荷載作用對混凝土中氯離子擴散行為影響的理論研究

《荷載作用對混凝土中氯離子擴散行為影響的理論研究》是依託北京工業大學，由金瀏擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：荷載作用對混凝土中氯離子擴散行為影響的理論研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：金瀏
• 依託單位：北京工業大學

項目摘要

近海及海洋工程結構的混凝土在服役過程中不僅會經受氯鹽的侵蝕作用，而且還會承受包括風荷載、車輛荷載、波浪荷載甚至地震等荷載的作用。荷載作用會改變混凝土的微/細觀結構形式，甚至產生新的裂紋，改變氯離子的傳輸邊界條件，影響混凝土的滲透擴散特性。本項目擬採用理論解析與數值模擬相結合的方法，結合混凝土微/細觀尺度下的物理和力學特性，建立力學荷載和氯鹽環境耦合作用下混凝土中氯離子擴散特性研究的理論解析模型以及微/細觀多尺度數值分析模型與方法；對比理論解析結果、微/細觀尺度數值模擬結果與現有相關荷載影響的試驗結果，驗證模型與方法的合理性和可靠性；研究荷載載入形式對混凝土中氯離子擴散行為的影響規律，揭示載入水平對混凝土表觀擴散特性的影響機制；建立載入後混凝土中有效氯離子擴散係數與應力水平或損傷因子之間的定量關係。本項目建立的理論和數值方法可為荷載與氯鹽環境耦合作用下混凝土耐久性設計及評估提供理論指導。

結題摘要

近海及海洋工程結構的混凝土在服役過程中不僅會經受氯鹽的侵蝕作用，而且還會承受包括風荷載、車輛荷載、波浪荷載甚至地震等荷載的作用。荷載作用會改變混混凝土土的微/細觀結構形式，甚至產生新的裂紋，改變氯離子的傳輸邊界條件，進而最終影響混凝土的滲透擴散特性。混凝土的擴散滲透性能與其微觀結構密切相關。在微觀尺度上，砂漿和界面過渡區均可視為由無孔砂漿基質和孔隙水夾雜相組成的兩相複合材料，二者的主要區別表現為孔隙率不同。在外荷載作用下，砂漿和界面過渡區的毛細孔隙率及孔隙連通性會發生改變，從而改變混凝土的擴散性能。進而建立了的低應力水平下混凝土中氯離子擴散行為多尺度理論分析方法，獲得了混凝土表觀擴散係數與外荷載及砂漿和界面過渡區當前孔隙率的定量關係。將外荷載作用的影響等效為外荷載引起的混凝土孔隙率的改變對氯離子擴散特性的影響，提出了荷載作用下混凝土氯離子擴散行為研究的細觀分析模型，研究了壓縮荷載對混凝土中氯離子擴散特性的影響，得到了氯離子有效擴散係數與壓縮應力水平之間的關係式，揭示了壓縮應力水平的影響規律。提出了一種統一的考慮裂縫影響的氯離子擴散特性公式，並基於此對開裂混凝土中氯離子的擴散行為進行了巨觀與細觀數值模擬與分析。模擬結果與試驗結果的良好吻合，證實了所提出的定量關係以及數值分析方法的合理性與準確性。模擬結果還表明，開裂混凝土中氯離子的擴散行為不僅與裂縫寬度相關聯，而且與裂縫的深度密切相關。另外發現高強混凝土中氯離子的擴散行為對裂縫更為敏感。為研究角部鋼筋非均勻鏽蝕膨脹引發的混凝土保護層開裂破壞行為，建立了角部鋼筋的非均勻銹脹模型。以施加非均勻徑向位移方式來表征鋼筋銹脹對周圍混凝土的力學作用。基於該方法對鋼筋非均勻鏽蝕引發的混凝土保護層開裂行為進行了細觀數值模擬，對比了巨觀均質模型和細觀非均質模型下不同鋼筋銹脹模式導致的保護層開裂模式；並探討分析了保護層厚度和鋼筋直徑對保護層開裂模式以及鋼筋銹脹壓力的影響規律。在項目的支持下，申請人於2018年度獲得“國家自然科學基金優秀青年基金”項目資助；發表相關的Sci/Ei檢索論文5篇，軟體著作權1項；協助培養碩士生2名，博士生1名。