堿硅酸反應(yīng)膨脹及其對混凝土單軸受壓本構(gòu)關(guān)系的影響.pdf

1、堿硅酸反應(yīng)(Alkalisilicareaction，ASR)是混凝土耐久性研究中的一個重要課題?；炷翝仓?，水泥、外加劑、礦物摻合料中的堿逐步釋放到孔隙溶液中，并與骨料中的活性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成堿硅凝膠，在水分充足的情況下，堿硅凝膠表現(xiàn)出極強(qiáng)的膨脹能力，在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生裂縫，嚴(yán)重時會導(dǎo)致混凝土開裂破壞。ASR對混凝土影響的宏觀表現(xiàn)包括兩個方面:(1)ASR引起的混凝土膨脹變形:試驗(yàn)研究表明，堿和骨料粒徑是ASR膨脹的重要影響因素

2、。但現(xiàn)有“有效堿”的定義忽略了“參與反應(yīng)的堿”與“體系提供的堿”二者之間的差異，而由于試驗(yàn)原料和方法上的差異，骨料粒徑對ASR膨脹的影響也尚無統(tǒng)一結(jié)論。在ASR膨脹的模型預(yù)測方面，人們在對ASR化學(xué)反應(yīng)過程進(jìn)行模型描述的同時，卻忽略了凝膠膨脹導(dǎo)致的裂縫所引起的混凝土各組分內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)的變化，從而影響了對最終膨脹的準(zhǔn)確預(yù)測。(2)ASR造成的混凝土力學(xué)性能衰減:試驗(yàn)研究表明，ASR對混凝土抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彈性模量有重要的影響，但目前針對

3、ASR混凝土本構(gòu)關(guān)系的試驗(yàn)研究和模型研究卻都很少。而單向應(yīng)力狀態(tài)下混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，是混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下混凝土應(yīng)力分析的研究基礎(chǔ)和重要參數(shù)。對于ASR混凝土來說，凝膠膨脹導(dǎo)致的裂縫會引起混凝土剛度和強(qiáng)度的降低，并最終影響到結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。從上述兩個方面看，繼續(xù)開展ASR膨脹研究，以及ASR混凝土單軸應(yīng)力狀態(tài)下應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的研究有著重要的意義。在ASR混凝土破壞的整個過程中，ASR膨脹是連接反應(yīng)過程與宏觀物理破壞的紐帶，

4、因此，本文將ASR膨脹作為論文研究的中心問題。
　　 圍繞混凝土ASR膨脹這一中心問題，本文系統(tǒng)開展了ASR膨脹及ASR混凝土單軸受壓狀態(tài)下應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬。論文的研究內(nèi)容、結(jié)論及創(chuàng)新性主要體現(xiàn)在以下幾個方面:
　　 (1)對有效堿定義的修正，并基于此提出ASR化學(xué)反應(yīng)過程的計(jì)算模型。
　　 在ASR膨脹計(jì)算的基本理論方面，通過對混凝土材料化學(xué)侵蝕的本質(zhì)和研究方法的分析總結(jié)，明確了參與ASR的各

5、種離子在砂漿及骨料內(nèi)的遷移與擴(kuò)散，是影響混凝土ASR的關(guān)鍵因素?；炷潦且环N多孔材料，內(nèi)部的離子擴(kuò)散過程可采用擴(kuò)散理論進(jìn)行分析?；炷罙SR膨脹的核心過程可以概括為:水和各種化學(xué)離子向活性骨料的擴(kuò)散及其引起的硅氧四面體結(jié)構(gòu)解體，化學(xué)反應(yīng)作用下堿硅凝膠的形成，和凝膠的吸水膨脹及其引起的混凝土變形。
　　 在對有效堿定義的修正方面，對現(xiàn)有有效堿定義的缺陷進(jìn)行了系統(tǒng)分析，指出傳統(tǒng)的有效堿定義忽略了“參與反應(yīng)的堿”和“體系為反應(yīng)提供的堿

6、”這兩者之間的差異，將其定義為能夠到達(dá)活性骨料，并與活性物質(zhì)發(fā)生ASR的堿更為合理，并更方便其在ASR膨脹模擬計(jì)算中的應(yīng)用。這些為混凝土ASR膨脹的數(shù)值模擬提供了理論依據(jù)。
　　 在ASR化學(xué)反應(yīng)過程的計(jì)算模型方面，以ASR化學(xué)過程中有效堿和活性SiO2的消耗為研究目標(biāo)，分別基于Fick第二定律和固相反應(yīng)理論對ASR的化學(xué)反應(yīng)過程進(jìn)行描述，獲得ASR化學(xué)反應(yīng)過程中有效堿和活性SiO2消耗量的表達(dá)式，并通過凝膠組分的Na2O/Si

7、O2和摩爾體積將其轉(zhuǎn)為凝膠的最終體積。通過對已發(fā)表文獻(xiàn)的統(tǒng)計(jì)分析，確定凝膠Na2O/SiO2小于0.5，摩爾體積為21.5cm3/mol。
　　 (2)結(jié)合ASR化學(xué)反應(yīng)過程的計(jì)算模型，采用力學(xué)理論描述堿硅凝膠的物理膨脹過程，提出考慮裂縫存在的混凝土ASR膨脹變形的數(shù)值計(jì)算模型，具有創(chuàng)新性。開展混凝土ASR膨脹的試驗(yàn)研究，并對數(shù)值模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。
　　 在ASR膨脹的數(shù)值模擬方面，認(rèn)為膨脹的動力來源于反應(yīng)生成的堿硅

8、凝膠，凝膠的體積通過ASR化學(xué)反應(yīng)過程的計(jì)算模型獲得。提出由于凝膠膨脹引起的砂漿開裂在ASR膨脹過程中的作用不可忽視，并從復(fù)合材料力學(xué)的角度將混凝土看成由骨料、開裂區(qū)砂漿、未開裂砂漿組成的三相材料，混凝土ASR膨脹通過外圈未開裂砂漿的變形表示。在此基礎(chǔ)上，建立了基于擴(kuò)散和彈性力學(xué)的ASR膨脹模型，以及基于固相反應(yīng)和彈塑性力學(xué)的ASR膨脹模型，模型的關(guān)鍵是開裂區(qū)砂漿半徑的確定。
　　 在ASR膨脹的試驗(yàn)研究方面，研究了粗骨料粒徑對

9、ASR膨脹的影響，并以膨脹率為衡量指標(biāo)研究ASR對混凝土彈性模量、抗壓強(qiáng)度和基體孔隙率的影響。結(jié)果表明，混凝土ASR膨脹隨著粗骨料粒徑的增加而降低;活性骨料粒徑越小，在達(dá)到相同膨脹率時，ASR混凝土彈性模量和抗壓強(qiáng)度的衰減越嚴(yán)重;活性骨料粒徑越大，ASR對基體孔隙率的影響越小。ASR膨脹試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的對比表明，基于擴(kuò)散和彈性理論的膨脹計(jì)算模型，在20d齡期之前，可以很好的模擬ASR膨脹;而基于固相反應(yīng)和彈塑性力學(xué)的膨脹計(jì)算結(jié)果與試

10、驗(yàn)結(jié)果具有良好的相關(guān)性，可以更好的反應(yīng)出ASR膨脹隨齡期的變化。
　　 (3)系統(tǒng)開展ASR混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€的試驗(yàn)研究，并基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了ASR混凝土單軸受壓下的本構(gòu)方程及其參數(shù)擬合方程，具有創(chuàng)新性;從混凝土ASR膨脹出發(fā)，建立基于細(xì)觀力學(xué)的ASR混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的數(shù)值模型。
　　 在ASR混凝土單軸受壓試驗(yàn)研究方面，針對0.23、0.35和0.53三個水灰比的系列試驗(yàn)結(jié)果表明，ASR作用下

11、混凝土的彈性模量逐漸衰減，峰值應(yīng)力降低，峰值應(yīng)變逐漸增大;當(dāng)活性骨料粒徑和摻量相同時，動彈性模量衰減程度隨水灰比的降低而減小;當(dāng)混凝水灰比相同，活性骨料摻量一致時，動彈性模量衰減程度隨骨料粒徑的增加而減小。結(jié)合課題組溶蝕試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)，對比研究了損傷路徑對混凝土損傷的影響，結(jié)果表明，不同初始強(qiáng)度的混凝土在各自服役環(huán)境中經(jīng)過不同的損傷之后均達(dá)到相同的強(qiáng)度，此時這兩種“受損混凝土”的性能并不一樣，說明了本研究開展的必要性
　　 在AS

12、R混凝土單軸受壓本構(gòu)方程方面，基于過鎮(zhèn)海模型和CEB/FIP模型，通過對混凝土峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變等參數(shù)的系統(tǒng)分析與擬合，建立了以28d立方體抗壓強(qiáng)度和膨脹率為主要參數(shù)的ASR混凝土單軸受壓本構(gòu)方程及其參數(shù)擬合方程，方程擬合結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果及文獻(xiàn)數(shù)據(jù)吻合良好。
　　 在ASR混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€的數(shù)值模擬方面，將混凝土視為由骨料、ITZ、砂漿組成的三相復(fù)合材料，建立圓形骨料二維隨機(jī)分布模型，采用雙折線本構(gòu)模型描述細(xì)觀單元的

13、損傷過程。以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，從ASR膨脹對彈性模量的影響出發(fā)，建立混凝土彈性模量與ASR膨脹率的關(guān)系，獲取ASR混凝土不同膨脹率對應(yīng)的彈性模量，并以此為參數(shù)，采用三相復(fù)合球模型進(jìn)行反演計(jì)算，最終確定ASR混凝土不同膨脹率對應(yīng)的砂漿和ITZ的力學(xué)參數(shù)，采用有限單元法完成對ASR混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的數(shù)值模擬。數(shù)值模擬獲得的結(jié)果可以很好的反應(yīng)混凝土在不同ASR階段的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€的特征。數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果具有一定的誤差，但在允許范圍之