混凝土抗硫酸盐侵蚀的损伤模型.pdf

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1、广东建材2013年第1期材料研究与应用混凝土抗硫酸盐侵蚀的损伤模型钟海明1孙余好2(1广州莫伯治建筑师事务所；2核工业井巷建设公司)摘要：为预测混凝土结构在硫酸盐环境下的使用寿命，根据物质衰变规律，结合相关科研试验结果，建立了混凝土强度、钢纤维掺量、弯曲应力对混凝土抗硫酸盐侵蚀的影响函数，并对混凝土损伤基本方程进行修正，从而建立了三指标混凝土抗硫酸盐侵蚀损伤模型。该模型能初步预测混凝土结构寿命。关键词：混凝土；硫酸盐；损伤模型硫酸盐侵蚀混凝土结构将导致结构因耐久性不足而失效，且其引起的巨大经济损失可用五倍定律描述m。对处于硫酸盐环

2、境下的已有建筑物及新建建筑物进行寿命预测，可减少因耐久性不足引发的安全、经济损失问题。大量研究表明，为改善混凝土抗硫酸盐侵蚀性能，可适当降低水灰比、提高混凝土强度等级或掺加适量的粉煤灰、钢纤维、矿渣等[2]、[3：。因影响混凝土结构的耐久性能的外部因素众多，每种因素的影响效果、作用机理等又有不同，本文仅考虑混凝土在硫酸盐侵蚀、干湿循环、弯曲应力共同耦合作用下的耐久性能。为了建立数值模型预测混凝土结构的有效寿命，从强度抗蚀系数、混凝土相对重量损失、相对动弹性模量三个指标出发，结合现有计算分析方法对混凝土结构进行预测。1混凝土的衰变规

3、律EquationChapter1Section1物质都是处于不断的衰变过程中，处于封闭系统中的衰变称为自变，处于开放系统中时，物质会与其他物质发生能量、物质交换并提供某种激发因子从而加速衰变的进程。混凝土的损伤就是其衰变的一个过程。假设为混凝土结构耐久性指标的原有量如强度抗蚀系数、动弹性模量、质量损失等，则为该指标衰变至某一时间时的量值，则混凝土衰变的速率可表达为：一D二芸∑=一入(R，一R。)(式1)dt由上式推出：D一、．+f_-≥=ke一”(式2)Ko式中，k——待定系数，是混凝土强度、钢纤维掺量的影响函数；r1——弯曲应

4、力影响函数的待定系数；入——自然衰变常数。强度抗蚀系数衰变和相对动弹性模量衰变，本文均采用式2的形式。而对于重量损失率而言，则有rtt2竿十再Rt十bⅥ1c却其中，k——待定系数，是混凝土强度、钢纤维掺量的影响函数：11——弯曲应力影响函数的待定系数；入——自然衰变常数。影响混凝土耐久性的影响因素众多，本文选取了弯曲应力(F)和混凝土强度(Q)和钢纤维掺量(G)三种影响因素，对于相对动弹性模量，带入式2则有：fG=kGe，fQ2k。e，f『12e则当fF=fo=fc=f时，、f3t一-蔫c删而对于质量损失率，代入式3中，则有：fF

5、，=1一e1‘1F，fQ，=l—k。e、‘，fG，=l—kGe1‘则当f。7=f。7=fF7=f7时，t’入(rl。+2对于强度抗蚀系数，响，其方程可表示为：(式5)本文只考虑钢纤维掺量的影一15—材料研究与应用广东建材2013年第1期In}t”=一——：G_(式7)A其中，k厂钢纤维掺量影响函数；ko_混凝土强度影响函数；n，—一弯曲应力影响函数。2混凝土衰变损伤模型的建立本文用以建立混凝土强度、钢纤维掺量、弯曲应力影响函数的试验数据主要参考文献踞][6

6、。依据试验数据，以混凝土循环到某一次数后的相对动弹性模量、相对重量损失、强

7、度耐蚀系数的均值为基准值对数据进行归一化，然后采用origin软件进行拟合处理。2．1损伤模型基本方程Chapter(Next)Section1众多学者的研究方法一致认为凝土的动弹性模量衰减至60％时，所消耗的时间为“标准寿命”[7

8、。即：T。=一{ln0．6(式8)A认定当混凝土的动弹性模量衰减至50％时，所消耗的时间为“半衰期寿命”。即：T2-一{lno．5(式9)认定当混凝土的动弹性模量衰减至上≈36．78％e时，所消耗的时间为“平均寿命”。即：T3-一{lno．3678(式10)处于硫酸盐侵蚀环境下的混凝土常为隧道、拦河坝

9、、桥墩等重要结构，这些结构重要建筑物的设计寿命一般为100年，为此，假定混凝土的标准寿命为100年，代入式8计算可得出以相对动弹性模量为指标的混凝土衰变方程中的衰变系数值：入=O．005a一1混凝土强度抗蚀系数方程中的衰变系数与相对动弹性模量的取值相同。根据以上格式，可以得出不考虑影响因素的相对动弹性模量衰变方程：fn=e加-慨(式11)当混凝土的相对重量损失下降4％时认为混凝土结构已经破坏。以相对重量损失为指标的衰变系数通过以上方法求得：九7=0．0004a一1—16一根据文献[引，混凝土的衰变系数入≥0．002，故取以相对重量

10、损失为指标的混凝土衰变系数入’=O．002a-1。混凝土的相对重量。失则与上述两种指标有所区别，其原因是他们所采用的基本方程不同。不考虑影响因素的相对重量损失衰变方程为：f0=卜e吨002‘(式12)2．2强度影响函数的确定以相对动弹性模量为指标的