ASR-氯鹽-硫酸鹽腐蝕協(xié)同作用下混凝土損傷過(guò)程數(shù)值模擬分析

李寒暝

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 831100）

0 引言

當(dāng)前，混凝土材料的結(jié)構(gòu)由于具有造價(jià)低、高性能、施工簡(jiǎn)便的優(yōu)勢(shì)，因此被廣泛應(yīng)用于城市建筑施工、橋梁施工、堤壩施工當(dāng)中，是目前施工領(lǐng)域中最為廣泛的一種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式[1]。但由于其混凝土材料的應(yīng)用范圍以及服役時(shí)間不斷增加，在眾多建筑當(dāng)中，逐漸發(fā)現(xiàn)處于地下水、濱海以及鹽漬土當(dāng)中混凝土結(jié)構(gòu)逐漸出現(xiàn)脫落、銹蝕等損傷問(wèn)題，嚴(yán)重影響建筑的整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量。因此，當(dāng)前相關(guān)領(lǐng)域的研究人員應(yīng)當(dāng)將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到對(duì)復(fù)雜環(huán)境條件下混凝土損傷的問(wèn)題當(dāng)中，并構(gòu)建與之相關(guān)的預(yù)測(cè)體系和實(shí)用性評(píng)價(jià)體系，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。造成混凝土材料受到損傷的主要因素包括：混凝土的碳化、化學(xué)腐蝕、凍融循環(huán)被破壞等[2]。而眾多因素中ASR-氯鹽-硫酸鹽腐蝕協(xié)同作用是造成混凝土材料出現(xiàn)損壞的首要因素，在ASR-氯鹽-硫酸鹽腐蝕協(xié)同作用下引起的混凝土保護(hù)脫落更會(huì)進(jìn)一步加快混凝土被腐蝕的速度。為進(jìn)一步提升混凝土建筑施工的質(zhì)量，需要對(duì)其受到損傷過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確分析，完成數(shù)值模擬，并以此為依據(jù)[3]。基于此，本文開(kāi)展ASR-氯鹽-硫酸鹽腐蝕協(xié)同作用下混凝土損傷過(guò)程數(shù)值模擬分析研究。

1 混凝土損傷過(guò)程數(shù)值模擬方法設(shè)計(jì)

1.1 混凝土材料取樣檢測(cè)

在對(duì)ASR-氯鹽-硫酸鹽腐蝕協(xié)同作用下的混凝土材料損傷過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，第一步是對(duì)數(shù)值模擬樣本進(jìn)行采集。在需要進(jìn)行數(shù)值模擬的區(qū)域上每隔2.5 cm，利用沖擊鉆設(shè)備對(duì)混凝土材料進(jìn)行取樣，將沖擊鉆的直徑設(shè)置為12.5 mm。同時(shí)，還需要對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)表層的骨料進(jìn)行取樣[4]。完成取樣后，第二步需要對(duì)樣本進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)直接觀察的方式，觀察樣本的顏色變化情況、ASR-氯鹽-硫酸鹽腐蝕形狀變化情況以及表面裂紋寬度變化情況。

首先，針對(duì)樣本的顏色變化情況檢測(cè)，通常情況下，當(dāng)混凝土的損傷程度較小時(shí)，混凝土表面的保護(hù)膜會(huì)呈現(xiàn)出較淺的黃褐色，同時(shí)也證明了ASR-氯鹽-硫酸鹽腐蝕現(xiàn)象的存在，但產(chǎn)生的裂紋并沒(méi)有發(fā)展到混凝土外表面上。當(dāng)混凝土的損傷程度逐漸增加時(shí)，混凝土材料已被較多腐蝕掉，混凝土表面的保護(hù)膜呈現(xiàn)出黃褐色，并且表面伴隨著寬度超過(guò)1.5 mm的裂紋產(chǎn)生。

其次，針對(duì)樣本的ASR-氯鹽-硫酸鹽腐蝕形狀變化情況檢測(cè)，若混凝土材料受到損傷，出現(xiàn)ASR-氯鹽-硫酸鹽腐蝕現(xiàn)象時(shí)，取樣得到的樣本形狀一般不會(huì)形成規(guī)則的圓形。將混凝土損傷樣本的幾種形態(tài)進(jìn)行劃分，大致可分為以下幾種：在距離混凝土材料表面較近的位置上出現(xiàn)ASR-氯鹽-硫酸鹽腐蝕現(xiàn)象，腐蝕時(shí)間不斷增加，其腐蝕程度不斷加深，當(dāng)混凝土表層保護(hù)膜變薄后，裂縫的寬度在0.25 mm以上時(shí)，呈現(xiàn)出不規(guī)則的腐蝕坑狀結(jié)構(gòu)；裂縫的寬度在0.75 mm時(shí)，呈現(xiàn)出腐蝕較多且較厚的機(jī)構(gòu)。

最后，針對(duì)樣本的表面裂紋寬度變化情況檢測(cè)，當(dāng)混凝土材料腐蝕量較小時(shí)，則混凝土表面的保護(hù)膜不會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象；當(dāng)混凝土材料腐蝕量達(dá)到一定程度時(shí)，則混凝土表面的保護(hù)膜會(huì)遭到破壞，出現(xiàn)開(kāi)裂的現(xiàn)象[5]。在一定程度范圍內(nèi)，腐蝕量越多，則裂縫的寬度越大；當(dāng)混凝土材料腐蝕量達(dá)到極限時(shí)，裂縫數(shù)會(huì)不斷增加，并逐漸形成1～3條主裂縫，此時(shí)主裂縫的變化與腐蝕量呈現(xiàn)出同步增長(zhǎng)的趨勢(shì)，并且主裂縫的走向與混凝土結(jié)構(gòu)的延長(zhǎng)方向基本一致。

1.2 構(gòu)建混凝土材料細(xì)觀數(shù)值模型

在完成對(duì)ASR-氯鹽-硫酸鹽腐蝕協(xié)同作用下的混凝土材料取樣檢測(cè)后，還需要構(gòu)建混凝土材料細(xì)觀數(shù)值模型，為下一步混凝土損傷過(guò)程中應(yīng)力傳遞細(xì)觀數(shù)值模擬打下基礎(chǔ)[6]。首先，對(duì)混凝土材料在細(xì)觀層次上的組成以及物理力學(xué)特征進(jìn)行分析，研究混凝土材料的級(jí)配理論，并確定在二維平面當(dāng)中模型各個(gè)組成結(jié)構(gòu)的數(shù)量。最后在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建隨機(jī)骨料模型和隨機(jī)纖維模型。在細(xì)觀層次上，模擬混凝土材料的損傷破壞時(shí)，需要構(gòu)建數(shù)值模型才能夠?qū)⒗w維結(jié)構(gòu)和骨料在混凝土結(jié)構(gòu)當(dāng)中的具體分布情況展現(xiàn)[7]。本文采用隨機(jī)骨料和隨機(jī)鋼纖維建模的方法，建立纖維分布、骨料形狀等數(shù)值模型?；炷敛牧现械睦w維體積率可通過(guò)如下計(jì)算公式得出：

公式（1）中，v表示為混凝土材料中的纖維體積率；Wf表示為混凝土材料纖維體積；Wo表示為混凝土材料總體積。針對(duì)同一混凝土結(jié)構(gòu)而言，其規(guī)定模擬投放的纖維尺寸應(yīng)當(dāng)完全相同，因此一個(gè)試件當(dāng)中的所有纖維根數(shù)可進(jìn)一步通過(guò)公式（2）計(jì)算得出：

公式（2）中，N表示為混凝土材料當(dāng)中所有纖維的根數(shù)；M表示為混凝土材料試件的寬度；L表示為混凝土材料試件的高度；H表示為混凝土材料試件中纖維的長(zhǎng)度；r表示為混凝土材料試件中纖維的半徑。根據(jù)上述公式計(jì)算得出混凝土材料試件當(dāng)中的所有纖維數(shù)量，再利用相同的方式計(jì)算得出混凝土材料試件當(dāng)中所有的骨料級(jí)配數(shù)目[8]。將混凝土材料試件的纖維數(shù)量和骨料級(jí)配數(shù)目帶入到整體剛度矩陣當(dāng)中，得出如公式（3）所示：

公式（3）即為混凝土材料細(xì)觀數(shù)值模型。再將該數(shù)值模型進(jìn)行有限元計(jì)算，參照實(shí)際混凝土材料的邊界條件，根據(jù)Weibull分布對(duì)細(xì)觀數(shù)值單元的初始彈性模量進(jìn)行賦值，以此為后續(xù)混凝土損傷過(guò)程中應(yīng)力傳遞細(xì)觀數(shù)值模擬提供數(shù)據(jù)支撐。

1.3 混凝土損傷過(guò)程中應(yīng)力傳遞細(xì)觀數(shù)值模擬

使用上述設(shè)計(jì)的模型，本章選擇單根纖維作為研究對(duì)象，結(jié)合纖維在混凝土損傷過(guò)程中，單根纖維應(yīng)力傳遞中，拔出數(shù)值的處理，完成對(duì)傳遞細(xì)觀數(shù)值模擬[9]。在此過(guò)程中，應(yīng)先考慮到選擇纖維對(duì)象的組織結(jié)構(gòu)，將纖維整體結(jié)構(gòu)看作為混凝土砂漿、基體等組合結(jié)構(gòu)的構(gòu)成體，將細(xì)觀損傷系數(shù)作為理論研究依據(jù)，對(duì)纖維組織結(jié)構(gòu)拔出的瞬間進(jìn)行三維模擬處理，并根據(jù)纖維界面中應(yīng)力的傳遞與組織功能的劃分，確定最終模擬數(shù)值。

為了確保數(shù)值模擬結(jié)果的真實(shí)性，選擇“8”型號(hào)纖維試件作為平面研究對(duì)象。考慮到在混凝土損傷過(guò)程中，纖維表層界面存在一定的非均勻性，因此應(yīng)綜合纖維組織結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，從纖維彈性形變量、抗拉伸能力或強(qiáng)度、剪應(yīng)力強(qiáng)度等層面進(jìn)行分析，要求分析過(guò)程中的相關(guān)數(shù)值應(yīng)滿足Weibull力學(xué)分布需求[10]。綜合多個(gè)組織基體結(jié)構(gòu)的特性，對(duì)纖維拔出過(guò)程中，多個(gè)試件的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。如表1所示。

按照表1所述的相關(guān)數(shù)據(jù)，將纖維的拔出過(guò)程簡(jiǎn)化為三維曲線圖，將界面單元損傷破壞量作為細(xì)觀數(shù)值模擬量。結(jié)合剪應(yīng)力分布情況，選擇曲線峰值點(diǎn)進(jìn)行剪裁，剪裁中輸出加載端損傷剪應(yīng)力值，對(duì)此部分的彈性作用力進(jìn)行檢驗(yàn)。若存在彈性作用力，則需要持續(xù)對(duì)Weibull力學(xué)分布進(jìn)行定位，表明未能完全實(shí)現(xiàn)數(shù)值模擬，若不存在彈性作用力，輸出此區(qū)段數(shù)據(jù)，表明完成對(duì)混凝土損傷過(guò)程中應(yīng)力傳遞細(xì)觀數(shù)值的模擬。

表1 纖維拔出中試件力學(xué)參數(shù)設(shè)定

2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

通過(guò)本文上述論述完成對(duì)ASR-氯鹽-硫酸鹽腐蝕協(xié)同作用下混凝土損傷過(guò)程數(shù)值模擬方法設(shè)計(jì)，為進(jìn)一步驗(yàn)證本文數(shù)值模擬方法在實(shí)際應(yīng)用中的效果，開(kāi)展如下對(duì)比實(shí)驗(yàn)：

分別利用本文提出的數(shù)值模擬方法和傳統(tǒng)數(shù)值模擬方法對(duì)某城市建筑施工項(xiàng)目中的具體混凝土結(jié)構(gòu)的損傷過(guò)程進(jìn)行模擬。通常情況下混凝土材料損傷可劃分為兩種具體情況，第一種為由于混凝土邊緣區(qū)域腐蝕引起的裂紋擴(kuò)展，另一種為由于混凝土結(jié)構(gòu)角區(qū)域腐蝕引起的裂紋擴(kuò)展。因此，為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的客觀性，本文規(guī)定兩種數(shù)值模擬方法在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，均認(rèn)為混凝土材料的徑向剛度較大，將其視為剛體。實(shí)驗(yàn)對(duì)象選用該城市建筑施工項(xiàng)目中的水泥砂漿試件，圖1為該試件整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 對(duì)比實(shí)驗(yàn)試件結(jié)構(gòu)示意圖

圖1中A表示為混凝土損傷面；B表示為混凝土結(jié)構(gòu)上下面環(huán)氧層。選用清水、4.5%氯化鈉、4.5%氯化鈉+5%硫酸鈉，三種溶液分別對(duì)混凝土進(jìn)行腐蝕，使其出現(xiàn)不同程度的損傷，分別利用兩種數(shù)值模擬方法對(duì)其損傷過(guò)程進(jìn)行模擬，對(duì)比兩種方法模擬結(jié)果與實(shí)際混凝土試件的損傷情況。表2為兩種數(shù)值模擬方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表。

表2 兩種數(shù)值模擬方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表

表2中，將每個(gè)不同溶液下的混凝土試件劃分為兩個(gè)不同段：A段和B段。由表2中的數(shù)據(jù)可以看出，本文數(shù)值模擬方法的應(yīng)力變化與傳統(tǒng)數(shù)值模擬方法的應(yīng)力變化情況相比，更加接近實(shí)際應(yīng)力變化。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，傳統(tǒng)數(shù)值模擬會(huì)受到混凝土試件澆筑振搗以及加載過(guò)程中周圍外界因素干擾，導(dǎo)致最終得出的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際相差較大。因此，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的ASR-氯鹽-硫酸鹽腐蝕協(xié)同作用下混凝土損傷過(guò)程數(shù)值模擬方法在實(shí)際應(yīng)用中能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)混凝土損傷過(guò)程的高精度模擬，為后續(xù)混凝土材料的強(qiáng)度變化情況預(yù)測(cè)提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)開(kāi)展ASR-氯鹽-硫酸鹽腐蝕協(xié)同作用下混凝土損傷過(guò)程數(shù)值模擬分析研究，提出一種全新的數(shù)值模擬方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明該方法在實(shí)際應(yīng)用中能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)混凝土損傷過(guò)程的精確模擬，利用其應(yīng)力傳遞的變化情況實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土損傷的量化分析，以此為后續(xù)混凝土施工中各類問(wèn)題提供數(shù)值依據(jù)，從而對(duì)進(jìn)一步研究混凝土損傷機(jī)理提供研究途徑。