8100001)；国家自然科学基金资
助项目(51508011)；中国博士后科技基金资助项目(2o15M570105)
第一作者：杜修力(1963一)，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-mail：duxiuli@bjut．edu．cn
建筑材料学报第19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E4-6]、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90 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E14]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[14—153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(ITZ)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，Zheng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：
Dc p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。一1．07×10 。m。／s_1 ¨ ；，z为待定参数，可取
一14．44 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，Hansen／"]
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[-14]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 ] ㈤
式中：@一1一 1一￡， — K 一K ， — 3K +
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Ⅱ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E153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