凍融環境含水率對墩柱混凝土劣化的影響研究

胡學亮，郭保林，劉方洲，劉 帥，方從啟

(1.山東高速集團有限公司,山東 濟南 250101; 2.山東省交通科學研究院,山東 濟南 250100; 3.上海交通大學船建學院,上海 200240)

0 引言

混凝土是21世紀世界上最重要的建筑材料之一,其消耗量甚至接近于水。在人們的傳統觀念上,混凝土堅固無比,但是很大一部分混凝土在達到使用壽命之前就已經存在耐久性問題,如凍融循環、鹽溶液腐蝕、碳化、堿骨料反應等[1]因素引起的鋼筋銹蝕與混凝土開裂、剝落。以上因素在實際工程運用中往往會進行耦合從而加重對混凝土耐久性的影響,導致鋼筋混凝土結構極限承載力下降,最終發生各種安全事故。在發達國家,只有大約60%的建筑資源被用于建設新設施中,剩下40%的資源被用在現有結構的維修與保養中[2]。這使得鋼筋混凝土結構的耐久性問題不得不被關注。

Grassl P等[3]通過研究發現混凝土開裂會導致其滲透性與擴散性上升,這會導致侵蝕介質更容易地接觸到混凝土內部結構,從而加速混凝土結構的劣化。因此在預測建筑結構的耐久性與使用壽命時,若不考慮裂縫的影響,往往會高估結構的使用壽命而產生嚴重的后果。羅大明等[4]在混凝土結構耐久性評估與方法及工程實踐經驗的基礎上,提出了構件、單元兩層次,分為A(a),B(b),C(c)三個等級,并且得出了耐久性裕度系數,對混凝土結構耐久性壽命的計算提供了評定原則與方法,這對于實際工程運用中的混凝土結構耐久性評估方法提供了新的方向。徐文勝等[5]分析了混凝土結構在不同環境下受到的凍融損傷、復合鹽腐蝕、強度失效和碳化侵蝕,揭示了復雜耦合條件下以及外加劑和摻合料對混凝土耐久性能劣化的協同效應,研究得出了鹽侵凍融與碳化交替循環會暫時降低混凝土的毛細孔隙率,此工況將會造成更大的抗壓性能損失,但會對混凝土的碳化深度起到一定程度的抑制作用。侯澤宇等[6]通過對不同配合比的混凝土進行質量、相對抗壓強度、相對動彈性模量以及損傷層厚度變化分析,研究得出合理摻加礦物摻合料能夠增強混凝土的抗鹽侵蝕能力。此項研究可以運用于混凝土結構的維護和修補技術中,以增加結構的使用壽命與安全性。

在混凝土耐久性研究方面取得了豐富的成果,但是在混凝土內部含水率方面,由于實際試驗過程中混凝土的孔隙率不同且水分在空氣中會蒸發,無法準確設置鋼筋混凝土結構的內部含水量。本研究基于ABAQUS有限元分析軟件,設計出鋼筋混凝土墩柱模型,并且利用python腳本精確設置了混凝土結構的內部含水率。在凍融環境下模擬水凍脹造成的混凝土保護層剝落,測試鋼筋混凝土墩柱模型的表觀損傷與體積損失率,并研究其軸心荷載-位移曲線等力學性能的變化規律,最終建立鋼筋混凝土墩柱在不同含水率下的凍融損傷預測模型。

1 有限元模型

1.1 模型尺寸與配筋

鋼筋混凝土墩柱模型規格設計如圖1所示:墩柱高度為900 mm,圓柱截面直徑為300 mm,混凝土等級為C50,保護層厚度為45 mm;模型柱身縱筋全截面沿中心對稱配置6根長度為810 mm、直徑為18 mm的HRB400級螺紋鋼;箍筋設置為直徑10 mm的HRB400級螺紋鋼,加密區間距為50 mm,非加密區間距為102.5 mm。為保證模型構件的整體性與穩固性,箍筋綁扎采用螺旋箍筋形式,采用螺旋式綁扎的鋼筋骨架呈多個三角形緊密結合,相較于單箍綁扎更加牢固。

1.2 模型工況

基于ABAQUS有限元分析軟件,3D模型見圖2,本模型利用python腳本對ABAQUS進行二次開發,將混凝土網格中的部分混凝土材料轉換為水,定義水在凍融環境下的體積膨脹系數。根據水的溫度變化體積膨脹原理,對混凝土保護層造成擠壓,設定“CONCRETE FAILURE”關鍵詞,對保護層區域的混凝土拉應變達到極限拉應變的混凝土網格進行單元刪除,從而模擬保護層區域的混凝土受凍融而剝落。

本研究共設計了6種不同含水率的墩柱模型,水的質量分數分別為0%,1%,2%,3%,4%,5%。設置2個分析步:第1分析步為鋼筋混凝土墩柱在凍融環境下因內部水凍脹造成保護層區域混凝土脹裂剝落。由于水的凍脹造成的混凝土損傷是在水結冰的相變瞬間完成的,水在固液相變瞬間的體積變化最大,相變體積膨脹系數為0.09。保護層區域的混凝土極限拉應變設置為0.000 079[7],對大于此數值的混凝土網格視為剝落。第2分析步對上述已產生損傷的鋼筋混凝土墩柱進行軸心受壓加載。

1.3 CDP模型

考慮到荷載作用下混凝土結構的開裂損傷具有非線性、隨機性等因素,故本模型采用混凝土塑性損傷模型(Concrete Damaged Plasticity)[8],CDP模型不僅可以模擬非線性、隨機性等行為,如剛度退化等性質,還能在宏觀上考慮微缺陷和微空洞的平均分布情況。

混凝土的力學性能在彈性階段采用線性模型進行表示,進入塑性損傷階段后,混凝土的應力應變曲線表示為損傷因子d和初始彈性模量EC的關系式[9],見式(1):

σ=(1-d)ECε

(1)

其中,EC為初始彈性模量;d為混凝土單軸受拉(壓)損傷因子。

式(1)中應力與應變為名義應力應變,本研究為模擬實際工程運用,采用真實應力應變,如式(2)所示:

(2)

其中,σtrue為真實應力;εtrue為真實應變。

由于規范基于彈性損傷模型,未考慮到塑性應變,若將規范損傷因子d視為CDP模型損傷因子D,將無法計算出損傷后的塑性應變,如圖3所示[10]。

張勁基于規范中的混凝土單軸受拉壓本構關系給出如下公式(見式(3)):

(3)

根據上述式(1)—式(3)計算得出的混凝土CDP模型見圖4,其中受拉階段達到峰值前均為彈性段。

2 模擬結果

2.1 體積劣化規律

圖5為鋼筋混凝土墩柱模型的混凝土保護層外表面損傷,從圖6,圖7的混凝土體積變化趨勢可見,在整個凍融過程中,混凝土的體積變化呈突然下降趨勢,隨后體積變化量較小,這是由于水凍脹所造成的混凝土損傷是在水結冰的相變瞬間完成的,水在固液相變瞬間的體積變化量最大。隨著混凝土中含水率的增加,混凝土保護層達到極限拉應變的區域逐漸增多,因凍脹剝落的外表面混凝土量逐漸增大。本文研究模型忽略混凝土本身因溫度產生的體積變化,只考慮水凍脹造成的混凝土損傷,故水的質量分數為0%的模型體積變化始終為0。

如圖6所示,水在凍結之前與凍結之后混凝土墩柱的體積變化量較小,體積變化主要表現在水的固液相變瞬間。以5%含水率(質量分數)的組別為例,相變時間段體現在分析步第10步—第30步之間。0步—10步時,鋼筋混凝土墩柱的體積由6.55×107mm3降至6.34×107mm3,直線的斜率為-2.1×105;10步—20步時,鋼筋混凝土墩柱的體積變化最大,由6.34×107mm3降至4.04×107mm3,直線的斜率為-23×105;20步—30步時,依然處于水的相變過程中,鋼筋混凝土墩柱的體積由4.04×107mm3降至3.94×107mm3,直線的斜率為-1×105;在第30分析步之后,水由液體變為固體的相變過程基本完成,但隨著溫度的下降,水在固體狀態仍會有較小的體積變化,該模型在第30分析步—100分析步之間的體積由3.94×107mm3降至3.78×107mm3,基本可視為一條水平線,可見水在凍結為固態后對鋼筋混凝土墩柱的體積影響較小。

從圖7可以看出,鋼筋混凝土墩柱的體積損失率隨含水率的增加呈規律增加,水的質量分數為1%時,體積損失率達到30.7%;水的質量分數為5%時體積損失率最大,達到了42.2%,是水的質量分數為1%時的1.37倍。且隨著凍融次數的增加,體積損失率會越來越大,鋼筋混凝土墩柱的混凝土保護層損傷也會越來越嚴重。

2.2 軸心受壓加載荷載-位移關系

如圖8所示給出了不同含水率情況下鋼筋混凝土墩柱的軸壓荷載-位移曲線有限元分析結果,可以看出隨著含水率的變化,軸壓荷載-位移曲線也呈規律變化。

軸壓荷載-位移曲線有限元分析結果的峰值點隨著含水率的增加而降低,水的質量分數為0%時的軸壓峰值荷載為3.11×103kN,水的質量分數為5%時的軸壓峰值荷載為2.42×103kN,5%的含水率(質量分數)使得軸壓峰值荷載下降了22%。且鋼筋混凝土墩柱的剛度、延性以及耗能參數均隨含水率的增加呈現退化趨勢。

3 結論

通過對不同含水率的鋼筋混凝土墩柱模型進行研究,并針對其體積損失率與力學性能退化情況進行分析,得到如下結論:

1)水在固液相變瞬間的體積變化量最大,處于液態或固態時,體積變化很小,故由于水凍脹所造成的混凝土損傷是在水結冰的相變瞬間完成的。

2)鋼筋混凝土墩柱的體積損失率隨含水率的增加呈規律增加,水的質量分數為1%時,體積損失率達到30.7%;水的質量分數為5%時體積損失率最大,達到了42.2%,是水的質量分數為1%時的1.37倍。隨著凍融次數的增加,體積損失率會越來越大,鋼筋混凝土墩柱的混凝土保護層損傷也會越來越嚴重。

3)軸壓荷載-位移曲線有限元分析結果的峰值點隨含水率的增加而降低,水的質量分數由0%提高到5%時,軸壓峰值荷載下降了22%。