混凝土的损伤演化桩与外加剂混合在海洋腐蚀和冻融环境

文摘

海洋腐蚀和冻融环境将严重损害海洋混凝土结构,从而影响结构的安全性和使用寿命。在人工气候和环境模拟实验室的帮助下,抗压强度和弹性模量的变化的混凝土冻融循环的数量和腐蚀、冻融环境下腐蚀时间进行了研究。结果表明,他们首先增加然后减少腐蚀。当腐蚀时间是270 d和冻融时间是90次,混凝土的强度降低13%,弹性模量减少了5%。然后,基于损伤力学理论,混凝土的损伤演化和本构模型建立了海洋腐蚀和冻融环境下。与实验结果相比较,发现该模型可以描述混凝土的损伤演化特征海洋腐蚀和冻融环境下。最后,建立了数值模型的基础上,弹性模量和强度退化模型海洋腐蚀和冻融环境下的混凝土。高桩承台混凝土桩组件被作为一个例子来分析损伤的过程,和位移的变化规律,得到了混凝土桩的变形和损坏。

1。介绍

海洋腐蚀和冻融环境下,损伤和积累各种环境因素引起的混凝土材料可能导致混凝土结构的损伤1- - - - - -3]。混凝土腐蚀环境造成的损害,主要是由于混凝土腐蚀介质和物质之间的化学反应,生成的物质容易失去,没有凝胶效应,如CaCl,氢氧化钠,也可能产生大的结晶盐,如三硫化物水化钙sulfoaluminate,形成扩张压力,引起局部断裂的混凝土(4,5]。它不能被低估了硫酸盐和氯造成的损害。硫酸破坏混凝土本身的性能,和氯主要诱发和加速钢筋混凝土结构中钢筋的腐蚀。

许多学者研究了混凝土的腐蚀损伤机制。曹(6研究腐蚀混凝土的力学性能和承载力的变化规律通过硫酸盐加速腐蚀试验,提出了钢筋混凝土混凝土强度模型考虑硫酸盐腐蚀和腐蚀混凝土的应力-应变模型。陈和保7)用压痕法来研究缩进混凝土应力-应变关系和接触损伤演化律法在空气中,水和盐酸的解决方案。结果表明,混凝土的弹性模量和抗压强度随着年龄的增加增加水和空气,而弹性模块和酸溶液的抗压强度降低。此外,Sahmaran等人,记忆8,9)发现硫酸盐侵蚀的作用下,矿物掺合料的混凝土内部受损和强度恶化。阿尔梅达(10硫酸)指出,影响了中孔结构的混凝土,混凝土造成损害。氯化对造成的损害的研究侧重于钢筋氯盐对损伤演化的影响(11和损伤混凝土的特点12]。

混凝土冻融循环造成的损害主要包括弗罗斯特裂纹和表面剥蚀。弗罗斯特在混凝土开裂引起的水冻结孔严重降低混凝土的力学性能,包括弹性模量、抗压强度、抗拉强度,导致危及结构安全的(13]。混凝土实验表明,混凝土的强度随冻融周期的增加(14,15]。因此,混凝土抵抗冻融的方法已经被学者研究,结果表明,添加粉煤灰和矿粉在混凝土抵抗冻融环境16- - - - - -19]。

的持续发展研究混凝土的抗冻耐久性在物质层面上,它已成为一个热点研究的工作机理和损伤模型在冻融环境混凝土结构。

混凝土损伤力学理论的基础上,刘(20.)建立了混凝土耐久性损伤本构模型,分析混凝土耐久性疲劳损伤的累积开发过程的概率方法,并提出了混凝土损伤演化参数威布尔分布模型。结合混凝土的损伤程度的理论和实验数据,宁(21)建立了混凝土损伤程度之间关系的回归方程和冻融循环的数量,进行回归分析和裂缝预测回归模型的断裂韧性冻融作用下。基于各向同性连续损伤力学理论,霁et al。22考虑了弹性模量和泊松比损伤条件下作为变量,建立了混凝土冻融损伤失效准则和混凝土冻融损伤本构模型基于Ottosen的理论模型,这是意识到通过编制有限元程序。傅(23]介绍了损伤因子( )作为失败的预应力混凝土结构的基础。刘等人。24]研究了冻融循环对纤维增强混凝土材料的破坏特征,分析了mesomechanism纤维增强混凝土的冻融破坏。此外,他们建立了纤维增强混凝土的冻融损伤本构模型。程的帮助下快速冻融循环测试,和高25]研究了聚丙烯纤维增强混凝土的冻融破坏特征,分析了聚丙烯纤维增强混凝土的冻融破坏机制。此外,他们建立了聚丙烯纤维增强混凝土的强度损伤模型的作用下冻融循环。

综上所述,可以发现有许多研究成果在单因素环境条件下混凝土的损伤机制(如冻融环境和腐蚀环境)在国内外和许多损伤模型已经建立。然而,很少有研究混凝土的破坏机理的影响下多个环境因素。本文研究混凝土的力学性能的变化的共同作用下,冻融和腐蚀环境和建立损伤演化和海洋腐蚀和冻融环境下的混凝土本构模型。最后,基于混凝土损伤模型、纵向位移的变化规律,横向变形,和失败的海洋腐蚀和冻融环境下的混凝土桩与时间进行了研究。

2。实验

2.1。实验样品

42.5级普通硅酸盐水泥生产的徐州中联水泥工厂中使用这个测试。粗骨料粒径的碎石5 ~ 20毫米,细骨料是河沙。掺合料混凝土样本的内容如表所示1。具体的样本大小来测试抗压强度 ,当样本容量测量弹性模量 。24小时后样品分离模具浇注。模具的样品被删除后,刷头发,油和泥浆样品的底部是用钢丝刷清洁。之后,样品放置在一个养护室的温度20°C和95%的相对湿度为28天。

2.2。测试方法

KDS-60快速冻融试验机是用来进行冻融循环的样本,冻融循环的数量是0,30、60和90倍。在一个冻融循环,冻结时间和温度设定为2小时和256 K。混凝土的动态弹性模量和抗压强度测定。

冻融循环后的样品放入腐蚀降解的人工气候环境模拟实验室。样本取出后0 d, 30 d、110 d、190 d、270 d,分别和力学性能进行了测试。

腐蚀环境设置如下:盐雾喷洒腐蚀质量浓度为5%,间歇运行的盐雾喷涂(喷12 h,没有喷12 h),腐蚀和紫外线喷的间隔期间停止使用。

混凝土的动态弹性模量测试通过TD-W18动态弹性模量测试人员在不同的测试阶段。和试样的抗压强度进行了测试以丫- 5000微机控制电液伺服压力试验机。加载速度是基于样品的抗压强度等级,这是每秒0.5 - -0.8 MPa时,试样的抗压强度大于30 MPa。在加载记录相关物理量的值。根据混凝土试件在单轴压缩试验的轴向负荷( )- - -位移( )曲线,结果表明,掺合料混凝土的腐蚀后在不同的时间压力( )和应变( )过程曲线基于方程(1)进一步分析混凝土抗压强度与混凝土弹性模量随着腐蚀时间的变化规律。 在哪里样本的初始横截面积是初始样品的高度。

2.3。测试结果

2.3.1。混凝土的抗压强度

从图可以看出1混凝土的抗压强度腐蚀后30天增加4.21%时,冻融循环( )30倍,相比之下,未受腐蚀的混凝土。当腐蚀时间从30到110 d,增加混凝土的抗压强度变化从65.3 MPa为76.8 MPa,增加了约7.62%。在那之后,混凝土的抗压强度随腐蚀时间的增加而减小。混凝土的抗压强度变化从76.8 MPa为66.7 MPa,减少约13.04%,腐蚀时间变化从110 d - 190 d。当腐蚀时间的增加从190 d - 270 d,混凝土的抗压强度下降6.74%,从66.8 MPa减少到62.3 MPa。

60次冻融循环时,混凝土的抗压强度腐蚀后30天内增加了约2.61%,相比之下,未受腐蚀的混凝土。当腐蚀时间从30到110 d,增加混凝土的抗压强度变化从61.3 MPa为73.9 MPa,增加了约20.56%。后,混凝土的抗压强度与腐蚀时间的增加开始减少。过程中增加了腐蚀时间从110 d - 270 d,混凝土的抗压强度降低了3.06%,从73.9 MPa 71.6 MPa。

在90次冻融循环的情况下,混凝土的抗压强度略有增加(~ 3.06%)腐蚀后30天,相比之下,未受腐蚀的混凝土。当腐蚀时间从30到110 d,增加混凝土的抗压强度变化从60.7 MPa为68.3 MPa,增加了约12.42%。后,混凝土的抗压强度开始下降,腐蚀时间的增加,这是类似于前面的情况。在腐蚀时间从110 d - 190 d,混凝土的抗压强度下降22.87%,从68.3 MPa 52.6 MPa。和混凝土的抗压强度从52.6 MPa减少到51.2 MPa(减少2.66%),随着腐蚀时间的增加从190 d - 270 d。

2.3.2。混凝土的弹性模量

图2显示了混凝土弹性模量的变化曲线和腐蚀时间下不同冻融循环。30次冻融后腐蚀,腐蚀混凝土的弹性模量30 d稍微增加1.17%,从63.3绩点64.0的绩点,比未受腐蚀的混凝土。当腐蚀时间从30到110 d,增加混凝土的弹性模量变化从64.0绩点72.1的绩点,增加了12.51%。然而,混凝土的弹性模量降低从72.1绩点64.5绩点的过程中增加了腐蚀时间从110 d - 190 d,这减少了约10.47%。弹性模量继续减少11.7%,从64.5降低平均绩点57.0的绩点,腐蚀时间的增加从190 d - 270 d。

60次冻融的腐蚀,混凝土的弹性模量略有增加4.23%后30 d腐蚀,比未受腐蚀的混凝土。当腐蚀时间从30到110 d,增加混凝土的弹性模量变化从46.4绩点52.5的绩点,这就增加了13.19%。之后,混凝土的弹性模量与腐蚀时间的增加开始减少。在腐蚀时间从110 d - 190 d,混凝土的弹性模量降低了1.65%,从52.5的绩点51.6的绩点。而混凝土的弹性模量降低从51.6绩点47.2的绩点,减少约8.60%,增加腐蚀时间从190 d - 270 d。

为90次,冻融后混凝土的弹性模量腐蚀30 d和未腐蚀的混凝土相比几乎没有变化。当腐蚀时间的增加从30到110 d,混凝土弹性模量的增加从49.4绩点60.0的绩点,这就增加了9.41%。然而,混凝土的弹性模量降低了12.76%,从54.0绩点47.1绩点的过程中增加了腐蚀时间从110 d - 190 d。当腐蚀时间从190 d - 270 d,增加混凝土的弹性模量降低从47.1绩点46.2的绩点,减少了约1.21%。

从上面的分析可以看出,冻融和腐蚀环境对混凝土材料的强度有影响。海洋环境中氯离子的含量远远高于其他物质,和氯离子对钢筋混凝土造成的损害是显而易见的。氯离子侵入到混凝土钢筋的腐蚀加速。目前,解释造成的损害机制对混凝土氯离子可以总结如下:当氯离子参与化学反应,氢氧化钙将解散,因此钙是解决水泥浆。因此,早期的腐蚀,混凝土将由水化作用和腐蚀产品,及其微观结构改进,混凝土的强度提高。随着腐蚀的进行,腐蚀产物继续积累和扩张,而氢氧化钙继续分离,导致混凝土的微观结构损伤和强度下降。

混凝土冻融损伤是致命的。自由水在混凝土孔隙形成疲劳应力的共同作用下,膨胀压力和渗透压下交替积极的和消极的温度,导致混凝土的破坏从表面到内部,降低了混凝土的力学性能。从测试结果可以看出,拌混凝土冻融后的强度为60和90倍而不腐蚀明显低于混凝土冻融,表明混凝土损坏。然而,混凝土强度的变化与腐蚀时间60次冻融后显然是不同于90次冻融后,因为腐蚀的正面影响大于负面影响冻融的60倍。然而,腐蚀的积极效应小于冻融的负面影响混凝土冻融的90倍,而腐蚀的积极的影响小于冻融的负面影响混凝土冻融的90倍。

3所示。混凝土的损伤演化与外加剂混合

3.1。单轴压缩下的混凝土损伤演化模型

割线弹性模量的变化用于定义损伤变量的腐蚀和冻融循环后混凝土: 在哪里的割线弹性模量是线性弹性阶段,是一种无损的材料和的瞬时割线弹性模量是混凝土的损伤。

根据混凝土在单轴压缩下的测试数据,割线模量和瞬时线弹性阶段的割线模量与不同的冻融循环和单轴压缩环境下腐蚀时间可以获得。瞬时损伤变量值可以从方程(计算2)。损伤变量的离散值拟合得到损伤变量的变化的表达与单轴压缩下的变形后不同冻融循环和腐蚀时间;即混凝土在单轴压缩下的损伤演化模型得到如下: 不同的冻融循环和腐蚀时间,参数的值 , , ,和如表所示2- - - - - -5。

通过建立参数之间的函数关系, , , ,和 ,和冻融循环的数量和腐蚀时间,混凝土在单轴压缩下的损伤演化模型考虑冻融循环和腐蚀时间可以建立。假设如下: 水下的方程(4)到损伤演化模型,混凝土的单轴压缩损伤演化模型考虑冻融循环和腐蚀时间的数量如下: 每个参数的作用和冻融循环在哪里和腐蚀时间可以通过拟合离散建立每个参数的测量值,方程(所示6)方程(9)。 参数的拟合系数在哪里 , , ,和如表所示6。

3.2。单轴压缩下的混凝土损伤本构模型

根据等效应变的假设,

也就是说,

在这里, , , , ,和名义应力张量,有效应力张量,应变张量,弹性模量矩阵,分别和损伤矩阵。

在单轴压缩的情况下,

后用方程(5)方程(12),它可以获得以下:

当建立混凝土在单轴压缩下的本构模型考虑冻融循环和腐蚀时间的数量,有必要考虑弹性模量的变化在不同冻融循环和腐蚀时间的数量。代入方程 在方程(13)获得混凝土损伤本构模型考虑冻融循环和腐蚀时间的数量, 弹性模量和冻融循环的功能在哪里和腐蚀时间可以通过拟合离散建立弹性模量的测量值,方程(所示15)。

在这里,弹性模量的拟合系数如表所示7。

基于上面的混凝土损伤本构模型,混凝土在单轴压缩下的理论应力-应变曲线。数据3,4,5显示对比实验应力-应变曲线和理论曲线的混凝土单轴压缩后30、60、90次冻融循环和不同腐蚀时间,分别。它可以得出结论,该本构模型可以描述混凝土在单轴压缩下的应力-应变关系下冻融和腐蚀环境。

4所示。混凝土的损伤演化桩与外加剂混合

4.1。项目背景

高层建筑桩帽是一种常见的混凝土桩结构,广泛应用于实际工程。图6是一个高层的结构图在连云港地区码头桩帽。可以看出,桩基础的一部分进入地面,而浸在海水的一部分,另一部分是暴露在空气中。

连云港港口地区是一个温暖的温带气候类型。每个月的平均温度范围从1.5°C到27.4°C,最高的和最低的8月1月。月平均最高温度为29.9°C,和平均最低温度是-1.4°C (26]。所以,连云港港口地区的混凝土结构不仅影响海洋腐蚀环境也是由冻融。因此,借助数值计算,这部分的损伤和破坏过程分析高层建筑桩帽混凝土桩的成员结构作用下的海洋腐蚀和冻融环境。

4.2。模型建立

4.2.1。准备大小的圆形桩和钢筋混凝土

桩,位于海平面上方和下方2 m图6,作为数值模型在本节中,和混凝土桩的尺寸和配筋图如图所示7。

尺寸单位在图7在mm。桩直径600毫米,箍筋直径6毫米,间隔为200毫米。保护层的厚度是50毫米,纵向钢筋直径是14毫米。

4.2.2。数值模型和边界条件

基于COMSOL软件多重物理量,创建圆形桩的数值模型,并建立了损伤演化模型和损伤本构模型也嵌入到软件中。圆形桩的边界条件如图8。上表面受到静载荷 ,并给出底部滑动支座,而位移方向是有限的。由于对称性在这个模型中,四分之一的桩基础作为数值计算模型为了方便计算,数值计算的几何图所示9。

4.3。材料表征

4.3.1。加速退化特征的混凝土弹性模量在冻融和腐蚀

这里,混凝土弹性模量的加速退化模型冻融和腐蚀的作用下被定义为产品的退化模型,混凝土弹性模量在冻融和腐蚀下混凝土弹性模量的退化模型,即 在哪里冻融试验的数量,后混凝土的弹性模量次冻融试验,混凝土的初始弹性模量,后的弹性模量是混凝土腐蚀的时间吗 。

4.3.2。加速退化特征的混凝土强度在冻融和腐蚀

这里,加速退化模型,混凝土强度在冻融和腐蚀被定义为混凝土强度的退化模型的产物在冻融和腐蚀下混凝土强度的退化模型,即 在哪里冻融试验的数量,后的混凝土强度吗次冻融试验,是最初的混凝土强度,腐蚀后的混凝土强度的时间吗 。

4.3.3。其他特征的材料

C60混凝土的强度等级,Q235钢棒。其他主要参数和变量用于数值模拟如表所示8。

4.4。仿真结果

4.1.1。混凝土桩的截面应力

图10显示•冯•米塞斯应力分布和变形图的中间部分圆桩10,20、30和40。从图可以看出10本节的纵向位移分布不均匀。强化附近的应力值较大,这主要是由于钢筋的应力集中。早期阶段的腐蚀,外缘附近的地方是主轴承。腐蚀时间是40时,中心附近的应力相对较大,而在外缘应力很小,表明混凝土在外缘几乎失去了承载能力,和轴承体成为内部混凝土。

10/24/11。失败的混凝土桩状态

内部和外部的伤害和失败国家的圆形桩的10,20、30和40如图11,红色部分代表了受损区域。从图可以看出11没有发生破坏时混凝土桩时间是10。当时间增加到20,故障区域开始出现外缘附近的主体顶部混凝土表面,包括纵向钢筋的位置。在30,失败区域横向和纵向扩展,并进一步桩的承载力降低。当时间是40,几乎整个地区受损,桩失去承载力。一旦发生失败的混凝土桩,失败率增加迅速。混凝土桩更为严重的损伤时间约为30。

5。结论

(1)混凝土的单轴抗压强度和弹性模量耦合冻融和腐蚀环境下实验研究。结果表明,抗压强度和弹性模量的特点,首先增加,然后随着腐蚀时间的增加(2)基于宏观损伤力学理论和混凝土的单轴压缩试验数据,破坏海洋腐蚀和冻融环境下的混凝土本构模型。单轴压缩应力-应变曲线的理论结果与实验(3)基于COMSOL软件和建立损伤演化模型和多重物理量损伤本构模型,应力分布和失败的混凝土桩是建立。失败的结果表明,地区开始出现在列的外缘的顶面混凝土时,时间是20,和整个桩损坏时,时间是40

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

Li Yan承认徐州(没有的关键研究和发展项目。KC18090)。张Lianying支持由中国国家自然科学基金会(51974296号和52074240号)和徐州的创新能力建设计划(没有。KC18241)。支持的马超徐州(没有的关键研究和发展项目。KC20176)。

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