硫酸盐侵蚀及高应变率载荷作用下混凝土的损伤破裂机理研究

论文摘要

我国沿海港口、跨海大桥及其它大型混凝土结构工程由于其长期处在恶劣的海洋侵蚀环境中,使用寿命严重缩减。在众多侵蚀危害中,硫酸盐对混凝土的侵蚀作用已成为结构耐久性影响主要的环境侵蚀之一,因硫酸盐侵蚀而造成破坏的工程实例已屡见不鲜。一些重要服役中的民用或军用防护混凝土构件不仅受到硫酸盐侵蚀作用,还要承受各种动力荷载作用,在受到车辆和船舶撞击、爆炸冲击波、地震波等作用下,海工混凝土结构会表现出与静力荷载作用下不同且更为复杂的动力行为。本文借助于分离式霍普金森压杆（SHPB）试验系统、X射线衍射仪及SEM扫描电镜等试验方法与手段,依据断裂力学、损伤力学等理论,对高应变率下受硫酸盐侵蚀混凝土的基本物理力学性能、微细观破裂机制以及损伤演化规律进行了系统研究。主要工作和研究成果如下:（1）测定了受硫酸盐侵蚀混凝土试样中SO42-含量的分布特征,得到了距试样表面不同深度处SO42-含量随硫酸盐侵蚀作用时间及侵蚀溶液浓度的变化规律。（2）综合运用多孔介质渗流理论及扩散理论建立考虑化学反应作用效应的混凝土SO42-耦合传输模型及控制方程,并运用数值方法对方程进行了求解,将理论模型求解结果与试验结果对比,两者具有较好的印证性。同时,预测了某海域海水中所含硫酸盐浓度条件下受侵蚀混凝土中SO42-含量分布随侵蚀时间的变化规律,揭示了混凝土中SO42-的传输机理。（3）利用分离式霍普金森压杆（SHPB）试验系统,测定了受硫酸盐侵蚀混凝土冲击压缩条件下的力学性能,得到了高应变率下受硫酸盐侵蚀混凝土基本力学性能（应力-应变曲线、抗压强度、弹性模量、峰值应变）、宏观破坏特征等随侵蚀溶液浓度、侵蚀作用时间及加载应变率的变化规律。结果表明:随着侵蚀溶液浓度及侵蚀作用时间的增加,混凝土的抗压强度、弹性模量下降明显,而峰值应变加大,宏观破坏程度加剧;随着加载应变率的增加,混凝土的抗压强度、弹性模量有所提高,但其宏观破坏程度明显增加。（4）借助于X射线衍射仪,测定了侵蚀溶液浓度及侵蚀作用时间对混凝土中水化产物及侵蚀产物含量的影响;利用扫描电镜（SEM）测定了高应变率下受硫酸盐侵蚀混凝土的微观形貌特征,包括:裂隙的发育与扩展状况、微观破裂模式、水泥与骨料交接面处破坏形态及侵蚀产物分布特征等随应变率、侵蚀溶液浓度以及侵蚀作用时间的变化规律。与试样宏观破坏特征比较,有效地揭示了受硫酸盐侵蚀混凝土在高应变率作用下破裂的微细观机制。（5）借助于损伤力学理论,研究高应变率下混凝土损伤程度随硫酸盐侵蚀作用时间的演化规律。并基于Weibull分布的统计损伤模型,建立了同时考虑硫酸盐侵蚀和高应变率载荷耦合作用的混凝土损伤演化方程及本构模型,该本构模型与试验结果有较好的印证性。本文研究成果可为海工混凝土结构的耐久性研究提供重要参考。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• abstract
• 变量注释表
• 1 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 国内外研究现状
•   1.3 本文主要研究内容
•   1.4 研究方法与技术路线
• 2 混凝土中硫酸根离子传输规律的试验测定
•   2.1 试样制备与试验方案
• 4^2-分布规律的影响'>  2.2 侵蚀溶液浓度对混凝土试样中SO₄^2-分布规律的影响
• 4^2-分布规律的影响'>  2.3 侵蚀时间对混凝土试样中SO₄^2-分布规律的影响
•   2.4 本章小结
• 3 混凝土中硫酸根离子传输机理分析
• 4^2-传输机理及模型建立'>  3.1 混凝土中SO₄^2-传输机理及模型建立
•   3.2 数值模型与计算方案
•   3.3 数值结果分析及讨论
•   3.4 本章小结
• 4 高应变率下受硫酸盐侵蚀混凝土的力学性能
•   4.1 试验原理与方法
•   4.2 混凝土试样动态力学性能的应变率效应
•   4.3 侵蚀溶液浓度对高应变率下混凝土试样力学性能的影响
•   4.4 侵蚀时间对高应变率下混凝土试样力学性能的影响
•   4.5 本章小结
• 5 高应变率下受硫酸盐侵蚀混凝土损伤破裂的微细观机制
•   5.1 硫酸盐侵蚀作用对混凝土物相特征的影响
•   5.2 受硫酸盐侵蚀混凝土微观形貌特征的应变率效应
•   5.3 混凝土微观形貌特征随侵蚀溶液浓度的变化
•   5.4 混凝土微观形貌特征随侵蚀时间的变化
•   5.5 本章小结
• 6 高应变率下受硫酸盐侵蚀混凝土的损伤演化方程
•   6.1 损伤力学基础
•   6.2 高应变率下混凝土损伤演化随硫酸盐侵蚀时间的变化
•   6.3 高应变率下受硫酸盐侵蚀混凝土的损伤本构方程
•   6.4 本章小结
• 7 结论与展望
•   7.1 主要结论
•   7.2 研究展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集

文章来源

类型: 博士论文

作者: 刘瑞雪

导师: 茅献彪

关键词: 混凝土,硫酸盐侵蚀,高应变率,破裂机理,损伤本构方程

来源: 中国矿业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 海洋学,建筑科学与工程

单位: 中国矿业大学

分类号: P75;TU37

总页数: 174

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