荷載影響結構混凝土中氯離子傳輸機理的多尺度分析

《荷載影響結構混凝土中氯離子傳輸機理的多尺度分析》是依託東南大學，由蔣金洋擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：荷載影響結構混凝土中氯離子傳輸機理的多尺度分析
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：蔣金洋
• 依託單位：東南大學

中文摘要

結構混凝土是一種多尺度條件下的複合材料，藉助多尺度方法與技術來實現對其損傷劣化和氯離子擴散性能的研究是必要的。本項目基於多尺度分析方法和模擬技術以及多孔介質力學理論為基礎，通過建立氯離子在結構混凝土中傳輸的多尺度模型，揭示結構混凝土中不同尺度、不同組分對其氯離子擴散係數的影響機理；依據細觀損傷力學、現代測試和圖像分析技術，建立在荷載（靜載和疲勞荷載）作用下結構混凝土多相細觀力學模型，揭示荷載作用下微結構的演變與巨觀本構之間的關係；基於結構混凝土的多尺度傳輸行為和荷載對結構混凝土的損傷劣化機理,確立合理的損傷變數和評價指標進行荷載(特別是疲勞荷載)與氯鹽耦合作用下結構混凝土損傷劣化的巨觀、微觀試驗方法，分別建立靜載和疲勞荷載作用下結構混凝土中氯離子擴散係數的多尺度模型和壽命預測方法，揭示荷載對氯離子在結構混凝土中傳輸的影響機理。

結題摘要

由於混凝土材料是一種多尺度條件下的複合材料，所以必須藉助多尺度方法與技術來實現對其損傷劣化和氯離子擴散性能的研究。本項目基於多尺度分析方法和模擬技術以及多孔介質力學理論，分析和提煉出一系列結構混凝土多尺度損傷和傳輸的理論問題，揭示了荷載作用下結構混凝土的損傷劣化和氯離子擴散性能演變規律。 首先，根據混凝土微結構特徵尺度的大小，將混凝土劃分為五個層次，各層次因微結構特徵不同採用不同的傳輸模型，通過多尺度過渡法將影響結構混凝土傳輸的主要微結構特徵參數與氯離子有效擴散係數之間建立了定量關係；其次，基於複合材料細觀力學理論和多孔介質理論，建立了含多夾雜的Mori-Tanaka和IDD法預測結構混凝土中氯離子有效擴散係數模型，揭示了夾雜形貌和體分比對有效擴散係數的影響規律和機理；第三， 基於細觀力學理論，初步建立了IDD法預測侵蝕性介質在含損傷混凝土中傳輸的預測模型；第四，以能量和殘餘應變作為損傷變數，將疲勞損傷過程劃分為三個階段，建立了疲勞損傷演變方程；並發現當殘餘變形到達120μ時，能量釋放率急劇增大，材料進入快速破壞階段，並引起了混凝土中氯離子擴散係數的顯著變化，此處可以界定為引起耐久性顯著變化的損傷臨界點；第五，基於CT和納米壓痕微觀試驗和細觀模擬的方法，揭示了水泥淨漿在氯鹽溶液中鈣離子嚴重流失，微結構由密實變為相對疏鬆，微觀力學性能下降。從而揭示了氯鹽溶液對水泥淨漿試樣的溶蝕機理，並將鈣離子流失引起的損傷與疲勞損傷相結合，探索了在疲勞和氯鹽耦合因素作用下，結構混凝土的損傷劣化規律；第六，建立了疲勞載荷與凍融循環耦合作用下結構混凝土耐久性研究新的試驗制度, 提出了混凝土疲勞荷載和凍融耦合作用下損傷耦合係數的計算方法；第七，針對疲勞損傷發展的第二階段, 以殘餘應變為損傷變數，利用循環壽命比等價的關係，藉助殘餘變形的紐帶，建立了疲勞載荷與氯鹽耦合作用下結構混凝土的服役壽命預測方法。從中發現氯鹽與疲勞載荷耦合作用下, 結構混凝土的服役壽命大大縮短。通過本項目研究，揭示了氯鹽和荷載耦合作用下結構混凝土的傳輸規律、損傷機理，取得的結論不僅能揭示結構混凝土微結構的演變和侵蝕性離子（氯離子）傳輸誘發的鋼筋鏽蝕進而導致結構失效的原因，而且為青榮城際鐵路跨雙島港大橋關鍵部位結構混凝土的壽命評估和預測提供理論依據並套用。