普通混凝土氣體滲透性能研究及其計算機(jī)模擬.pdf

1、現(xiàn)代混凝土理論把混凝土的耐久性已提到了至少可與強(qiáng)度同等重要的地位，甚至有很多學(xué)者認(rèn)為，耐久性要求應(yīng)該是第一位的，應(yīng)以耐久性要求作為設(shè)計混凝土配合比的基本依據(jù)。近期RILEM推薦的規(guī)范中已經(jīng)有了這種趨勢。在影響混凝土耐久性的因素中，除了磨損為純物理的破壞，其他諸如凍融循環(huán)、化學(xué)物質(zhì)侵入、鋼筋銹蝕等均與外界侵蝕性介質(zhì)侵入混凝土內(nèi)部有關(guān)，這些侵蝕性介質(zhì)之所以能侵入混凝土內(nèi)部，其根本原因就在于混凝土材料本身是一種多孔材料，正是這些孔

2、的存在才導(dǎo)致混凝土耐久性能的下降，F(xiàn)eldman在八屆國際水泥化學(xué)會議論文中指出：“對耐久性的若干研究表明，滲透性可能是同耐久性相關(guān)的最重要的因素?！币虼嘶炷翝B透性能是研究混凝土耐久性的一個重要方向，而衡量滲透性的量化指標(biāo)就是混凝土的滲透系數(shù)。海洋對我國的未來發(fā)展具有舉足輕重的地位，要開發(fā)利用好海洋資源，一個功能完善的使用壽命足夠長的構(gòu)筑物或建筑物是必不可少的，而建造此類大型工程的基礎(chǔ)材料是混凝土材料和鋼材。因此研究適用于

3、海洋環(huán)境使用的混凝土材料成了重要的研究領(lǐng)域。本文旨在研究混凝土在腐蝕介質(zhì)和單軸壓縮共同作用下的氣體滲透性能及其計算機(jī)模擬。本文借鑒已有的測試混凝土滲透系數(shù)的方法，結(jié)合我國現(xiàn)有的規(guī)范和本論文試驗的要求，研制了一套新的測試裝置，并提出了相應(yīng)的測試指標(biāo)和測試步驟，推導(dǎo)了本測試方法的氣體滲透系數(shù)計算公式。本測試方法要求試樣以三塊為一組，標(biāo)養(yǎng)后放入 55±2℃的烘箱中作烘干處理，以密閉腔內(nèi)氣體壓力從 0.150MPa 降到0.14

4、4MPa對應(yīng)所需的時間t為測試指標(biāo)，根據(jù)測得的透氣時間t，按下式計算混凝土的氣體滲透系數(shù)，單位是m2D=0.0224V/RTL/Aμ2(P2-P1)Pa/t(pa2-p22)經(jīng)與國際上廣泛采用的、被RILEM作為推薦標(biāo)準(zhǔn)的Cembureau法相對比較，其同條件下的測試數(shù)據(jù)線性相關(guān)性較高。實驗證實本方法具有操作簡便，密封性能好，測試數(shù)據(jù)可靠的特點，以此方法來評價混凝土的氣體滲透性能是合理可信的。根據(jù)普通混凝土氣體滲透系數(shù)的測試

5、值，計算得到混凝土滲透系數(shù)的變異系數(shù)達(dá)到40％左右，說明混凝土孔隙網(wǎng)絡(luò)的隨機(jī)性很大，在現(xiàn)有的成型工藝下很難得到有效的控制。本文研究了單軸壓應(yīng)力對普通混凝土滲透性能的影響，考察了應(yīng)力的大小、試樣的養(yǎng)護(hù)時間和應(yīng)力的作用時間與滲透系數(shù)的關(guān)系，同時在單軸壓縮作用的前提下，研究了不同腐蝕介質(zhì)(人工海水、MgCl2和MgSO4)、腐蝕介質(zhì)的不同濃度對不同水灰比的混凝土試樣的腐蝕效果，測定了被腐蝕的混凝土試樣氣體滲透系數(shù)。通過腐蝕實驗得

6、到如下主要的結(jié)論：1.普通混凝土在單軸壓縮荷載作用下氣體滲透系數(shù)存在一個單軸壓應(yīng)力的閾值，在人工海水或5％MgCl2的腐蝕中，預(yù)置應(yīng)力比的大小也存在一個工作應(yīng)力比的閾值，這二者大致相當(dāng)，約在0.4～0.5處，當(dāng)應(yīng)力比大于閾值時，滲透系數(shù)將迅速增大，Cl-侵入的速率會加快，混凝土的抗?jié)B透性能開始劣化。2.混凝土的滲透性能隨水灰比的增加而變差，可能存在一個臨界的水灰比，當(dāng)水灰比超過此值后，混凝土的滲透系數(shù)會跳躍地增大，該臨界水灰

7、比約在0.52～0.55之間。本文中，水灰比從0.55增至0.58時，試樣的滲透系數(shù)相對增加量近60％。3.相同的干濕循環(huán)次數(shù)、相同的水灰比，混凝土氣體滲透系數(shù)D隨MgCl2溶液濃度的增大而增大；相同的干濕循環(huán)次數(shù)，水灰比越大，混凝土經(jīng)MgCl2溶液腐蝕并干濕循環(huán)處理后，其氣體滲透系數(shù) D 也越大。腐蝕和干濕交替作用共同存在時，對混凝土氣體滲透性能的影響是顯著的，腐蝕離子累積量與混凝土受蝕是正反饋的過程，因此較高濃度的Mg

8、2+存在對混凝土的腐蝕會明顯的加劇，這種影響作用在低強(qiáng)度等級混凝土中更大一些。低濃度的石膏存在可能對滲透性能有改善的作用。本文提出了混凝土結(jié)構(gòu)的三維氣阻網(wǎng)絡(luò)模型，采用三維Lagrange單元模型，將混凝土結(jié)構(gòu)離散成合理的三維氣阻網(wǎng)絡(luò)形式，用以模擬普通混凝土的氣體滲透過程。在模型中視氣體壓力和通過試樣的氣體流量為電壓和電流的模擬量，孔隙網(wǎng)絡(luò)對氣體的阻力看作為電阻的模擬量，借助于有限元處理方法，采用超松弛法編程計算求解巨型線性

9、方程組，求出混凝土內(nèi)部各結(jié)點的氣壓勢場分布，并算出流量場的分布，按設(shè)置好的規(guī)則可反推出滲透系數(shù)值。在進(jìn)行氣阻網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置時，根據(jù)現(xiàn)有的混凝土孔結(jié)構(gòu)、界面區(qū)、水泥石的結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合作者測試得到的混凝土滲透性能方面的參數(shù)，考慮了界面區(qū)分布的隨機(jī)性及水灰比對孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的影響，注意了混凝土孔徑分布的寬廣性導(dǎo)致氣體流動形態(tài)的變化對滲透量的影響?？梢酝ㄟ^預(yù)先設(shè)定且符合實際的規(guī)則，修正模型中氣阻網(wǎng)絡(luò)的氣阻參數(shù)，使混凝土氣體滲透性能隨受力狀

10、態(tài)和腐蝕狀態(tài)的變化在計算機(jī)中得以再現(xiàn)。本文的模擬結(jié)果與實驗得到的數(shù)據(jù)基本一致，這說明將混凝土離散為三維氣阻網(wǎng)絡(luò)模型用以模擬滲透系數(shù)之方法是合理的。通過模擬可以初步預(yù)測普通混凝土滲透系數(shù)的范圍。根據(jù)模擬結(jié)果，探討了混凝土氣體滲透的機(jī)理，混凝土抗氣體滲透的能力取決于混凝土內(nèi)部孔隙網(wǎng)絡(luò)對氣體阻礙能力的大小，該網(wǎng)絡(luò)是一個無規(guī)的隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的主要部分由界面區(qū)組成，無規(guī)隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)孔間的相互關(guān)系是鍵、座、面心、體心等的混合體，這種混合體的

11、臨界逾滲概率約為16.1％。當(dāng)混凝土中界面區(qū)份額達(dá)到16.1％時界面區(qū)就形成逾滲通道。在混凝土中界面區(qū)占混凝土總體積一般為14.8～18.3％，因此大部分范圍超過了16.1％，由此氣體通過混凝土滲透是必然的?；炷翚怏w滲透性能的本質(zhì)是界面區(qū)的體積占混凝土總體積的比例問題，可以界面區(qū)逾滲概率來表征，其關(guān)鍵影響因素為水泥(膠凝材料)用量和水灰比。提高水泥(膠凝材料)用量到界面區(qū)的體積占混凝土總體積的比例低于界面區(qū)逾滲概率，能夠有

12、效提高混凝土抗?jié)B透性能，在相同水泥用量的條件下，水灰比越大抗?jié)B透性能也越差。這可能是以耐久性能為混凝土材料設(shè)計目標(biāo)的一條基本原則。在現(xiàn)行的按強(qiáng)度設(shè)計混凝土的體系中，要獲得抗?jié)B透性優(yōu)良的混凝土，在滿足設(shè)計規(guī)范的其他條件的前提下應(yīng)優(yōu)先采用低強(qiáng)度等級的水泥。應(yīng)用氣阻網(wǎng)絡(luò)模型，可以反映出在受力狀態(tài)下混凝土內(nèi)部裂縫發(fā)展的過程，通過二維圖形證實了氣阻網(wǎng)絡(luò)模型所揭示的裂縫擴(kuò)展橋聯(lián)過程與經(jīng)典的混凝土強(qiáng)度理論應(yīng)力—應(yīng)變曲線所揭示的規(guī)律是一致的

13、。根據(jù)上述研究，作者認(rèn)為混凝土滲透性能的研究今后工作的方向是：充分收集各國學(xué)者的實驗數(shù)據(jù)，建立起合理的、較為完善的數(shù)學(xué)模型，發(fā)揮計算機(jī)模擬技術(shù)低成本性、優(yōu)良的重復(fù)性和模型修正的方便性的特點，克服混凝土細(xì)微觀資料取得難度大、成本高的瓶頸，提高本領(lǐng)域的研究深度；基礎(chǔ)理論方面的研究細(xì)節(jié)應(yīng)該是研究集料的表面形狀(主要是粗集料)特征和界面區(qū)厚度分布及其二者相互關(guān)系上，如果對該二點能找到有效的表達(dá)方式并且給出量化指標(biāo)，則結(jié)合現(xiàn)有改善界面