摘要： 基于混凝土干濕循環(huán)試驗(yàn)和混凝土細(xì)觀力學(xué)對混凝土在海水侵蝕環(huán)境下力學(xué)性能的變化進(jìn)行了研究?；炷粮蓾裱h(huán)試驗(yàn)方面，采用加速腐蝕試驗(yàn),對混凝土試件和根據(jù)混凝土配比制成的砂漿試件進(jìn)行0次、10次、20次、30次、40次和50次干濕循環(huán),利用大型混凝土靜、動三軸試驗(yàn)系統(tǒng),檢測了海水侵蝕作用對混凝土抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量及應(yīng)力- 應(yīng)變關(guān)系的影響。基于混凝土細(xì)觀力學(xué)理論，對混凝土試塊進(jìn)行了細(xì)觀數(shù)值模擬，考慮了混凝土各組成相的非均勻性，各組成相的材料性質(zhì)按照Weibull分布來賦值，同時(shí)為反映海水侵蝕作用對混凝土的影響，砂漿的強(qiáng)度和彈性模量均以砂漿干濕循環(huán)試驗(yàn)所得結(jié)果為準(zhǔn)。建立了混凝土隨干濕循環(huán)次數(shù)變化的抗壓強(qiáng)度折減模型：F=53.789e-0.0117N,抗拉強(qiáng)度折減模型：F=5.3794e-0.01N和彈性模量的折減模型：E=64.735e-0.0191N。
關(guān)鍵詞：混凝土；抗侵蝕性；人工海水；細(xì)觀數(shù)值模擬；加速腐蝕試驗(yàn)；
0. 引言
眾所周知,混凝土在海洋與沿海、道路除凍鹽、鹽堿地、工業(yè)鹽環(huán)境中會發(fā)生侵蝕破壞,這種破壞的主要原因是混凝土遭受環(huán)境中氯離子、鎂離子和硫酸根的侵蝕,這些有害離子通過混凝土孔隙進(jìn)入到內(nèi)部,并與混凝土中的氫氧化鈣及水化鋁酸鈣作用生成新的鹽類物質(zhì),生成的難溶鹽類物質(zhì)往往產(chǎn)生較大的體積膨脹,在孔隙的內(nèi)部產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力,長期的積累會使混凝土開裂;一些可溶性的鹽在海水的反復(fù)沖刷下溶解析出,使混凝土孔隙率增加,增大了氯離子滲入混凝土內(nèi)部的孔道,加劇了鋼筋銹蝕,并使混凝土漲裂剝落。另外,如果水灰比控制不嚴(yán),施工質(zhì)量較差,混凝土振搗不密實(shí),甚至出現(xiàn)蜂窩麻面等現(xiàn)象,這些都會加劇鹽溶液環(huán)境對混凝土的侵蝕,使結(jié)構(gòu)變得松軟,強(qiáng)度降低,耐久性下降[2]。
目前，關(guān)于混凝土經(jīng)海水侵蝕作用后力學(xué)性能變化的研究較少，而基于混凝土細(xì)觀力學(xué)對混凝土在海水侵蝕作用后的數(shù)值分析的研究還未見相關(guān)報(bào)道。文獻(xiàn)[2-4]通過加速腐蝕試驗(yàn)研究了普通硅酸鹽水泥和礦渣硅酸鹽水泥在海水侵蝕后物理力學(xué)性能的變化，但沒有進(jìn)行混凝土細(xì)觀力學(xué)方面的分析。文獻(xiàn)[6]分析了不同界面參數(shù)、不同砂漿損傷參數(shù)、不同加載形式對混凝土試件的變形特點(diǎn)、破壞形式以及承載能力的影響，探討了混凝土宏觀力學(xué)性能(如應(yīng)變軟化和剪脹等性質(zhì))的細(xì)觀機(jī)制。文獻(xiàn)[7]研究了主要力學(xué)參數(shù)的隨機(jī)分布對混凝土試件宏觀表征力學(xué)性質(zhì)的影響。以上研究均沒有將試驗(yàn)和數(shù)值分析結(jié)合起來，也沒有通過細(xì)觀數(shù)值分析研究混凝土受海水侵蝕的影響。
本文通過將混凝土干濕循環(huán)試驗(yàn)和細(xì)觀力學(xué)分析相結(jié)合，建立了海水侵蝕作用下混凝土力學(xué)性能退化模型，對混凝土受海水侵蝕作用影響的研究方面具有一定的參考價(jià)值。
1. 混凝土干濕循環(huán)試驗(yàn)
進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)的混凝土試件規(guī)格為100mm×100mm×100mm。 試件均采用標(biāo)準(zhǔn)鋼模成型,24h拆模后露天蓋草袋養(yǎng)護(hù)。表1為每立方米混凝土的配合比及性能指標(biāo)。
為了在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行有效的試驗(yàn),本試驗(yàn)采用人工海水作為侵蝕液,配制5倍于海水濃度的侵蝕液,稱為人工海水。人工海水中各種鹽含量見表2。
混凝土力學(xué)性能試驗(yàn),是在大型三軸電液伺服試驗(yàn)機(jī)上完成的。試驗(yàn)時(shí),將試件安裝在試驗(yàn)機(jī)的加載板間,試件加載面與加載板之間采取減摩措施,減摩材料采用塑料薄膜和甘油。每種工況至少試驗(yàn)3個(gè)試件,當(dāng)發(fā)現(xiàn)離散較大時(shí),增加試件數(shù)目,以求數(shù)據(jù)的完整準(zhǔn)確, 試件承受的壓力、位移和應(yīng)變值均由計(jì)算機(jī)動態(tài)采集。
1.1試塊單軸劈裂抗拉試驗(yàn)
混凝土立方體劈裂抗拉強(qiáng)度按下式計(jì)算：
混凝土隨不同干濕循環(huán)次數(shù)變化的抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，混凝土的破壞情況如圖1所示。
本試驗(yàn)采用實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)方法,即按不同水灰比制備100mm×100mm×100mm的混凝土試件,將成型試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)28天。到56天齡期開始浸—烘循環(huán)。為了減少試驗(yàn)結(jié)果的離散性,分別將循環(huán)試件全部浸泡在人工海水溶液中16小時(shí),然后拿出置于80℃條件下烘8小時(shí)為一個(gè)循環(huán),如此反復(fù)循環(huán),在此期間每間隔10次分別測定試件的抗壓和抗拉強(qiáng)度。
1.2試塊單軸壓縮試驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)所得混凝土在單軸壓縮載荷作用下隨不同干濕循環(huán)次數(shù)變化的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，混凝土單軸受壓后破壞情況如圖3所示。
2. 混凝土細(xì)觀力學(xué)分析
2.1混凝土數(shù)值模型
基于混凝土細(xì)觀力學(xué)，利用RFPA 數(shù)值模擬軟件，把混凝土視為由砂漿基質(zhì)骨料以及兩相之間界面組成的三相復(fù)合材料。為了考慮各組成相的非均勻性,各組成相的材料性質(zhì)按照Weibull 分布來賦值。首先,用一個(gè)Weibull 分布來表達(dá)整個(gè)試樣的材料性質(zhì)分布, 這相當(dāng)于生成砂漿基質(zhì)試樣,該試樣的力學(xué)性質(zhì)要與真實(shí)的硬化水泥砂漿體的參數(shù)基本一致。然后,在該基質(zhì)試樣中添加骨料顆粒,程序會自動搜索骨料的邊界并把邊界上的單元賦上相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)。骨料的參數(shù)參照巖石的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)選取，對于普通混凝土，骨料的強(qiáng)度相對于砂漿基質(zhì)的強(qiáng)度較高，并且其均值度也較高。砂漿的參數(shù)參照依據(jù)混凝土配比制成的砂漿試件的干濕循環(huán)試驗(yàn)所得到的結(jié)果進(jìn)行賦值。界面的參數(shù)沒有現(xiàn)成的試驗(yàn)依據(jù)，參數(shù)取值參考文獻(xiàn)[1]。
為了反映海水侵蝕作用對混凝土性能的影響，根據(jù)混凝土的配比制成了砂漿試件并對其進(jìn)行了10次、20次、30次、40次和50次的干濕循環(huán)試驗(yàn)，在干濕循環(huán)后分別進(jìn)行了劈裂抗拉試驗(yàn)和單軸壓縮試驗(yàn)測得了其抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和彈模。利用式（2）和式（3）得到了數(shù)值模擬時(shí)砂漿基質(zhì)在Weibull分布賦值時(shí)的彈性模量和強(qiáng)度的均值，見表5。
2.2細(xì)觀單元的彈性損傷本構(gòu)關(guān)系
一般認(rèn)為，混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線的非線性是由于其受力后的不斷損傷所引起的微裂紋萌生和擴(kuò)展造成的，而不是由于其塑性變形引起。因次，用彈性損傷力學(xué)的本構(gòu)關(guān)系來描述混凝土的細(xì)觀單元的力學(xué)性質(zhì)是合適的。按照應(yīng)變等價(jià)原理，認(rèn)為應(yīng)力σ 作用在受損材料上引起的應(yīng)變與有效應(yīng)力作用在無損材料上引起的應(yīng)變等價(jià)。根據(jù)這一原理，受損材料的本構(gòu)關(guān)系可通過無損材料中的名義應(yīng)力得到，即
σ =Eo(1−D)ε （4）
式中:Eo為初始彈性模量;D 為損傷變量。
2.2.1拉伸損傷演化方程
單軸拉伸應(yīng)力狀態(tài)下，細(xì)觀單元的彈性損傷本構(gòu)關(guān)系如圖4所示。相應(yīng)地，損傷的定量表達(dá)式為（5）。
式中: ftr是單元的殘余強(qiáng)度；εto是彈性極限所對應(yīng)的拉伸應(yīng)變，該應(yīng)變可以叫做拉伸損傷應(yīng)變閾值；εtu是單元的極限拉伸應(yīng)變，當(dāng)單元單軸拉伸應(yīng)變達(dá)到極限拉伸應(yīng)變時(shí)，單元將完全損傷，達(dá)到拉伸斷裂（破壞）狀態(tài)，即D =1。
2.2.2壓縮剪切損傷演化方程
為了反映細(xì)觀單元在壓縮或剪切應(yīng)力下的損傷，這里選擇摩爾庫倫準(zhǔn)則作為第二個(gè)損傷閾值判據(jù)。
抗壓強(qiáng)度（為正數(shù)）；σ1和σ3分別為細(xì)觀單元的最大和最小住應(yīng)力值。
式中：εco為單元應(yīng)力達(dá)到抗壓強(qiáng)度時(shí)的壓應(yīng)變；εcu為極限壓應(yīng)變，取定值為0.0033。當(dāng)應(yīng)變達(dá)到極限壓應(yīng)變時(shí)，單元的剛度將急劇退化為接近于0 矩陣的矩陣[9]。
2.3數(shù)值模擬
建立100mm×100mm混凝土試件的隨機(jī)骨料(斷面骨料填充率為40；骨料的粒徑范圍為5～20mm，規(guī)格比例為：5～10:10～20=30:70)細(xì)觀數(shù)值模型，并把它剖分為0.5mm×0.5mm的有限元網(wǎng)格。
2.3.1拉伸損傷破壞
混凝土在劈拉載荷作用下隨不同干濕循環(huán)次數(shù)變化的抗拉強(qiáng)度的數(shù)值模擬結(jié)果如表6所示，混凝土破壞情況如圖6所示。
2.3.2壓縮損傷破壞
混凝土在單軸壓縮載荷作用下隨不同干濕循環(huán)次數(shù)變化的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的數(shù)值模擬結(jié)果如圖7所示，混凝土單軸受壓后破壞情況如圖8所示。
通過表3 與表6 混凝土抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)值與計(jì)算值的對比，圖1 與圖6 混凝土單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線的對比以及圖1、3 與圖6、8 裂紋產(chǎn)生、發(fā)展和貫通情況的對比可以發(fā)現(xiàn)基于混凝土細(xì)觀力學(xué)進(jìn)行數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果與混凝土干濕循環(huán)試驗(yàn)所得的試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。
3. 混凝土在海水侵蝕作用后的力學(xué)性能退化模型
通過以上混凝土干濕循環(huán)試驗(yàn)和混凝土細(xì)觀力學(xué)分析，將得到的混凝土在不同干濕循環(huán)次數(shù)下的極限抗壓強(qiáng)度、極限抗拉強(qiáng)度和彈性模量的試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了整合，利用計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的互補(bǔ)性，得到了混凝土隨干濕循環(huán)次數(shù)變化的抗拉強(qiáng)度折減曲線、抗壓強(qiáng)度折減曲線和彈性模量折減曲線以及相應(yīng)的的折減方程。
通過最小二乘法得到的混凝土隨干濕循環(huán)次數(shù)變化的抗拉強(qiáng)度折減方程（8）及相應(yīng)的抗拉強(qiáng)度折減曲線如圖8：
通過最小二乘法得到的混凝土隨干濕循環(huán)次數(shù)變化的抗壓強(qiáng)度折減方程（9）及相應(yīng)的抗壓強(qiáng)度折減曲線如圖9：
通過最小二乘法得到的混凝土隨干濕循環(huán)次數(shù)變化的彈性模量折減方程：
4. 結(jié) 論
通過本文的試驗(yàn)研究和細(xì)觀力學(xué)分析，可以得到以下結(jié)論：
（1）混凝土在單軸壓荷載作用下的極限拉應(yīng)力、極限壓應(yīng)力和彈性模量隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加逐漸降低，50次干濕循環(huán)以后抗拉強(qiáng)度降低約40.4%，抗壓強(qiáng)度降低約33.4%，彈性模量降低約60.8%；
?。?）由數(shù)值模擬得到的虛擬試驗(yàn)結(jié)果與真實(shí)結(jié)果的誤差在允許范圍內(nèi)，而且由模擬單軸抗拉、抗壓所得到的混凝土的開裂位置、開裂方向和應(yīng)力-應(yīng)變曲線等情況均與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好；
（3）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果，建立了混凝土隨干濕循環(huán)次數(shù)變化的抗壓強(qiáng)度折減模型：
F=53.789e-0.0117N,抗拉強(qiáng)度折減模型：F=5.3794e-0.01N和彈性模量的折減模型：E=64.735e-0.0191N;
?。?）本文著重從混凝土細(xì)觀力學(xué)的角度研究海水侵蝕作用對混凝土力學(xué)性能的影響，通過與試驗(yàn)結(jié)果的比較可知，該種方法對混凝土受海水侵蝕作用的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合，對混凝土受海水侵蝕作用影響的研究方面具有一定的參考價(jià)值;
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