荷載和化學(xué)腐蝕作用下混凝土本構(gòu)關(guān)系研究

徐國強(qiáng) 黑智濤 劉玲玉

（1.華北理工大學(xué)建筑工程學(xué)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(xué)因素和環(huán)境因素的雙重或多重?fù)p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?zāi)M而得到的損傷劣化規(guī)律所能確定[1]。混凝土材料是非均質(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(xué)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(jìn)一步發(fā)展，使腐蝕離子更易進(jìn)入混凝土，從而加速混凝土結(jié)構(gòu)的損傷劣化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的服役壽命縮短。混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系全面地反應(yīng)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(xué)腐蝕作用的混凝土，其強(qiáng)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(guān)系產(chǎn)生一定的影響。目前對混凝土本構(gòu)關(guān)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(xué)腐蝕作用下混凝土的本構(gòu)關(guān)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(xué)腐蝕單獨作用下以及二者耦合作用下混凝土本構(gòu)關(guān)系的研究成果和進(jìn)展情況，研究顯示，目前對荷載和化學(xué)腐蝕作用下混凝土本構(gòu)關(guān)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(guān)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(guān)系

1.1 荷載作用下混凝土本構(gòu)關(guān)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(yīng)力-應(yīng)變關(guān)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(qiáng)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(qiáng)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(yīng)力。Choo[4]建立了一種使用改進(jìn)的拋物線和線性方程的長期荷載下混凝土應(yīng)力-應(yīng)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(yīng)，能夠與真實的混凝土應(yīng)力-應(yīng)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(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)性能都有相應(yīng)的提高，尤其是在強(qiáng)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(rèn)為從細(xì)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(guān)系。現(xiàn)今對早齡期混凝土在動載下的本構(gòu)關(guān)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(qiáng)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(hù)齡期7d以前要嚴(yán)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(xué)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(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的研究更加復(fù)雜，目前能準(zhǔn)確又簡易的模擬疲勞荷載下混凝土本構(gòu)關(guān)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(qiáng)度和剛度衰減規(guī)律。

1.2 化學(xué)腐蝕作用下混凝土本構(gòu)關(guān)系研究

目前研究混凝土的化學(xué)腐蝕有強(qiáng)酸、有機(jī)物、無機(jī)鹽、微生物等，化學(xué)腐蝕作用下混凝土強(qiáng)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]。現(xiàn)如今，國內(nèi)對化學(xué)腐蝕作用下混凝土本構(gòu)關(guān)系研究多以硫酸鹽腐蝕為主。混凝土遭受硫酸鹽侵蝕破壞的實質(zhì)是硫酸鹽環(huán)境中的侵蝕性離子進(jìn)入混凝土內(nèi)部，與水泥中的一些組分發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，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(qiáng)度下降，脆性增大[9]。硫酸鹽腐蝕環(huán)境下混凝土峰值應(yīng)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(yīng)變是先稍有減小后急劇增大[10，11]，腐蝕程度越嚴(yán)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(guān)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(guān)系相關(guān)研究不多。陳達(dá)[13]對硫酸鈉溶液腐蝕作用下混凝土三軸受壓本構(gòu)關(guān)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(yīng)力-應(yīng)變曲線影響較大，這與文獻(xiàn)[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(xì)觀本構(gòu)關(guān)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(guān)系。

現(xiàn)如今，很多學(xué)者應(yīng)用損傷力學(xué)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(xué)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(xué)腐蝕作用下混凝土本構(gòu)關(guān)系研究具有重要的意義。翟運(yùn)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(yùn)用連續(xù)損傷力學(xué)理論導(dǎo)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(qiáng)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(jī)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(guān)系

對于實際工程而言，混凝土結(jié)構(gòu)往往是處在力學(xué)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(jìn)程，但在環(huán)境影響下產(chǎn)生的物理和化學(xué)作用同時存在，則損傷因素有正負(fù)效應(yīng)疊加和交互作用，且往往又會隨著時間進(jìn)程而演變[1]，因此，多因素作用下的混凝土本構(gòu)關(guān)系研究要比單因素復(fù)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(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系試驗研究表明：多因素對混凝土應(yīng)力腐蝕作用會產(chǎn)生或延緩或加速的效應(yīng)，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(jìn)，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(fù)雜，由關(guān)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(yīng)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(xué)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(xué)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(yīng)力-應(yīng)變曲線的初期壓密階段更長，當(dāng)進(jìn)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(yīng)力-應(yīng)變關(guān)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(yīng)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(rèn)為低比例壓荷載歷史對受硫酸鹽侵蝕混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系影響較小，隨著荷載歷史水平的提高，峰值應(yīng)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(xué)性能，試驗在腐蝕40d，即干濕循環(huán)40次后，混凝土的峰值應(yīng)力和彈性模量就已經(jīng)出現(xiàn)下降的趨勢，同時峰值應(yīng)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(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，各種結(jié)構(gòu)的形狀和受力狀況更加復(fù)雜，混凝土的本構(gòu)關(guān)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(guān)系研究方面，本文綜述的混凝土本構(gòu)關(guān)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(guān)系相關(guān)研究還較少，需要進(jìn)一步研究。在化學(xué)腐蝕作用下混凝土本構(gòu)關(guān)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(bǔ)這方面的不足。在荷載和化學(xué)腐蝕耦合作用下混凝土本構(gòu)關(guān)系的研究方面，不同的荷載類型、混凝土強(qiáng)度等級、鹽溶液類型等方面的不同組合對混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響還有待深入研究。

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