CN111413197B - 基于腐蚀环境中混凝土抗压强度时变受力模型的强度预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于腐蚀环境中混凝土抗压强度时变受力模型的强度预测方法，该方法利用损伤深度和腐蚀深度来量化腐蚀效应，将腐蚀混凝土试块分为：腐蚀损伤区、腐蚀强化区、非腐蚀区；腐蚀混凝土的抗压强度为三个区混凝土抗压强度之和，利用平行杆模型来计算每部分的抗压强度，进而求出整个试块的抗压强度。本发明利用平行杆模型不但可以很好的表示腐蚀环境下混凝土的抗压强度随着腐蚀深度先增大后降低的过程，还可以准确计算不同使用时间的混凝土试块抗压强度。本发明不但可以计算腐蚀环境下混凝土抗压强度还可以对其强度进行预测。

Description

基于腐蚀环境中混凝土抗压强度时变受力模型的强度预测 方法
技术领域
本发明属于土木工程材料腐蚀承载力领域，涉及一种基于腐蚀环境中混凝土抗压强度时变受力模型及强度预测方法。
背景技术
中国西部盐渍土环境、中国东北盐渍土环境、滨海盐渍土环境、海水浪溅区腐蚀环境、海水浸泡区腐蚀环境下，铁路、公路、桥梁和建筑物的混凝土极易受到腐蚀作用，腐蚀后混凝土的抗压强度退化，严重影响建筑物的使用寿命。腐蚀环境中混凝土抗压强度对整个建筑的使用寿命至关重要，对混凝土抗压强度的实时预测，有利于评定混凝土建筑的使用可靠性。因此，本发明对腐蚀后的混凝土提出了一种抗压强度时变受力模型和强度预测方法。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于腐蚀环境中混凝土抗压强度时变受力模型的强度预测方法，该方法基于平行杆模型进行计算，通过试验验证了其准确性。
本发明采取的技术方案为：一种基于腐蚀环境中混凝土抗压强度时变受力模型的强度预测方法，该方法利用损伤深度和腐蚀深度来量化腐蚀效应，将腐蚀混凝土试块分为：腐蚀损伤区、腐蚀强化区、非腐蚀区；腐蚀混凝土的抗压强度为三个区混凝土抗压强度之和，利用平行杆模型来计算每部分的抗压强度，进而求出整个试块的抗压强度；
依据腐蚀损伤区混凝土强度下降，腐蚀强化区混凝土强度增强，非腐蚀区混凝土强度不变，最终导致混凝土整体强度的变化下，建立了腐蚀环境下混凝土抗压强度时变模型；此模型将混凝土试块等效为由无数根圆柱体平行杆组成，混凝土试块的受力过程也就是所有平行杆共同承载过程，当混凝土开始腐蚀也就是部分杆之间的空隙被腐蚀产物进行填充，平行杆的承载力开始增强，继续腐蚀平行杆开始劣化即承载力开始退化，混凝土的强度开始逐渐下降；腐蚀环境下混凝土强度下降的过程实质是组成混凝土的平行杆由外向内逐步劣化的过程，具有承载力的杆的数量逐渐减少；
该方法先建立腐蚀环境下腐蚀性离子对混凝土损伤深度和腐蚀深度随时间变化的数据库；再结合弹性理论对混凝土受到竖向作用力内部应变的分析；最后建立不同腐蚀时间的混凝土立方体平行杆受力模型计算混凝土立方体的抗压强度。
所述建立腐蚀环境下腐蚀性离子对混凝土侵蚀深度随时间变化的数据库是通过试验将混凝土立方体试块浸泡在腐蚀溶液中，测定不同时间段的混凝土的腐蚀深度。所述弹性理论是混凝土受到竖向力作用下腐蚀损伤区的每根杆的断裂应力为σd，腐蚀强化区每根杆的断裂应力为σc，未腐蚀区每根杆的断裂应力为σ。
作为优选，所述腐蚀环境主要是指中国西部盐渍土环境、中国东北盐渍土环境、滨海盐渍土环境、海水浪溅区腐蚀环境、海水浸泡区腐蚀环境，其特点是含有较高浓度的腐蚀性离子，如Cl-、SO42-等。
作为优选，所述腐蚀损伤区是指研究发现腐蚀产物中石膏和钙矾石具有膨胀作用，石膏和钙矾石可以填充混凝土中的孔隙，当混凝土中的孔隙被这两种晶体完全填满，晶体不断的形成会在孔隙内壁产生内压，当内压大于混凝土的抗拉强度时会形成微裂纹，使混凝土劣化，降低混凝土的强度，这也是混凝土腐蚀一段时间后强度会降低的原因，腐蚀损伤系数γd取值为0.9。
作为优选，所述腐蚀加强区是指腐蚀产物中有像石膏和钙矾石等具有膨胀性的物质，这些物质可以刚好填充混凝土的内部孔隙，使混凝土内部结构致密化，这也是混凝土刚开始受到腐蚀混凝土的强度开始增强的原因，腐蚀增强系数γc取值为1.35。
作为优选，所述非腐蚀区是指混凝土中未收到腐蚀性离子的腐蚀区域。混凝土中腐蚀性离子含量的分布符合Fick扩散定律，腐蚀性离子的含量随着腐蚀深度的增加，离子的含量逐渐降低，所以在腐蚀环境中未被腐蚀的区域称为非腐蚀区域。
作为优选，所述损伤深度，研究发现混凝土中腐蚀性离子的含量为0.15％为临界损失深度，利用Fick定律来求解损伤深度xd(t)，表达式如下：
Figure GDA0003905029350000031
作为优选，所述腐蚀深度，研究发现混凝土中的腐蚀性离子的含量为0.05％为临界腐蚀深度，利用Fick定律来求解腐蚀深度xc(t)，表达式如下：
Figure GDA0003905029350000032
所述腐蚀混凝土中氯化物和硫酸盐含量随着侵蚀深度的增加含量逐渐降低，随着侵蚀深度的增加，氯盐和硫酸盐含量趋于一致。
所述对混凝土腐蚀深度进行理论测定方法为，假设在相同的干湿循环侵蚀时间下，所有离子在混凝土中的扩散具有相同的侵蚀深度，本文用氯离子侵蚀深度来表示，利用Fick定律得到损伤深度xd和腐蚀深度xc。
所述腐蚀性混凝土中含有游离的氯离子和硫酸根离子，游离的氯离子和硫酸根离子在混凝土中的扩散规律相同，均符合Fick扩散定律。在相同的腐蚀条件下氯盐和硫酸盐随着扩散深度的增加，游离的氯盐和硫酸盐的含量逐渐降低，游离的氯离子含量采用莫尔法测定，游离的硫酸根离子采用硫酸钡重量法测定。
所述对抗压强度试验破坏模式进行研究，腐蚀混凝土立方体试件的破坏特征与未腐蚀混凝土立方体试件基本相同。在载荷达到峰值之前，试样表面没有可见的裂纹。然而，当荷载达到峰值时，在试件表面形成许多与施加荷载方向平行的不连续纵向裂纹。保持负载不变，纵向裂纹迅速扩展并穿透整个试样。当混凝土试件受到严重腐蚀时，试件破坏时混凝土剥落严重，出现局部压碎现象。
所述对腐蚀效应的抗压应力模型构建，平行杆模型可用于混凝土抗压过程，垂直荷载作用于混凝土试件，根据弹性力学，混凝土内部产生竖向压应力。混凝土试件在竖直方向上是由无数个平行杆系的试件组成，混凝土受到竖向力作用下腐蚀损伤区的每根杆的断裂应力为σd，腐蚀强化区每根杆的断裂应力为σc，未腐蚀区每根杆的断裂应力为σ。
所述将混凝土平行杆受力模型和试验值进行了对比，理论值和试验值差别不大。
有益效果：本发明利用平行杆模型不但可以很好的表示腐蚀环境下混凝土的抗压强度随着腐蚀深度先增大后降低的过程，还可以准确计算不同使用时间的混凝土试块抗压强度。本发明不但可以计算腐蚀环境下混凝土抗压强度还可以对其强度进行预测。
附图说明
图1混凝土试块平行杆立体模型。
图2腐蚀混凝土试块平行杆模型平面图。
图3腐蚀混凝土试块平行杆模型受力示意图。
图4腐蚀混凝土抗压强度试验值和模型值比较图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：
如图1-4所示，本发明提供的基于腐蚀环境中混凝土抗压强度时变受力模型的强度预测方法，所述方法具体步骤如下：
(1)混凝土构件在竖直方向相当于N个平行杆组成，每根杆的截面积为S。未腐蚀混凝土试件的初始横截面积用下式表示：
A＝N·S (1)
(2)混凝土的抗压过程如图3所示，力F垂直施加在试件上。根据断裂力学混凝土内部每根杆具有相同的断裂应力为σ，未腐蚀混凝土抗压强度可以表示为：
fcu(0)＝N·σ (2)
式中，fcu(0)表示受腐蚀影响的平行杆数量为0时的混凝土抗压强度，即未腐蚀混凝土抗压强度。
(3)腐蚀效应也体现在平行杆系两个方面。一方面，腐蚀损伤区有M根平行杆损伤。假设这些损伤杆具有相同的断裂应力σd，γd定义为腐蚀损伤系数(γd∈[0,1])。腐蚀损伤区每个平行杆的应力可以表示为：
σd＝γd·σ (3)
(4)腐蚀损伤区的横截面积Ad可以表示为：
Ad＝M·S (4)
(5)另一方面，在腐蚀强化区，有O根平行杆组成并被强化。假设这些加固的平行杆具有相同的断裂应力σc，γc被定义为腐蚀增强系数。
σc＝γc·σ (5)
腐蚀增强系数γc的表达式为：
Figure GDA0003905029350000051
式中,ω为混凝土中水泥的百分含量，p(t)为混凝土的孔隙率，rm为混凝土的平均孔径。
(6)腐蚀强化区的截面积Ac可以表示为：
Ac＝O·S (7)
(7)未腐蚀区的每根杆的应力为σ，未腐蚀的截面积为Ae可以表示为：
Ae＝(N-M-O)·S (8)
(8)腐蚀混凝土的抗压强度是三类平行杆的合力之和，可用下式表示：
fcu(t)＝(N-M-O)·σ+M·σd+O·σc (9)
(9)结合上述公式，可以得腐蚀环境中混凝土抗压强度公式如下：
Figure GDA0003905029350000052
(10)混凝土中腐蚀损伤深度xd(t)，表达式如下：
Figure GDA0003905029350000053
(11)混凝土中腐蚀深度xc(t)，表达式如下：
Figure GDA0003905029350000054
(12)将式(11)、(12)带入式(10)得到腐蚀环境中混凝土抗压强度fcu(t)时变公式如下:
Figure GDA0003905029350000055
式中，t为腐蚀时间；fcu(0)为未受腐蚀混凝土的抗压强度；a为立方体试件的横截面边长。
应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下的这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于腐蚀环境中混凝土抗压强度时变受力模型的强度预测方法，其特征在于：所述方法利用损伤深度和腐蚀深度来量化腐蚀效应，将腐蚀混凝土试块分为：腐蚀损伤区、腐蚀强化区、非腐蚀区；腐蚀混凝土的抗压强度为三个区混凝土抗压强度之和，利用平行杆模型来计算每部分的抗压强度，进而求出整个试块的抗压强度；
所述平行杆模型的建立：依据腐蚀损伤区混凝土强度下降，腐蚀强化区混凝土强度增强，非腐蚀区混凝土强度不变，最终导致混凝土整体强度的变化下，建立了腐蚀环境下混凝土抗压强度时变模型；平行杆模型将混凝土试块等效为由无数根圆柱体平行杆组成，混凝土试块的受力过程也就是所有平行杆共同承载过程，当混凝土开始腐蚀也就是部分杆之间的空隙被腐蚀产物进行填充，平行杆的承载力开始增强，继续腐蚀平行杆开始劣化即承载力开始退化，混凝土的强度开始逐渐下降；
所述方法先建立腐蚀环境下腐蚀性离子对混凝土腐蚀深度随时间变化的数据库；再结合弹性理论对混凝土受到竖向作用力内部应变的分析；最后建立不同腐蚀时间的混凝土立方体平行杆受力模型计算混凝土立方体的抗压强度；
所述建立腐蚀环境下腐蚀性离子对混凝土腐蚀深度随时间变化的数据库是通过试验将混凝土立方体试块浸泡在腐蚀溶液中，测定不同时间段的混凝土的腐蚀深度；
所述的基于腐蚀环境中混凝土抗压强度时变受力模型的强度预测方法，具体步骤为：
(1)混凝土构件在竖直方向相当于N个平行杆组成，每根杆的截面积为S；未腐蚀混凝土试件的初始横截面积用下式表示：
A＝N·S (1)
(2)混凝土的抗压过程中，力F垂直施加在试件上；根据断裂力学混凝土内部每根杆具有相同的断裂应力为σ，未腐蚀混凝土抗压强度表示为：
fcu(0)＝N·σ (2)
式中，fcu(0)表示受腐蚀影响的平行杆数量为0时的混凝土抗压强度，即未腐蚀混凝土抗压强度；
(3)腐蚀效应也体现在平行杆系两个方面， 一方面，腐蚀损伤区有M根平行杆损伤；假设这些损伤杆具有相同的断裂应力σd，γd定义为腐蚀损伤系数，γd∈[0,1]；腐蚀损伤区每个平行杆的应力表示为：
σd＝γd·σ (3)
(4)腐蚀损伤区的横截面积Ad表示为：
Ad＝M·S (4)
(5)另一方面，在腐蚀强化区，有O根平行杆组成并被强化；假设这些加固的平行杆具有相同的断裂应力σc，γc被定义为腐蚀增强系数；
σc＝γc·σ (5)
腐蚀增强系数γc的表达式为：
Figure FDA0003905029340000021
式中,ω为混凝土中水泥的百分含量，p(t)为混凝土的孔隙率，rm为混凝土的平均孔径；
(6)腐蚀强化区的截面积Ac表示为：
Ac＝O·S (7)
(7)未腐蚀区的每根杆的应力为σ，未腐蚀的截面积为Ae表示为：
Ae＝(N-M-O)·S (8)
(8)腐蚀混凝土的抗压强度是三类平行杆的合力之和，用下式表示：
fcu(t)＝(N-M-O)·σ+M·σd+O·σc (9)
(9)结合上述公式，得腐蚀环境中混凝土抗压强度公式如下：
Figure FDA0003905029340000022
(10)混凝土中腐蚀损伤深度xd(t)，表达式如下：
Figure FDA0003905029340000023
(11)混凝土中腐蚀深度xc(t)，表达式如下：
Figure FDA0003905029340000031
(12)将式(11)、(12)带入式(10)得到腐蚀环境中混凝土抗压强度fcu(t)时变公式如下:
Figure FDA0003905029340000032
式中，t为腐蚀时间；fcu(0)为未受腐蚀混凝土的抗压强度；a为立方体试件的横截面边长。
2.根据权利要求1所述的基于腐蚀环境中混凝土抗压强度时变受力模型的强度预测方法，其特征在于：所述腐蚀环境是指中国西部盐渍土环境、中国东北盐渍土环境、滨海盐渍土环境、海水浪溅区腐蚀环境、海水浸泡区腐蚀环境。
3.根据权利要求1所述的基于腐蚀环境中混凝土抗压强度时变受力模型的强度预测方法，其特征在于：所述腐蚀损伤区是指腐蚀产物中石膏和钙矾石两种晶体完全填满混凝土中的孔隙，晶体不断的形成会在孔隙内壁产生内压，当内压大于混凝土的抗拉强度时会形成微裂纹，使混凝土劣化，降低混凝土的强度。
4.根据权利要求1所述的基于腐蚀环境中混凝土抗压强度时变受力模型的强度预测方法，其特征在于：所述腐蚀强化区是指腐蚀产物中石膏和钙矾石刚好填充混凝土的内部孔隙，使混凝土内部结构致密化。
5.根据权利要求1所述的基于腐蚀环境中混凝土抗压强度时变受力模型的强度预测方法，其特征在于：所述非腐蚀区是指混凝土中未收到腐蚀性离子的区域。
6.根据权利要求1所述的基于腐蚀环境中混凝土抗压强度时变受力模型的强度预测方法，其特征在于：所述损伤深度以是混凝土中腐蚀性离子的含量为0.15％时的深度为临界损失深度，利用Fick定律来求解损伤深度。
7.根据权利要求1所述的基于腐蚀环境中混凝土抗压强度时变受力模型的强度预测方法，其特征在于：所述腐蚀深度是以混凝土中腐蚀性离子的含量为0.05％时的深度为临界腐蚀深度，利用Fick定律来求解腐蚀深度。
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