混凝土圆截面钙离子侵析模拟及损伤研究

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1、http://www.paper.edu.cn混凝土圆截面钙离子侵析模拟及损伤研究王立鹏河海大学土木工程学院，南京（210098）E-mail：lipeng19811128@163.com摘要：混凝土是一种重要的建筑材料。实验和研究发现混凝土的含钙水化物，特别是氢氧化钙Ca(OH)2和水化硅酸钙C-S-H，在侵蚀性溶液作用下，其中的钙离子流失是混凝土结构力学性能劣化的重要原因。用加权余量法和有限单元法模拟钙离子沿轴对称圆周边界扩散状况，了解钙离子流失与时间、结构形状的关系。钙离子含量与混凝土弹性模量密切相关，在Mazars损伤模型的基础上，引入化学

2、损伤变量L，与力学损伤结合。通过计算和实验结果表明，计算值和实验数据吻合很好，能够表示出混凝土在化学侵蚀和荷载耦合作用下的损伤状态。关键词：混凝土；耐久性；钙离子；侵析；化学损伤；损伤力学1.引言混凝土是一种广泛应用的工程材料，发挥着其他材料无法替代的作用。但混凝土的耐久性是一个长久存在的问题，已经成为工程界最为关注的热点问题之一。英国著名的水泥化学[3]家Taylor指出，水化的水泥是一种很复杂的凝胶，含有各种类型的固体组分和孔。对研究混凝土中的钙进行，掌握使用期限内混凝土的不同损伤机理和数值模拟方法十分必要。混凝土孔隙溶液中钙离子的侵蚀，主要是

3、由于在混凝土孔隙溶液与外部侵蚀性溶液之间存在浓度梯度而产生的。孔隙溶液中的钙离子与侵蚀性溶液中的离子由于存在浓度梯度，发生离子交换、扩散，从而造成钙从混凝土中缓慢流失。钙的流失造成混凝土微观结构的改变，增加了孔隙率，微观结构的改变有引起了扩散和渗透性的增加，日常地久就会造成混凝土材[1][2][5]料强度和刚度的下降，极大地影响了材料的力学性能，造成化学损伤。早期对混凝土性能的研究多从材料的宏观层次出发，实际上，材料的微观结构对宏观行[4]为有着决定性作用。Wittmann曾指出材料的性能主要取决于混凝土的细观和宏观结构上的特征，要想深入理解包括混

4、凝土渗透性等材料特性，必须对其微观结构特征进行研究。混凝土材料组分的复杂性以及组分之间发生的复杂的物理化学反应，决定了混凝土在宏观和微观上都具有多孔的性质。由于孔隙的存在，使钙离子渗流等化学侵蚀的存在成为可能。[2][9]B.Gérard、石端学等主要研究了混凝土杆单元结构钙离子沿一端的侵析，在此基础上，本文采用有限单元法和差分方法，进一步研究圆面单元钙离子沿圆周的侵析情况。与杆单元的侵析情况相比，圆面单元中钙离子沿圆周侵析更加具有实际意义：实际结构中，圆柱体单元普遍存在，在侵蚀性环境下，化学侵蚀，尤其是钙离子侵析比较严重。了解钙离子的侵析情况，对

5、于预防化学损伤、延长混凝土结构使用年限有非常实际的意义。混凝土结构中钙离子发生侵析，对结构性质尤其是承受荷载的能力产生很大影响，本文引入化学损伤[6][10][6]L(x)，根据St.Venant假设把钙离子侵析与混凝土结构弹性模量联系起来，结合[7][8]Mazars损伤模型，把化学损伤和力学损伤联系起来，研究混凝土结构化学损伤—力学损[1][5][8]伤耦合作用下性质的变化。2.混凝土中钙离子侵析模拟混凝土中水泥基质材料中钙离子的侵析本质上是一种控制扩散现象。由于钙离子的侵析是一个非常缓慢的过程，实验研究周期很长，并且影响因素众多，所以通过实验

6、对钙离子侵-1-http://www.paper.edu.cn析进行研究非常困难。根据文献[2][9]，本文在一维杆单元沿杆一端钙离子侵析的基础上，主要是对二维圆截面单元沿圆周边界钙离子的侵析情况进行研究：对半径为120mm、长为60mm的圆柱体试样在纯水情况下结构孔隙中钙离子经过720天的侵析后，截取最具有代表性的中间圆截面进行研究。通过模拟混凝土结构孔隙溶液中的钙离子在纯水情况下随时间沿圆周方向的流失情况，进一步研究混凝土结构的化学侵蚀性质，对了解混凝土特性具有非常重要的意义。2.1混凝土中钙浓度公式混凝土结构中，轴对称区域Ω上钙离子浓度的微分

7、方程为∂∂CCC⎡∂∂⎤⎡∂⎤fCr()=+DCr()DCr()（1）∂∂tr⎢⎣∂∂rz⎥⎢⎦⎣∂z⎥⎦式中，t为时间；r，z为对称坐标下的坐标；C(r，z，t)为钙离子浓度场；D(C)为钙离子扩散系数;f(C)为浓度的函数。一般情况下，有如下三种边界条件：（1）在已知浓度边界上，应满足给定浓度（第一类边界条件）CCrzt=(,,)在Γ上（2）11式中，C1为边界给定浓度场。（2）在钙离子不产生交换的边界上（第二类边界条件）∂C=0在Γ上（3）2∂n式中，n为边界外法线方向。（3）在钙离子浓度交换边界上（第三类边界条件）∂cDC+−=β()C0在

8、Γ上（4）a3∂n式中，Ca为边界钙离子浓度，D为扩散系数，β为混凝土表面钙离子交换系数。当不考虑z方向浓度变化时，区域Ω