荷載和化學腐蝕作用下混凝土本構(gòu)關系研究

徐國強 黑智濤 劉玲玉

（1.華北理工大學建筑工程學院 河北唐山 063009 2.河北省地震工程研究中心 河北唐山 063009）

引言

對某一工程而言，它往往是在力學因素和環(huán)境因素的雙重或多重損傷耦合作用下服役的，其服役壽命絕非僅靠單一環(huán)境因素試驗模擬而得到的損傷劣化規(guī)律所能確定[1]?；炷敛牧鲜欠蔷|(zhì)的，自身存在不均勻缺陷和微裂縫，在服役期內(nèi)可能要承受荷載和腐蝕環(huán)境的雙重或多重作用，這種力學因素和環(huán)境因素交互作用的最后結(jié)果往往會使這些不均勻性缺陷和微裂縫進一步發(fā)展，使腐蝕離子更易進入混凝土，從而加速混凝土結(jié)構(gòu)的損傷劣化，導致結(jié)構(gòu)的服役壽命縮短?；炷恋膽?應變關系全面地反應了各個受力階段的變形特點和破壞全過程[2]，是研究混凝土結(jié)構(gòu)承載力和變形的重要依據(jù)，受荷載和化學腐蝕作用的混凝土，其強度、內(nèi)部密實程度以及表觀形態(tài)均會發(fā)生一定變化，必然對混凝土本構(gòu)關系產(chǎn)生一定的影響。目前對混凝土本構(gòu)關系的研究往往只是針對單一因素的作用，并不能完全符合工程所處的實際環(huán)境，因此，研究荷載和化學腐蝕作用下混凝土的本構(gòu)關系，對分析混凝土結(jié)構(gòu)的承載力和壽命周期有著重要的工程實用價值。本文結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分析了荷載和化學腐蝕單獨作用下以及二者耦合作用下混凝土本構(gòu)關系的研究成果和進展情況，研究顯示，目前對荷載和化學腐蝕作用下混凝土本構(gòu)關系的理論和試驗研究還不夠全面，尤其是二者耦合作用下混凝土本構(gòu)關系還需要深入研究。

1 單因素環(huán)境作用下混凝土本構(gòu)關系

1.1 荷載作用下混凝土本構(gòu)關系研究

實際工程中結(jié)構(gòu)可能會承受包括自重在內(nèi)的多重荷載作用，如持續(xù)荷載、荷載的高速（沖擊）作用、疲勞荷載作用等。荷載的大小和種類的不同，都會對混凝土應力-應變關系有一定程度的影響。Chindaprasirt[3]的試驗研究表明持續(xù)荷載作用下的混凝土強度有少量的增加，剛度增大的較多，而循環(huán)荷載作用使混凝土強度有少量的減少，剛度減小很多，但是在重荷載作用下，不論持續(xù)荷載還是循環(huán)荷載都會減小混凝土的峰值應力。Choo[4]建立了一種使用改進的拋物線和線性方程的長期荷載下混凝土應力-應變模型，這種模型考慮了混凝土在長期荷載作用下的徐變和收縮效應，能夠與真實的混凝土應力-應變曲線相吻合。

由于混凝土是一種率敏感性材料，相比靜載，動載下混凝土的強度、彈性模量等力學性能都有相應的提高，尤其是在強沖擊荷載下，材料特性發(fā)生了很大的變化，而大多數(shù)試驗研究多從宏觀層面展開，且試驗結(jié)果離散度較大，張守麗[5]認為從細觀層次上對混凝土各相材料賦予不同的本構(gòu)模型能夠更清楚的掌握沖擊荷載下的混凝土本構(gòu)關系?，F(xiàn)今對早齡期混凝土在動載下的本構(gòu)關系研究較少，王世鳴[6]分析了沖擊荷載對早齡期混凝土的抗壓強度、彈性模量、變形和吸能的影響，建議在實際工程中，混凝土養(yǎng)護齡期7d以前要嚴格控制外界擾動荷載，盡量控制在相對齡期臨界入射能的50%以下，降低外界荷載對混凝土后期的力學性能的影響。相比一般靜載和沖擊荷載，疲勞荷載作用下混凝土應力-應變關系的研究更加復雜，目前能準確又簡易的模擬疲勞荷載下混凝土本構(gòu)關系的模型并不多，朱勁松[7]建立的混凝土在疲勞加載下的損傷本構(gòu)模型，能夠較好的模擬疲勞加載過程中混凝土的強度和剛度衰減規(guī)律。

1.2 化學腐蝕作用下混凝土本構(gòu)關系研究

目前研究混凝土的化學腐蝕有強酸、有機物、無機鹽、微生物等，化學腐蝕作用下混凝土強度、密實程度以及表面狀態(tài)均會發(fā)生一定程度的變化[8]?，F(xiàn)如今，國內(nèi)對化學腐蝕作用下混凝土本構(gòu)關系研究多以硫酸鹽腐蝕為主?；炷猎馐芰蛩猁}侵蝕破壞的實質(zhì)是硫酸鹽環(huán)境中的侵蝕性離子進入混凝土內(nèi)部，與水泥中的一些組分發(fā)生物理化學反應，生成膨脹產(chǎn)物，并分解水泥中的重要組分，造成混凝土肉眼可見的開裂、剝落等現(xiàn)象，其強度下降，脆性增大[9]。硫酸鹽腐蝕環(huán)境下混凝土峰值應力和彈性模量隨著齡期的增長呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，而峰值應變是先稍有減小后急劇增大[10，11]，腐蝕程度越嚴重，混凝土在加載過程中剝落現(xiàn)象越明顯[12]。三軸本構(gòu)關系的研究能夠更接近真實工況下受硫酸鹽腐蝕的混凝土，目前對腐蝕混凝土的三軸本構(gòu)關系相關研究不多。陳達[13]對硫酸鈉溶液腐蝕作用下混凝土三軸受壓本構(gòu)關系的試驗研究發(fā)現(xiàn)：硫酸鈉濃度對混凝土受壓破壞的宏觀裂縫的角度沒有顯著影響，宏觀裂縫角度主要受圍壓水平大小的影響；溶液濃度對混凝土的應力-應變曲線影響較大，這與文獻[10]和[11]的結(jié)論基本相似。目前研究人員采用的加速腐蝕試驗由于環(huán)境條件、試驗條件的變化會使試驗結(jié)果的離散性很大。劉漢昆等[14]建立了受腐蝕混凝土的細觀本構(gòu)關系，并建議通過采用數(shù)值模擬與試驗相結(jié)合的方式獲得真正意義上的受腐蝕混凝土本構(gòu)關系。

現(xiàn)如今，很多學者應用損傷力學理論，研究混凝土因內(nèi)部微觀缺陷的產(chǎn)生和發(fā)展所引起宏觀力學性能改變的過程和規(guī)律，所建立的損傷本構(gòu)模型可有效的反映混凝土受損程度，對化學腐蝕作用下混凝土本構(gòu)關系研究具有重要的意義。翟運瓊[15]建立了兩段式的受硫酸鹽侵蝕混凝土的單軸受壓本構(gòu)模型，上升段曲線基于損傷的微觀統(tǒng)計模型，引入了腐蝕時間參數(shù)，下降段運用連續(xù)損傷力學理論導出方程，該模型與試驗數(shù)據(jù)比較吻合。高潤東[16]考慮了混凝土的膨脹和強度損傷規(guī)律，基于Mobasher-Tixier模型，引入損傷參數(shù)，建立了考慮微觀機理的混凝土硫酸鹽侵蝕的膨脹破壞模型。

2 多因素環(huán)境共同作用下混凝土本構(gòu)關系

對于實際工程而言，混凝土結(jié)構(gòu)往往是處在力學因素和環(huán)境因素等雙重或多重因素作用下服役，荷載作用往往會加速環(huán)境因素對混凝土的損傷進程，但在環(huán)境影響下產(chǎn)生的物理和化學作用同時存在，則損傷因素有正負效應疊加和交互作用，且往往又會隨著時間進程而演變[1]，因此，多因素作用下的混凝土本構(gòu)關系研究要比單因素復雜的多。曹健[17]對持續(xù)壓荷載、干濕循環(huán)與硫酸鹽侵蝕三種因素共同作用下混凝土的應力-應變關系試驗研究表明：多因素對混凝土應力腐蝕作用會產(chǎn)生或延緩或加速的效應，這主要取決于荷載水平、溶液濃度和腐蝕時間等因素。各環(huán)境之間的相互作用，可能相互促進，也可能相互抑制，而不是簡單的線性疊加，這使試驗研究更加困難、本構(gòu)模型的建立更為復雜，由關博文[18]建立的交變荷載作用和硫酸鹽侵蝕共同作用下道路混凝土損傷本構(gòu)模型可以看出，在考慮硫酸鹽侵蝕引起的膨脹應變同時還要考慮交變荷載作用對混凝土內(nèi)部損傷的累積，作者雖然通過損傷力學的理論建立了損傷本構(gòu)模型，但并沒有驗證該模型的有效性。

混凝土的初始損傷在一定程度上改變了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，對于長期處于腐蝕環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)，其力學性能和損傷演化過程必會受到影響。劉娟紅[19]通過壓荷載作用對混凝土試塊施加了不同程度的初始損傷，試驗表明：有初始損傷的混凝土更易受硫酸鹽腐蝕，初始損傷度越大，腐蝕混凝土受壓應力-應變曲線的初期壓密階段更長，當進入損傷發(fā)展階段，損傷急劇增加，上升段速率更大。邵艷明[20]研究了歷史荷載、干濕循環(huán)與硫酸鹽侵蝕三種因素作用下混凝土應力-應變關系，研究表明：與長期浸泡侵蝕作用相比，荷載歷史所引起的峰值應力降低較明顯，而荷載歷史對混凝土彈性模量的影響不是很顯著，硫酸鈉濃度對混凝土彈性模量有較大影響。逯靜洲[21]認為低比例壓荷載歷史對受硫酸鹽侵蝕混凝土的應力-應變關系影響較小，隨著荷載歷史水平的提高，峰值應力降低，混凝土試件脆性增加。趙力[22]研究了干濕循環(huán)作用下受硫酸鹽侵蝕混凝土的力學性能，試驗在腐蝕40d，即干濕循環(huán)40次后，混凝土的峰值應力和彈性模量就已經(jīng)出現(xiàn)下降的趨勢，同時峰值應變增加，這也說明了干濕循環(huán)對受硫酸鹽侵蝕的混凝土損傷較為顯著。

3 結(jié)語

現(xiàn)如今，混凝土結(jié)構(gòu)的應用領域不斷擴展，各種結(jié)構(gòu)的形狀和受力狀況更加復雜，混凝土的本構(gòu)關系需要更深入的分析研究。從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，在荷載作用下混凝土本構(gòu)關系研究方面，本文綜述的混凝土本構(gòu)關系研究多以單軸受壓為主，而實際工程中還存在著受彎拉的構(gòu)件，且對于混凝土雙軸及三軸本構(gòu)關系相關研究還較少，需要進一步研究。在化學腐蝕作用下混凝土本構(gòu)關系研究方面，鹽溶液的類型比較單一，主要為硫酸鹽侵蝕，實際上還有氯鹽、鎂鹽等腐蝕因素需要開展后續(xù)研究，以彌補這方面的不足。在荷載和化學腐蝕耦合作用下混凝土本構(gòu)關系的研究方面，不同的荷載類型、混凝土強度等級、鹽溶液類型等方面的不同組合對混凝土應力-應變曲線的影響還有待深入研究。

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