堿硅酸反應膨脹及其對混凝土單軸受壓本構關系的影響.pdf

1、堿硅酸反應(Alkalisilicareaction，ASR)是混凝土耐久性研究中的一個重要課題。混凝土澆筑后，水泥、外加劑、礦物摻合料中的堿逐步釋放到孔隙溶液中，并與骨料中的活性物質發(fā)生化學反應，生成堿硅凝膠，在水分充足的情況下，堿硅凝膠表現出極強的膨脹能力，在混凝土內部產生裂縫，嚴重時會導致混凝土開裂破壞。ASR對混凝土影響的宏觀表現包括兩個方面:(1)ASR引起的混凝土膨脹變形:試驗研究表明，堿和骨料粒徑是ASR膨脹的重要影響因素

2、。但現有“有效堿”的定義忽略了“參與反應的堿”與“體系提供的堿”二者之間的差異，而由于試驗原料和方法上的差異，骨料粒徑對ASR膨脹的影響也尚無統(tǒng)一結論。在ASR膨脹的模型預測方面，人們在對ASR化學反應過程進行模型描述的同時，卻忽略了凝膠膨脹導致的裂縫所引起的混凝土各組分內應力狀態(tài)的變化，從而影響了對最終膨脹的準確預測。(2)ASR造成的混凝土力學性能衰減:試驗研究表明，ASR對混凝土抗壓強度、抗拉強度和彈性模量有重要的影響，但目前針對

3、ASR混凝土本構關系的試驗研究和模型研究卻都很少。而單向應力狀態(tài)下混凝土的應力-應變關系，是混凝土結構設計和復雜應力狀態(tài)下混凝土應力分析的研究基礎和重要參數。對于ASR混凝土來說，凝膠膨脹導致的裂縫會引起混凝土剛度和強度的降低，并最終影響到結構的穩(wěn)定性。從上述兩個方面看，繼續(xù)開展ASR膨脹研究，以及ASR混凝土單軸應力狀態(tài)下應力-應變關系的研究有著重要的意義。在ASR混凝土破壞的整個過程中，ASR膨脹是連接反應過程與宏觀物理破壞的紐帶，

4、因此，本文將ASR膨脹作為論文研究的中心問題。
　　 圍繞混凝土ASR膨脹這一中心問題，本文系統(tǒng)開展了ASR膨脹及ASR混凝土單軸受壓狀態(tài)下應力-應變關系的試驗研究和數值模擬。論文的研究內容、結論及創(chuàng)新性主要體現在以下幾個方面:
　　 (1)對有效堿定義的修正，并基于此提出ASR化學反應過程的計算模型。
　　 在ASR膨脹計算的基本理論方面，通過對混凝土材料化學侵蝕的本質和研究方法的分析總結，明確了參與ASR的各

5、種離子在砂漿及骨料內的遷移與擴散，是影響混凝土ASR的關鍵因素?；炷潦且环N多孔材料，內部的離子擴散過程可采用擴散理論進行分析。混凝土ASR膨脹的核心過程可以概括為:水和各種化學離子向活性骨料的擴散及其引起的硅氧四面體結構解體，化學反應作用下堿硅凝膠的形成，和凝膠的吸水膨脹及其引起的混凝土變形。
　　 在對有效堿定義的修正方面，對現有有效堿定義的缺陷進行了系統(tǒng)分析，指出傳統(tǒng)的有效堿定義忽略了“參與反應的堿”和“體系為反應提供的堿

6、”這兩者之間的差異，將其定義為能夠到達活性骨料，并與活性物質發(fā)生ASR的堿更為合理，并更方便其在ASR膨脹模擬計算中的應用。這些為混凝土ASR膨脹的數值模擬提供了理論依據。
　　 在ASR化學反應過程的計算模型方面，以ASR化學過程中有效堿和活性SiO2的消耗為研究目標，分別基于Fick第二定律和固相反應理論對ASR的化學反應過程進行描述，獲得ASR化學反應過程中有效堿和活性SiO2消耗量的表達式，并通過凝膠組分的Na2O/Si

7、O2和摩爾體積將其轉為凝膠的最終體積。通過對已發(fā)表文獻的統(tǒng)計分析，確定凝膠Na2O/SiO2小于0.5，摩爾體積為21.5cm3/mol。
　　 (2)結合ASR化學反應過程的計算模型，采用力學理論描述堿硅凝膠的物理膨脹過程，提出考慮裂縫存在的混凝土ASR膨脹變形的數值計算模型，具有創(chuàng)新性。開展混凝土ASR膨脹的試驗研究，并對數值模型的準確性進行驗證。
　　 在ASR膨脹的數值模擬方面，認為膨脹的動力來源于反應生成的堿硅

8、凝膠，凝膠的體積通過ASR化學反應過程的計算模型獲得。提出由于凝膠膨脹引起的砂漿開裂在ASR膨脹過程中的作用不可忽視，并從復合材料力學的角度將混凝土看成由骨料、開裂區(qū)砂漿、未開裂砂漿組成的三相材料，混凝土ASR膨脹通過外圈未開裂砂漿的變形表示。在此基礎上，建立了基于擴散和彈性力學的ASR膨脹模型，以及基于固相反應和彈塑性力學的ASR膨脹模型，模型的關鍵是開裂區(qū)砂漿半徑的確定。
　　 在ASR膨脹的試驗研究方面，研究了粗骨料粒徑對

9、ASR膨脹的影響，并以膨脹率為衡量指標研究ASR對混凝土彈性模量、抗壓強度和基體孔隙率的影響。結果表明，混凝土ASR膨脹隨著粗骨料粒徑的增加而降低;活性骨料粒徑越小，在達到相同膨脹率時，ASR混凝土彈性模量和抗壓強度的衰減越嚴重;活性骨料粒徑越大，ASR對基體孔隙率的影響越小。ASR膨脹試驗結果與計算結果的對比表明，基于擴散和彈性理論的膨脹計算模型，在20d齡期之前，可以很好的模擬ASR膨脹;而基于固相反應和彈塑性力學的膨脹計算結果與試

10、驗結果具有良好的相關性，可以更好的反應出ASR膨脹隨齡期的變化。
　　 (3)系統(tǒng)開展ASR混凝土單軸受壓應力-應變全曲線的試驗研究，并基于試驗數據，建立了ASR混凝土單軸受壓下的本構方程及其參數擬合方程，具有創(chuàng)新性;從混凝土ASR膨脹出發(fā)，建立基于細觀力學的ASR混凝土單軸受壓應力-應變關系的數值模型。
　　 在ASR混凝土單軸受壓試驗研究方面，針對0.23、0.35和0.53三個水灰比的系列試驗結果表明，ASR作用下

11、混凝土的彈性模量逐漸衰減，峰值應力降低，峰值應變逐漸增大;當活性骨料粒徑和摻量相同時，動彈性模量衰減程度隨水灰比的降低而減小;當混凝水灰比相同，活性骨料摻量一致時，動彈性模量衰減程度隨骨料粒徑的增加而減小。結合課題組溶蝕試驗研究數據，對比研究了損傷路徑對混凝土損傷的影響，結果表明，不同初始強度的混凝土在各自服役環(huán)境中經過不同的損傷之后均達到相同的強度，此時這兩種“受損混凝土”的性能并不一樣，說明了本研究開展的必要性
　　 在AS

12、R混凝土單軸受壓本構方程方面，基于過鎮(zhèn)海模型和CEB/FIP模型，通過對混凝土峰值應力和峰值應變等參數的系統(tǒng)分析與擬合，建立了以28d立方體抗壓強度和膨脹率為主要參數的ASR混凝土單軸受壓本構方程及其參數擬合方程，方程擬合結果與試驗結果及文獻數據吻合良好。
　　 在ASR混凝土單軸受壓應力-應變全曲線的數值模擬方面，將混凝土視為由骨料、ITZ、砂漿組成的三相復合材料，建立圓形骨料二維隨機分布模型，采用雙折線本構模型描述細觀單元的

13、損傷過程。以試驗數據為基礎，從ASR膨脹對彈性模量的影響出發(fā)，建立混凝土彈性模量與ASR膨脹率的關系，獲取ASR混凝土不同膨脹率對應的彈性模量，并以此為參數，采用三相復合球模型進行反演計算，最終確定ASR混凝土不同膨脹率對應的砂漿和ITZ的力學參數，采用有限單元法完成對ASR混凝土應力-應變關系的數值模擬。數值模擬獲得的結果可以很好的反應混凝土在不同ASR階段的應力-應變全曲線的特征。數值計算結果與試驗結果具有一定的誤差，但在允許范圍之