硫酸盐侵蚀及高应变率载荷作用下混凝土的损伤破裂机理研究

发布时间：2020-06-17 03:47

【摘要】：我国沿海港口、跨海大桥及其它大型混凝土结构工程由于其长期处在恶劣的海洋侵蚀环境中,使用寿命严重缩减。在众多侵蚀危害中,硫酸盐对混凝土的侵蚀作用已成为结构耐久性影响主要的环境侵蚀之一,因硫酸盐侵蚀而造成破坏的工程实例已屡见不鲜。一些重要服役中的民用或军用防护混凝土构件不仅受到硫酸盐侵蚀作用,还要承受各种动力荷载作用,在受到车辆和船舶撞击、爆炸冲击波、地震波等作用下,海工混凝土结构会表现出与静力荷载作用下不同且更为复杂的动力行为。本文借助于分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统、X射线衍射仪及SEM扫描电镜等试验方法与手段,依据断裂力学、损伤力学等理论,对高应变率下受硫酸盐侵蚀混凝土的基本物理力学性能、微细观破裂机制以及损伤演化规律进行了系统研究。主要工作和研究成果如下:(1)测定了受硫酸盐侵蚀混凝土试样中SO_4~(2-)含量的分布特征,得到了距试样表面不同深度处SO_4~(2-)含量随硫酸盐侵蚀作用时间及侵蚀溶液浓度的变化规律。(2)综合运用多孔介质渗流理论及扩散理论建立考虑化学反应作用效应的混凝土SO_4~(2-)耦合传输模型及控制方程,并运用数值方法对方程进行了求解,将理论模型求解结果与试验结果对比,两者具有较好的印证性。同时,预测了某海域海水中所含硫酸盐浓度条件下受侵蚀混凝土中SO_4~(2-)含量分布随侵蚀时间的变化规律,揭示了混凝土中SO_4~(2-)的传输机理。(3)利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,测定了受硫酸盐侵蚀混凝土冲击压缩条件下的力学性能,得到了高应变率下受硫酸盐侵蚀混凝土基本力学性能(应力-应变曲线、抗压强度、弹性模量、峰值应变)、宏观破坏特征等随侵蚀溶液浓度、侵蚀作用时间及加载应变率的变化规律。结果表明:随着侵蚀溶液浓度及侵蚀作用时间的增加,混凝土的抗压强度、弹性模量下降明显,而峰值应变加大,宏观破坏程度加剧;随着加载应变率的增加,混凝土的抗压强度、弹性模量有所提高,但其宏观破坏程度明显增加。(4)借助于X射线衍射仪,测定了侵蚀溶液浓度及侵蚀作用时间对混凝土中水化产物及侵蚀产物含量的影响;利用扫描电镜(SEM)测定了高应变率下受硫酸盐侵蚀混凝土的微观形貌特征,包括:裂隙的发育与扩展状况、微观破裂模式、水泥与骨料交接面处破坏形态及侵蚀产物分布特征等随应变率、侵蚀溶液浓度以及侵蚀作用时间的变化规律。与试样宏观破坏特征比较,有效地揭示了受硫酸盐侵蚀混凝土在高应变率作用下破裂的微细观机制。(5)借助于损伤力学理论,研究高应变率下混凝土损伤程度随硫酸盐侵蚀作用时间的演化规律。并基于Weibull分布的统计损伤模型,建立了同时考虑硫酸盐侵蚀和高应变率载荷耦合作用的混凝土损伤演化方程及本构模型,该本构模型与试验结果有较好的印证性。本文研究成果可为海工混凝土结构的耐久性研究提供重要参考。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P75;TU37
【图文】：

路线图,研究技术,路线,硫酸盐侵蚀

博士学位论文利用扫描电镜（SEM）测定高应变率下受硫酸盐侵蚀混凝土的微观形貌特征，包括：裂隙的发育与扩展状况、微观断裂模式、水泥与骨料交接面处破坏形态及侵蚀产物分布情况等随应变率、侵蚀溶液浓度以及侵蚀作用时间的变化规律。将高应变率下受硫酸盐侵蚀混凝土试样的微细观结构特征与宏观力学性能进行对比分析，从微细观角度解释宏观破裂机理。（6）结合高应变率下受硫酸盐侵蚀混凝土试样的动态力学参数，借助于损伤力学理论，研究高应变率下混凝土试样损伤程度随硫酸盐侵蚀作用时间的演化规律。结合基于 Weibull 分布的统计损伤模型，建立同时考虑硫酸盐侵蚀和高应变率载荷耦合作用的混凝土损伤演化方程及本构模型，并利用试验数据对本构方程进行验证。技术路线图如下：

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l Program）备与养护混凝土结构防腐蚀技术规范》（JTJ275-2000）应小于 C45 级，本文混凝土试样强度按 C6m，试样配合比如表 2-1 所示。其中，本实验 42.5 级普通硅酸盐水泥，细骨料采用河砂，粗为 5-8mm，本文中所有实验均采用自来水，表 2-1 混凝土试样配合比设计参数Table 2-1 Mix ratio parameters of concrete specimen水/kg m-3水泥/kg m-3标准砂/kg m-3145 453 740 作方法如下：合比将水泥、粗骨料（石子）、细骨料（砂子，之后将水倒入搅拌机中搅拌 2min，再倒入减

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