CN111310360B - 一种浪溅区硫酸盐侵蚀下的混凝土损伤传输评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种浪溅区硫酸盐侵蚀下的混凝土损伤传输评估方法，建立硫酸根离子的传输模型，在海洋环境的浪溅区，包括对流和扩散过程；硫酸根离子与混凝土中的材料组分发生化学反应，生成钙矾石等产物，引起混凝土膨胀，对结构产生损伤，建立硫酸盐侵蚀下的损伤本构；将混凝土损伤过程的应力与孔隙率建立关系，将孔隙率与离子扩散系数建立关系，进而得到损伤后的离子扩散系数。本发明能够更为精确的预测浪溅区硫酸盐侵蚀下的混凝土损伤传输，为开展环境作用下的化学力学等效转换、建立混凝土结构耐久性分析与设计新方法提供依据。
Description
技术领域
本发明属于混凝土材料技术领域，具体涉及一种浪溅区硫酸盐侵蚀下的混凝土损伤传输评估方法。
背景技术
硫酸盐侵蚀是影响水泥基材料耐久性的重要问题，也是海洋环境下结构运行过程中的主要病害。在各类工程均可观察到水泥基材料结构存在着局部或大面积的冻融破坏，例如房屋、道路、港口桥梁等。结构在硫酸盐侵蚀作用下，出现表面剥落产生裂纹、缝隙等现象，这可能会使结构在还未达到用寿命就不得花费巨额进行维护或重修，造成资源的浪费，对国家经济、社会效益带来很大损失，也违背世界各国所提出的绿色环保和节能理念；同时，硫酸盐侵蚀引起的保护层剥落、结构劣化会加速氯离子的传输，使钢筋产生锈蚀。
目前，针对硫酸盐侵蚀对混凝土材料化学腐蚀作用所引起的混凝土强度、刚度等力学性能的退化规律开展了较为广泛的实验与分析研究，但对与结构抗震性能分析密切相关的混凝土腐蚀损伤本构的相关试验研究较少。
以混凝土受环境硫酸盐侵蚀为研究对象，针对硫酸盐侵蚀所引起的化学作用与力学效应之间的关系，分析环境硫酸根离子在混凝土中的传输规律、硫酸根离子与材料组分之间的化学反应、钙矾石等侵蚀产物的生成及其引起的微宏观膨胀应力应变等力学效应时变规律，建立了浪溅区硫酸盐侵蚀下混凝土材料与结构从离子传输至膨胀应力应变变化规律的计算理论和方法，为开展环境作用下的化学力学等效转换、建立混凝土结构耐久性分析与设计新方法提供依据。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种浪溅区硫酸盐侵蚀下的混凝土损伤传输评估方法，为海洋环境下水泥基材料耐久性设计开辟崭新途径。
技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种浪溅区硫酸盐侵蚀下的混凝土损伤传输评估方法，包括如下步骤：
1)硫酸根离子的传输过程，在海洋环境的浪溅区，包括对流和扩散过程；
2)硫酸根离子与混凝土中的材料组分发生化学反应，生成钙矾石产物，引起混凝土膨胀，对结构产生损伤，建立硫酸盐侵蚀下的损伤本构；
3)将混凝土损伤过程的应力与孔隙率建立关系，将孔隙率与离子扩散系数建立关系，进而得到损伤后的离子扩散系数。
进一步地，硫酸根离子传输模型为：
其中，θ为体积含水率，θ由水分控制方程求得，故在求解盐分场过程中与水分场有关的变量视作常量。Dsh为硫酸根离子扩散系数，q为液态水流通量；
水分传输模型，水分传输系数Dc(θ)＝D0enθ；对于混凝土，n取6-8；
式中：kv为化学反应速率常数；cCa为混凝土孔溶液中钙离子浓度，cs为环境中的硫酸根离子浓度。
进一步地，硫酸根离子的传输模型按有限差分方式进行求解，设Dsh＝A， 其中/>离散化：
矩阵形式：
进一步地，硫酸盐侵蚀引起的损伤本构应力σ＝(1-dc)E0(ε-εp)；其中，dc为硫酸盐膨胀引起的化学损伤程度，E0为混凝土的弹性模量，ε为硫酸盐侵蚀下化学反应引起的总膨胀应变，εp为硫酸盐侵蚀下化学反应引起的塑性膨胀应变。
进一步地，应力与孔隙率的关系
其中，为混凝土损伤后的孔隙率
进一步地，损伤对离子传输的影响
DC0为混凝土孔溶液中硫酸根离子的扩散系数，m2/s；τ为混凝土的曲折度，基于混凝土的材料组成和孔结构的几何特征，获得与混凝土孔隙率相关的曲折度表达式为：
其中，为相邻两个骨料颗粒间的平均距离，/>为骨料颗粒的平均最大长度，/>为骨料颗粒的平均半周长，τcp为水泥净浆曲折度；
其中，k是骨料颗粒的长径比，/>是骨料颗粒的短半轴长。
有益效果：与现有技术相比，本发明通过建立硫酸根离子的传输模型，在海洋环境的浪溅区，包括对流和扩散过程；硫酸根离子与混凝土中的材料组分发生化学反应，生成钙矾石等产物，引起混凝土膨胀，对结构产生损伤，建立硫酸盐侵蚀下的损伤本构；将混凝土损伤过程的应力与孔隙率建立关系，将孔隙率与离子扩散系数建立关系，进而得到损伤后的离子扩散系数，能够更为精确的预测浪溅区硫酸盐侵蚀下的混凝土损伤传输，为开展环境作用下的化学力学等效转换、建立混凝土结构耐久性分析与设计新方法提供依据。
附图说明
图1是本发明硫酸盐在混凝土中的传输图；
图2是本发明硫酸盐侵蚀下的混凝土损伤本构图；
图3是本发明硫酸盐侵蚀引起混凝土损伤后氯离子的传输图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构及性能做进一步说明。
一种浪溅区硫酸盐侵蚀下的混凝土损伤传输评估方法，包括：硫酸根离子的传输过程，在海洋环境的浪溅区，包括对流和扩散过程；硫酸根离子与混凝土中的材料组分发生化学反应，生成钙矾石等产物，引起混凝土膨胀，对结构产生损伤，建立硫酸盐侵蚀下的损伤本构；将混凝土损伤过程的应力与孔隙率建立关系，将孔隙率与离子扩散系数建立关系，进而得到损伤后的离子扩散系数。
硫酸根离子传输模型为：
其中，θ为体积含水率，θ可由水分控制方程求得，故在求解盐分场过程中与水分场有关的变量可视作常量；Dsh为硫酸根离子扩散系数，q为液态水流通量。
水分传输模型，水分传输系数Dc(θ)＝D0enθ
对于混凝土，n一般取6-8。
式中：kv为化学反应速率常数；cCa为混凝土孔溶液中钙离子浓度，cs为环境中的硫酸根离子浓度。
硫酸根离子的传输模型可按有限差分方式进行求解，设Dsh＝A，其中：/>离散化：
矩阵形式：
硫酸盐侵蚀引起的损伤本构：应力σ＝(1-dc)E0(ε-εp)；
其中，dc为硫酸盐膨胀引起的化学损伤程度，E0为混凝土的弹性模量，ε为硫酸盐侵蚀下化学反应引起的总膨胀应变，εp为硫酸盐侵蚀下化学反应引起的塑性膨胀应变。
应力与孔隙率的关系：
其中，为混凝土损伤后的孔隙率
损伤对离子传输的影响：
DC0为混凝土孔溶液中硫酸根离子的扩散系数，m2/s；τ为混凝土的曲折度，基于混凝土的材料组成和孔结构的几何特征，可获得与混凝土孔隙率相关的曲折度表达式为：
其中，为相邻两个骨料颗粒间的平均距离，/>为骨料颗粒的平均最大长度，/>为骨料颗粒的平均半周长，τcp为水泥净浆曲折度。
其中，
k是骨料颗粒的长径比，是骨料颗粒的短半轴长。
实施例1
北方滨海某桩基混凝土柱直径一米，处于浪溅区硫酸盐侵蚀环境和氯盐侵蚀环境，现计算硫酸盐侵蚀下的混凝土损伤后的氯离子传输。
硫酸根离子的传输过程，在海洋环境的浪溅区，包括对流和扩散过程；硫酸根离子与混凝土中的材料组分发生化学反应，生成钙矾石等产物，引起混凝土膨胀，对结构产生损伤，建立硫酸盐侵蚀下的损伤本构；将混凝土损伤过程的应力与孔隙率建立关系，将孔隙率与离子扩散系数建立关系，进而得到损伤后的离子扩散系数。
硫酸根离子传输模型为
其中，θ为体积含水率，θ可由水分控制方程求得，故在求解盐分场过程中与水分场有关的变量可视作常量；Dsh为硫酸根离子扩散系数，取8×10-13m2/s，q为液态水流通量，。
水分传输模型，
水分传输系数Dc(θ)＝D0enθ
对于混凝土，n一般取6-8。
式中：kv为化学反应速率常数，取3.05×10-8；cCa为混凝土孔溶液中钙离子浓度，cs为环境中的硫酸根离子浓度，取50mol/m3。结果见图1。
硫酸根离子的传输模型可按有限差分方式进行求解，
设Dsh＝A
其中
离散化
矩阵形式
硫酸盐侵蚀引起的损伤本构
应力σ＝(1-dc)E0(ε-εp)
其中，dc为硫酸盐膨胀引起的化学损伤程度，E0为混凝土的弹性模量，ε为硫酸盐侵蚀下化学反应引起的总膨胀应变，εp为硫酸盐侵蚀下化学反应引起的塑性膨胀应变。结果见图2。
应力与孔隙率的关系
其中，为混凝土损伤后的孔隙率。
损伤对离子传输的影响
DC0为混凝土孔溶液中氯离子的扩散系数，取4.8×10-12m2/s；DC为损伤后的氯离子的扩散系数，m2/s；τ为混凝土的曲折度，基于混凝土的材料组成和孔结构的几何特征，可获得与混凝土孔隙率相关的曲折度表达式为：
其中，为相邻两个骨料颗粒间的平均距离，/>为骨料颗粒的平均最大长度，/>为骨料颗粒的平均半周长，τcp为水泥净浆曲折度。
其中，
k是骨料颗粒的长径比，是骨料颗粒的短半轴长。图3为90天后的氯离子传输深度图。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种浪溅区硫酸盐侵蚀下的混凝土损伤传输评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)硫酸根离子的传输过程，在海洋环境的浪溅区，包括对流和扩散过程；
2)硫酸根离子与混凝土中的材料组分发生化学反应，生成钙矾石产物，引起混凝土膨胀，对结构产生损伤，建立硫酸盐侵蚀下的损伤本构；
3)将混凝土损伤过程的应力与孔隙率建立关系，将孔隙率与离子扩散系数建立关系，进而得到损伤后的离子扩散系数；
其中，硫酸根离子传输模型为：
其中，θ为体积含水率，θ由水分控制方程求得，故在求解盐分场过程中与水分场有关的变量视作常量；Dsh为硫酸根离子扩散系数，q为液态水流通量；
水分传输模型，水分传输系数Dc(θ)＝D0enθ；对于混凝土，n取6-8；
式中：kv为化学反应速率常数；cCa为混凝土孔溶液中钙离子浓度，cs为环境中的硫酸根离子浓度；
硫酸根离子的传输模型按有限差分方式进行求解，设Dsh＝A， 其中离散化：
矩阵形式：
硫酸盐侵蚀引起的损伤本构应力σ＝(1-dc)E0(ε-εp)；其中，dc为硫酸盐膨胀引起的化学损伤程度，E0为混凝土的弹性模量，ε为硫酸盐侵蚀下化学反应引起的总膨胀应变，εp为硫酸盐侵蚀下化学反应引起的塑性膨胀应变；
应力与孔隙率的关系
其中，为混凝土损伤后的孔隙率；
损伤对离子传输的影响
DC0为混凝土孔溶液中硫酸根离子的扩散系数，m2/s；τ为混凝土的曲折度，基于混凝土的材料组成和孔结构的几何特征，获得与混凝土孔隙率相关的曲折度表达式为：
其中，为相邻两个骨料颗粒间的平均距离，/>为骨料颗粒的平均最大长度，/>为骨料颗粒的平均半周长，τcp为水泥净浆曲折度；
其中，k是骨料颗粒的长径比，/>是骨料颗粒的短半轴长。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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