荷载作用对混凝土中氯离子扩散行为影响的理论研究

In coastal areas, concrete structures are not only subjected to environmental attacks (e.g. the ingress of chloride ions) but also the mechanical loadings including wind loads, vehicle loads, wave loads and even seismic loads. The external mechanical stresses can change the micro-/meso-structure of concrete, and even new micro-cracks will be generated, making the change of the transport boundary conditions of chloride ions. This leads to the change of the permeability and diffusivity of chloride ions into concrete. Both the analytical methods and the simulation methods will be proposed and utilized to study the effect of mechanical loadings on chloride diffusivity in concrete in the present program. According to the physical and mechanical characteristics of concrete micro-/meso-scale components, the theoretical analytical model and the multi-scale simulation method will be established for the investigation of chloride diffusivity in concrete subjected to external mechanical loadings. The theoretical and numerical methods will be verified by comparing the obtained results with the available experimental data. Moreover, the effect of loading form on chloride diffusivity will be examined, and the influencing mechanism of loading level on the global chloride diffusion behavior of concrete will be explored using the developed analysis approaches. Finally, the quantitative relationship between the effective chloride diffusion coefficients of concrete and stress level (or damage factor) will be built based on the simulation results. The developed theoretical and numerical approaches in the present program can provide some guidance for the durability design and assessment of concrete under the combined effects of mechanical loadings and chloride ingress.

近海及海洋工程结构的混凝土在服役过程中不仅会经受氯盐的侵蚀作用，而且还会承受包括风荷载、车辆荷载、波浪荷载甚至地震等荷载的作用。荷载作用会改变混凝土的微/细观结构形式，甚至产生新的裂纹，改变氯离子的传输边界条件，影响混凝土的渗透扩散特性。本项目拟采用理论解析与数值模拟相结合的方法，结合混凝土微/细观尺度下的物理和力学特性，建立力学荷载和氯盐环境耦合作用下混凝土中氯离子扩散特性研究的理论解析模型以及微/细观多尺度数值分析模型与方法；对比理论解析结果、微/细观尺度数值模拟结果与现有相关荷载影响的试验结果，验证模型与方法的合理性和可靠性；研究荷载加载形式对混凝土中氯离子扩散行为的影响规律，揭示加载水平对混凝土表观扩散特性的影响机制；建立加载后混凝土中有效氯离子扩散系数与应力水平或损伤因子之间的定量关系。本项目建立的理论和数值方法可为荷载与氯盐环境耦合作用下混凝土耐久性设计及评估提供理论指导。

近海及海洋工程结构的混凝土在服役过程中不仅会经受氯盐的侵蚀作用，而且还会承受包括风荷载、车辆荷载、波浪荷载甚至地震等荷载的作用。荷载作用会改变混混凝土土的微/细观结构形式，甚至产生新的裂纹，改变氯离子的传输边界条件，进而最终影响混凝土的渗透扩散特性。混凝土的扩散渗透性能与其微观结构密切相关。在微观尺度上，砂浆和界面过渡区均可视为由无孔砂浆基质和孔隙水夹杂相组成的两相复合材料，二者的主要区别表现为孔隙率不同。在外荷载作用下，砂浆和界面过渡区的毛细孔隙率及孔隙连通性会发生改变，从而改变混凝土的扩散性能。进而建立了的低应力水平下混凝土中氯离子扩散行为多尺度理论分析方法，获得了混凝土表观扩散系数与外荷载及砂浆和界面过渡区当前孔隙率的定量关系。将外荷载作用的影响等效为外荷载引起的混凝土孔隙率的改变对氯离子扩散特性的影响，提出了荷载作用下混凝土氯离子扩散行为研究的细观分析模型，研究了压缩荷载对混凝土中氯离子扩散特性的影响，得到了氯离子有效扩散系数与压缩应力水平之间的关系式，揭示了压缩应力水平的影响规律。提出了一种统一的考虑裂缝影响的氯离子扩散特性公式，并基于此对开裂混凝土中氯离子的扩散行为进行了宏观与细观数值模拟与分析。模拟结果与试验结果的良好吻合，证实了所提出的定量关系以及数值分析方法的合理性与准确性。模拟结果还表明，开裂混凝土中氯离子的扩散行为不仅与裂缝宽度相关联，而且与裂缝的深度密切相关。另外发现高强混凝土中氯离子的扩散行为对裂缝更为敏感。为研究角部钢筋非均匀锈蚀膨胀引发的混凝土保护层开裂破坏行为，建立了角部钢筋的非均匀锈胀模型。以施加非均匀径向位移方式来表征钢筋锈胀对周围混凝土的力学作用。基于该方法对钢筋非均匀锈蚀引发的混凝土保护层开裂行为进行了细观数值模拟，对比了宏观均质模型和细观非均质模型下不同钢筋锈胀模式导致的保护层开裂模式；并探讨分析了保护层厚度和钢筋直径对保护层开裂模式以及钢筋锈胀压力的影响规律。在项目的支持下，申请人于2018年度获得“国家自然科学基金优秀青年基金”项目资助；发表相关的Sci/Ei检索论文5篇，软件著作权1项；协助培养硕士生2名，博士生1名。