普通混凝土氣體滲透性能研究及其計算機模擬.pdf

1、現代混凝土理論把混凝土的耐久性已提到了至少可與強度同等重要的地位，甚至有很多學者認為，耐久性要求應該是第一位的，應以耐久性要求作為設計混凝土配合比的基本依據。近期RILEM推薦的規(guī)范中已經有了這種趨勢。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)、化學物質侵入、鋼筋銹蝕等均與外界侵蝕性介質侵入混凝土內部有關，這些侵蝕性介質之所以能侵入混凝土內部，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、的存在才導致混凝土耐久性能的下降，Feldman在八屆國際水泥化學會議論文中指出：“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就是混凝土的滲透系數。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筑物或建筑物是必不可少的，而建造此類大型工程的基礎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域。本文旨在研究混凝土在腐蝕介質和單軸壓縮共同作用下的氣體滲透性能及其計算機模擬。本文借鑒已有的測試混凝土滲透系數的方法，結合我國現有的規(guī)范和本論文試驗的要求，研制了一套新的測試裝置，并提出了相應的測試指標和測試步驟，推導了本測試方法的氣體滲透系數計算公式。本測試方法要求試樣以三塊為一組，標養(yǎng)后放入 55±2℃的烘箱中作烘干處理，以密閉腔內氣體壓力從 0.150MPa 降到0.14

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

5、值，計算得到混凝土滲透系數的變異系數達到40％左右，說明混凝土孔隙網絡的隨機性很大，在現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力對普通混凝土滲透性能的影響，考察了應力的大小、試樣的養(yǎng)護時間和應力的作用時間與滲透系數的關系，同時在單軸壓縮作用的前提下，研究了不同腐蝕介質(人工海水、MgCl2和MgSO4)、腐蝕介質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。通過腐蝕實驗得

6、到如下主要的結論：1.普通混凝土在單軸壓縮荷載作用下氣體滲透系數存在一個單軸壓應力的閾值，在人工海水或5％MgCl2的腐蝕中，預置應力比的大小也存在一個工作應力比的閾值，這二者大致相當，約在0.4～0.5處，當應力比大于閾值時，滲透系數將迅速增大，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，當水灰比超過此值后，混凝土的滲透系數會跳躍地增大，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，試樣的滲透系數相對增加量近60％。3.相同的干濕循環(huán)次數、相同的水灰比，混凝土氣體滲透系數D隨MgCl2溶液濃度的增大而增大；相同的干濕循環(huán)次數，水灰比越大，混凝土經MgCl2溶液腐蝕并干濕循環(huán)處理后，其氣體滲透系數 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構的三維氣阻網絡模型，采用三維Lagrange單元模型，將混凝土結構離散成合理的三維氣阻網絡形式，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，孔隙網絡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，求出混凝土內部各結點的氣壓勢場分布，并算出流量場的分布，按設置好的規(guī)則可反推出滲透系數值。在進行氣阻網絡的設置時，根據現有的混凝土孔結構、界面區(qū)、水泥石的結構參數，結合作者測試得到的混凝土滲透性能方面的參數，考慮了界面區(qū)分布的隨機性及水灰比對孔隙網絡結構的影響，注意了混凝土孔徑分布的寬廣性導致氣體流動形態(tài)的變化對滲透量的影響。可以通過預先設定且符合實際的規(guī)則，修正模型中氣阻網絡的氣阻參數，使混凝土氣體滲透性能隨受力狀

10、態(tài)和腐蝕狀態(tài)的變化在計算機中得以再現。本文的模擬結果與實驗得到的數據基本一致，這說明將混凝土離散為三維氣阻網絡模型用以模擬滲透系數之方法是合理的。通過模擬可以初步預測普通混凝土滲透系數的范圍。根據模擬結果，探討了混凝土氣體滲透的機理，混凝土抗氣體滲透的能力取決于混凝土內部孔隙網絡對氣體阻礙能力的大小，該網絡是一個無規(guī)的隨機網絡，網絡的主要部分由界面區(qū)組成，無規(guī)隨機網絡孔間的相互關系是鍵、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％。當混凝土中界面區(qū)份額達到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計目標的一條基本原則。在現行的按強度設計混凝土的體系中，要獲得抗?jié)B透性優(yōu)良的混凝土，在滿足設計規(guī)范的其他條件的前提下應優(yōu)先采用低強度等級的水泥。應用氣阻網絡模型，可以反映出在受力狀態(tài)下混凝土內部裂縫發(fā)展的過程，通過二維圖形證實了氣阻網絡模型所揭示的裂縫擴展橋聯(lián)過程與經典的混凝土強度理論應力—應變曲線所揭示的規(guī)律是一致的

13、。根據上述研究，作者認為混凝土滲透性能的研究今后工作的方向是：充分收集各國學者的實驗數據，建立起合理的、較為完善的數學模型，發(fā)揮計算機模擬技術低成本性、優(yōu)良的重復性和模型修正的方便性的特點，克服混凝土細微觀資料取得難度大、成本高的瓶頸，提高本領域的研究深度；基礎理論方面的研究細節(jié)應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系上，如果對該二點能找到有效的表達方式并且給出量化指標，則結合現有改善界面