溶蚀混凝土力学性能退化和弹塑性损伤本构关系

Experimental measurements, theoretical analyses, and nonlinear numerical modeling are combined to reveal the degradation of mechanical properties of leached concrete, to establish the elastoplastic damage constitutive relationshiop of leached concrete, and to present a nonlinear analysis method for leached concrete structures. The key influencing factors of concrete mesostructures are analyzed in a quantitative manner. Through experiments, the relationships between the leaching depth, uniaxial tensile and compressive strengths, biaxial equi-compressive strength, and elastic modulus of leached concrete with various mixture proportions and leaching time are measured. Based on irreversible thermodynamics and by considering the tensile damage, shear damage, and coupling between damage and plastic deformations, an elastoplastic damage constitutive relationship of leached concrete is presented. The constitutive relationship is not only closely related to leaching time but also reflects the effects of concrete mesostructures on it. The deformation characteristics of concrete beams subjected to a concentrated force at the midspan are measured at various leaching times, and a nonlinear analysis method for leached concrete structures is developed. Through comparisons with experimental results, the validity of the elastoplastic damage constitutive relationship of leached concrete is verified. This study is not only of high application value for the design and assessment of dams and nuclear waster storage structures located in long-term soft water environments but also of great theoretical significance for further understanding the degradation mechanism of mechanical properties of leached concrete and the quantitative relationship between the degradation of mechanical properties, and leaching time and concrete mesostructures.

将试验测定、理论分析和非线性数值模拟相结合，揭示溶蚀混凝土力学性能的退化规律，建立溶蚀混凝土弹塑性损伤本构关系，提出溶蚀混凝土结构非线性分析方法。通过试验测定各配合比混凝土的溶蚀深度、抗拉和抗压强度、双向等压强度、弹性模量与溶蚀时间的关系，定量分析关键的细观结构影响因素。以不可逆热力学为基础，考虑拉伸损伤、受剪损伤、损伤与塑性变形的耦合，提出溶蚀混凝土弹塑性损伤本构关系，该本构关系不仅与溶蚀时间密切相关，而且反映混凝土细观结构的影响。测定不同溶蚀时间混凝土梁在跨中集中力作用下的变形特性，提出溶蚀混凝土结构非线性分析方法，通过与试验结果比较，验证溶蚀混凝土弹塑性损伤本构关系的有效性。该项研究对于长期处于软水环境中的大坝和核废料储藏结构的设计和评估具有较高的应用价值，而且对于进一步理解溶蚀混凝土力学性能的退化机理、力学性能退化与溶蚀时间和混凝土细观结构之间的定量关系具有重要的理论意义。

对于长期处于软水环境中的混凝土结构，如大坝和核废料贮存库，氢氧化钙的溶出导致混凝土强度和刚度的不断退化，降低了这些结构的使用寿命和功能。因此，有必要进一步研究溶蚀混凝土的微观结构演化、强度和刚度退化和非线性分析方法，以满足结构耐久性设计和评估的迫切需要。.本研究的主要内容是通过试验测定各配合比混凝土的溶蚀深度、抗压强度、抗拉强度、弹性模量与溶蚀时间的关系，定量评价水灰比、骨料体积率、骨料级配对它们的影响。以热力学定律为基础，提出溶蚀混凝土弹塑性损伤本构关系和部分溶蚀混凝土结构的非线性分析方法，量化影响部分溶蚀混凝土结构承载能力的各关键因素。.通过试验测定了各种溶蚀水泥浆和混凝土的溶蚀深度、孔隙率、损伤程度、质量损失率、饱和面干吸水率、抗压强度、弹性模量、抗拉强度和峰值应变，基于试验结果，详细分析了影响水泥浆和混凝土刚度和强度退化的关键因素，提出了部分溶蚀混凝土抗压强度的理论预测模型。完成了不同水灰比、骨料体积率和溶蚀时间混凝土梁的弯曲试验，分析了部分溶蚀混凝土梁抗折强度与水灰比、骨料体积率和溶蚀时间的定量关系。基于有效介质方法，提出了部分溶蚀水泥浆钙离子扩散系数预测的解析方法，发现对于给定的孔隙率，部分溶蚀水泥浆钙离子扩散系数高于普通水泥浆钙离子扩散系数。应用微观力学理论，提出了溶蚀水泥浆弹性模量预测的解析方法，给出了溶蚀水泥浆弹性模量与孔隙率之间的定量关系。提出了溶蚀混凝土弹塑性损伤本构关系和部分溶蚀混凝土结构的非线性分析方法，分析了部分溶蚀混凝土构件在单轴受压、单轴受拉、弯矩和反复荷载作用下的力学反应，量化了影响部分溶蚀混凝土结构承载力的各关键因素。.本研究不仅对于进一步理解溶蚀混凝土性能的退化机理、揭示微观结构与宏观性能之间的定量关系具有重要的理论意义，而且为部分溶蚀混凝土结构的耐久性设计和评估提供理论依据。