荷载与环境因素耦合作用下砼应力效应时变规律及数值模拟

本项目运用耐久性力学理论和现代微观分析技术相结合的方法，以典型的硫酸盐侵蚀引起的膨胀性损伤为例，研究荷载与环境因素耦合作用下混凝土应力效应时变规律及其分析方法，揭示混凝土因环境因素引起的化学作用与力学效应之间的内在联系。主要内容有：⑴研究荷载对混凝土内硫酸根等侵蚀离子扩散反应规律的影响，建立相应的数学模型与分析新方法；⑵通过扩散反应和微观测试分析，研究荷载与硫酸盐侵蚀等环境因素耦合作用下混凝土内侵蚀晶体生长的时变特点与规律，建立混凝土内侵蚀晶体生长而产生的晶体应力的计算方法；⑶研究混凝土内侵蚀晶体生长过程中晶体应力、混凝土微观应力与宏观应力之间的转换关系，建立荷载与硫酸盐侵蚀等环境因素耦合作用下混凝土宏观应力效应的计算理论和方法。.本项目的研究，为建立基于服役寿命的混凝土结构设计新理论和新方法提供关键技术，对提高混凝土结构设计与寿命预测的安全性、科学性具有重要的理论意义和应用价值。

长期处于海洋、江河、湖泊、地下水及酸雨环境中的桥梁、铁路、公路、水坝、地下隧道等服役混凝土结构不仅承受各种静、动态荷载的作用，还遭受硫酸盐、氯盐、冻融、钙溶析等多种环境因素的物理化学侵蚀。环境因素是引起混凝土耐久性退化的主要因素，而荷载与环境因素的耦合作用加速了混凝土材料的耐久性损伤、导致了混凝土结构的服役安全性降低。开展荷载与环境因素耦合作用下混凝土耐久性损伤与失效研究，揭示各种服役环境下混凝土材料与结构的耐久性退化规律，对评价混凝土结构的服役性能、预测混凝土结构的服役寿命、提高混凝土结构工程设计安全性具有重要意义。. 本项目针对荷载与环境因素耦合作用下混凝土结构耐久性退化这一工程问题，以硫酸盐侵蚀引起混凝土内膨胀应力效应及其损伤退化为例，通过理论建模、数值模拟及微观测试分析，研究了荷载与环境因素耦合作用下硫酸根离子在混凝土内的扩散反应规律、侵蚀晶体生长及其引起的微观和宏观应力效应时变规律，主要工作及结果有：(1) 研究了荷载应力下离子在混凝土中的传输与扩散性能，建立了考虑荷载应力影响的混凝土离子扩散系数模型；(2) 建立基于反应动力学的荷载与硫酸盐侵蚀下硫酸根离子在混凝土中的扩散反应模型；(3) 开展了硫酸盐侵蚀过程中混凝土微结构和侵蚀产物的微观定量测试，建立荷载和硫酸盐侵蚀下混凝土中侵蚀晶体生长及膨胀应变的定量计算方法；(4) 建立了基于热力学理论的混凝土内侵蚀晶体生长导致的微观应力应变的分析方法；(5) 研究了混凝土应力应变在微观和宏观尺度之间的转换方法，建立了侵蚀晶体生长引起的混凝土内宏观应力应变等力学效应时变规律的计算理论和数值分析方法。. 目前，本项目已申请了2项国家专利，撰写学术论文18篇，在国际期刊发表或录用7篇，国内核心期刊5篇，在国际会议上发表论文4篇，并参加国际会议4次，其中被SCI收录4篇，EI收录10篇，已被SCI、EI源期刊录用待刊2篇；培养研究生7名。通过本项目的研究，建立了一套荷载与硫酸盐膨胀性侵蚀等典型服役环境下的混凝土损伤分析理论与方法，该研究成果可为镁盐、碱集料反应等具有膨胀性侵蚀特性的混凝土耐久性研究提供借鉴和依据，可为混凝土结构设计的安全性和寿命预测的可靠性提供依据和基础。