ASR-氯鹽-硫酸鹽腐蝕協同作用下混凝土損傷過程數值模擬分析

李寒暝

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 831100）

0 引言

當前，混凝土材料的結構由于具有造價低、高性能、施工簡便的優勢，因此被廣泛應用于城市建筑施工、橋梁施工、堤壩施工當中，是目前施工領域中最為廣泛的一種基礎結構形式[1]。但由于其混凝土材料的應用范圍以及服役時間不斷增加，在眾多建筑當中，逐漸發現處于地下水、濱海以及鹽漬土當中混凝土結構逐漸出現脫落、銹蝕等損傷問題，嚴重影響建筑的整體結構質量。因此，當前相關領域的研究人員應當將研究重點轉移到對復雜環境條件下混凝土損傷的問題當中，并構建與之相關的預測體系和實用性評價體系，具有十分重要的現實意義。造成混凝土材料受到損傷的主要因素包括：混凝土的碳化、化學腐蝕、凍融循環被破壞等[2]。而眾多因素中ASR-氯鹽-硫酸鹽腐蝕協同作用是造成混凝土材料出現損壞的首要因素，在ASR-氯鹽-硫酸鹽腐蝕協同作用下引起的混凝土保護脫落更會進一步加快混凝土被腐蝕的速度。為進一步提升混凝土建筑施工的質量，需要對其受到損傷過程中的各項參數進行準確分析，完成數值模擬，并以此為依據[3]?；诖耍疚拈_展ASR-氯鹽-硫酸鹽腐蝕協同作用下混凝土損傷過程數值模擬分析研究。

1 混凝土損傷過程數值模擬方法設計

1.1 混凝土材料取樣檢測

在對ASR-氯鹽-硫酸鹽腐蝕協同作用下的混凝土材料損傷過程進行數值模擬時，第一步是對數值模擬樣本進行采集。在需要進行數值模擬的區域上每隔2.5 cm，利用沖擊鉆設備對混凝土材料進行取樣，將沖擊鉆的直徑設置為12.5 mm。同時，還需要對混凝土結構表層的骨料進行取樣[4]。完成取樣后，第二步需要對樣本進行檢測，通過直接觀察的方式，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，針對樣本的顏色變化情況檢測，通常情況下，當混凝土的損傷程度較小時，混凝土表面的保護膜會呈現出較淺的黃褐色，同時也證明了ASR-氯鹽-硫酸鹽腐蝕現象的存在，但產生的裂紋并沒有發展到混凝土外表面上。當混凝土的損傷程度逐漸增加時，混凝土材料已被較多腐蝕掉，混凝土表面的保護膜呈現出黃褐色，并且表面伴隨著寬度超過1.5 mm的裂紋產生。

其次，針對樣本的ASR-氯鹽-硫酸鹽腐蝕形狀變化情況檢測，若混凝土材料受到損傷，出現ASR-氯鹽-硫酸鹽腐蝕現象時，取樣得到的樣本形狀一般不會形成規則的圓形。將混凝土損傷樣本的幾種形態進行劃分，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ASR-氯鹽-硫酸鹽腐蝕現象，腐蝕時間不斷增加，其腐蝕程度不斷加深，當混凝土表層保護膜變薄后，裂縫的寬度在0.25 mm以上時，呈現出不規則的腐蝕坑狀結構；裂縫的寬度在0.75 mm時，呈現出腐蝕較多且較厚的機構。

最后，針對樣本的表面裂紋寬度變化情況檢測，當混凝土材料腐蝕量較小時，則混凝土表面的保護膜不會出現開裂現象；當混凝土材料腐蝕量達到一定程度時，則混凝土表面的保護膜會遭到破壞，出現開裂的現象[5]。在一定程度范圍內，腐蝕量越多，則裂縫的寬度越大；當混凝土材料腐蝕量達到極限時，裂縫數會不斷增加，并逐漸形成1～3條主裂縫，此時主裂縫的變化與腐蝕量呈現出同步增長的趨勢，并且主裂縫的走向與混凝土結構的延長方向基本一致。

1.2 構建混凝土材料細觀數值模型

在完成對ASR-氯鹽-硫酸鹽腐蝕協同作用下的混凝土材料取樣檢測后，還需要構建混凝土材料細觀數值模型，為下一步混凝土損傷過程中應力傳遞細觀數值模擬打下基礎[6]。首先，對混凝土材料在細觀層次上的組成以及物理力學特征進行分析，研究混凝土材料的級配理論，并確定在二維平面當中模型各個組成結構的數量。最后在此基礎上，構建隨機骨料模型和隨機纖維模型。在細觀層次上，模擬混凝土材料的損傷破壞時，需要構建數值模型才能夠將纖維結構和骨料在混凝土結構當中的具體分布情況展現[7]。本文采用隨機骨料和隨機鋼纖維建模的方法，建立纖維分布、骨料形狀等數值模型?；炷敛牧现械睦w維體積率可通過如下計算公式得出：

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。針對同一混凝土結構而言，其規定模擬投放的纖維尺寸應當完全相同，因此一個試件當中的所有纖維根數可進一步通過公式（2）計算得出：

公式（2）中，N表示為混凝土材料當中所有纖維的根數；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度；r表示為混凝土材料試件中纖維的半徑。根據上述公式計算得出混凝土材料試件當中的所有纖維數量，再利用相同的方式計算得出混凝土材料試件當中所有的骨料級配數目[8]。將混凝土材料試件的纖維數量和骨料級配數目帶入到整體剛度矩陣當中，得出如公式（3）所示：

公式（3）即為混凝土材料細觀數值模型。再將該數值模型進行有限元計算，參照實際混凝土材料的邊界條件，根據Weibull分布對細觀數值單元的初始彈性模量進行賦值，以此為后續混凝土損傷過程中應力傳遞細觀數值模擬提供數據支撐。

1.3 混凝土損傷過程中應力傳遞細觀數值模擬

使用上述設計的模型，本章選擇單根纖維作為研究對象，結合纖維在混凝土損傷過程中，單根纖維應力傳遞中，拔出數值的處理，完成對傳遞細觀數值模擬[9]。在此過程中，應先考慮到選擇纖維對象的組織結構，將纖維整體結構看作為混凝土砂漿、基體等組合結構的構成體，將細觀損傷系數作為理論研究依據，對纖維組織結構拔出的瞬間進行三維模擬處理，并根據纖維界面中應力的傳遞與組織功能的劃分，確定最終模擬數值。

為了確保數值模擬結果的真實性，選擇“8”型號纖維試件作為平面研究對象。考慮到在混凝土損傷過程中，纖維表層界面存在一定的非均勻性，因此應綜合纖維組織結構的力學性能，從纖維彈性形變量、抗拉伸能力或強度、剪應力強度等層面進行分析，要求分析過程中的相關數值應滿足Weibull力學分布需求[10]。綜合多個組織基體結構的特性，對纖維拔出過程中，多個試件的力學參數進行設定。如表1所示。

按照表1所述的相關數據，將纖維的拔出過程簡化為三維曲線圖，將界面單元損傷破壞量作為細觀數值模擬量。結合剪應力分布情況，選擇曲線峰值點進行剪裁，剪裁中輸出加載端損傷剪應力值，對此部分的彈性作用力進行檢驗。若存在彈性作用力，則需要持續對Weibull力學分布進行定位，表明未能完全實現數值模擬，若不存在彈性作用力，輸出此區段數據，表明完成對混凝土損傷過程中應力傳遞細觀數值的模擬。

表1 纖維拔出中試件力學參數設定

2 對比實驗

通過本文上述論述完成對ASR-氯鹽-硫酸鹽腐蝕協同作用下混凝土損傷過程數值模擬方法設計，為進一步驗證本文數值模擬方法在實際應用中的效果，開展如下對比實驗：

分別利用本文提出的數值模擬方法和傳統數值模擬方法對某城市建筑施工項目中的具體混凝土結構的損傷過程進行模擬。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域腐蝕引起的裂紋擴展，另一種為由于混凝土結構角區域腐蝕引起的裂紋擴展。因此，為保證實驗結果的客觀性，本文規定兩種數值模擬方法在實際應用過程中，均認為混凝土材料的徑向剛度較大，將其視為剛體。實驗對象選用該城市建筑施工項目中的水泥砂漿試件，圖1為該試件整體結構示意圖。

圖1 對比實驗試件結構示意圖

圖1中A表示為混凝土損傷面；B表示為混凝土結構上下面環氧層。選用清水、4.5%氯化鈉、4.5%氯化鈉+5%硫酸鈉，三種溶液分別對混凝土進行腐蝕，使其出現不同程度的損傷，分別利用兩種數值模擬方法對其損傷過程進行模擬，對比兩種方法模擬結果與實際混凝土試件的損傷情況。表2為兩種數值模擬方法實驗結果對比表。

表2 兩種數值模擬方法實驗結果對比表

表2中，將每個不同溶液下的混凝土試件劃分為兩個不同段：A段和B段。由表2中的數據可以看出，本文數值模擬方法的應力變化與傳統數值模擬方法的應力變化情況相比，更加接近實際應力變化。同時，在實驗過程中，傳統數值模擬會受到混凝土試件澆筑振搗以及加載過程中周圍外界因素干擾，導致最終得出的數值模擬結果與實際相差較大。因此，通過對比實驗證明，本文提出的ASR-氯鹽-硫酸鹽腐蝕協同作用下混凝土損傷過程數值模擬方法在實際應用中能夠實現對混凝土損傷過程的高精度模擬，為后續混凝土材料的強度變化情況預測提供有力的數據支撐。

3 結束語

本文通過開展ASR-氯鹽-硫酸鹽腐蝕協同作用下混凝土損傷過程數值模擬分析研究，提出一種全新的數值模擬方法，通過實驗證明該方法在實際應用中能夠實現對混凝土損傷過程的精確模擬，利用其應力傳遞的變化情況實現對混凝土損傷的量化分析，以此為后續混凝土施工中各類問題提供數值依據，從而對進一步研究混凝土損傷機理提供研究途徑。