硫酸盐侵蚀下混凝土灌注桩的损伤效应

作者:李镜培;谢峰;李亮;李林;赵高文; 刊名:哈尔滨工业大学学报 上传者:陈群

【摘要】为分析外部硫酸盐腐蚀对混凝土灌注桩截面损伤和承载力的影响,研究了硫酸根离子在混凝土灌注桩中的扩散反应规律并探讨了桩身结构性能退化的影响因素.基于Fick第二定律建立了柱坐标下硫酸根离子的非稳态扩散反应方程,采用数值方法得到了扩散方程求解的有限差分格式,并通过相关试验结果验证了理论模型与计算方法的正确性.根据化学反应生成的膨胀产物计算膨胀应变,并通过损伤演化函数计算桩身截面损伤和承载力,建立了桩基损伤度与桩身承载力的相关关系,对比分析了不同腐蚀因素和腐蚀时间对桩基损伤与桩身承载力的影响.研究结果表明:内膨胀应变和损伤在表层的发展速度比内层发展更为迅速,增大桩半径能显著提高桩基的耐久性和承载能力,而水灰比大于0.4时,桩基损伤增长幅度最大.因此,合理增加桩半径并采用较小的水灰比能有效减小桩身混凝土损伤,提高桩基的耐久性并减少桩身承载能力的损失.

全文阅读

中国西北地区存在大范围的盐渍土、盐湖,气候环境恶劣,服役于这些地区的桩基易遭受硫酸盐侵蚀破坏,对桩基结构性能和服役寿命造成严重影响[1].硫酸盐对混凝土腐蚀时发生复杂的化学-力学反应,由化学作用引起的膨胀应变和物理作用产生的结晶压力导致混凝土开裂破坏,微裂纹的产生同样加速了混凝土结构性能劣化[2-3]. 目前腐蚀环境下的扩散理论模型基本以混凝土板、墙等为代表的直角坐标系为主,而缺乏以混凝土桩基、桥墩等为对象的柱坐标扩散理论研究[4].由于几何差异导致扩散方程的改变,有必要探讨硫酸盐在柱坐标下的扩散规律和计算方法.关于硫酸盐侵蚀机理,迄今已取得不少研究成果,主要探讨硫酸盐在扩散过程中由于化学-物理作用引起混凝土内部的微观结构改变,建立起化学-力学耦合模型并开展相关材料力学性能分析[5-7];诸多学者[8-10]对硫酸盐腐蚀下混凝土的损伤规律建立了不同的理论模型,然而当前的研究深度相当有限,仍缺乏较为完善的理论建立起硫酸盐侵蚀下由细观到宏观的侵蚀损伤模型,且不能定量反映侵蚀产物引起混凝土开裂与损伤破坏的全过程,这将直接导致相关结构耐久性和服役寿命预测出现困难.因此,正确建立硫酸盐侵蚀作用下混凝土损伤效应定量分析方法,是值得进一步深入研究的课题. 硫酸盐侵蚀将引起混凝土桩基结构性能退化,桩身承载力显著下降,当桩顶荷载大于桩身极限承载力时将引起桩身脆断破坏[11].由腐蚀引起桩身强度退化是导致腐蚀环境中桩基结构失效的主要原因,目前硫酸盐侵蚀引起的桩基损伤和承载力演变规律还有待更深入的研究.本文将以混凝土灌注桩为研究对象,建立柱坐标下硫酸根离子非稳态扩散的化学-力学模型并推导出相应的数值求解计算方法,通过引入损伤演化函数,确立桩基损伤度与桩身承载力之间的相关关系,对影响桩基损伤与桩身承载力的主要因素进行比较分析. 1 理论模型 1.1 扩散反应方程 混凝土灌注桩遭受外部硫酸盐侵蚀时,硫酸根离子在混凝土中的侵蚀过程可等效为一维柱坐标系下的扩散-反应方程.以文献[3,6]扩散理论模型为基础,根据Fick第二定律和化学反应动力学理论,建立硫酸根离子在一维柱坐标下的扩散反应方程式: 式中:C表示硫酸根离子浓度,D为硫酸根离子的有效扩散系数.将混凝土孔隙溶液视为电解溶液并考虑离子扩散,扩散系数可表示为孔隙率、硫酸根离子浓度和时间相关的函数[2],即D=φDm(C,t);t为扩散时间,r为侵蚀点的径向距离,R为桩半径,k为化学反应速率常数,Cd为化学反应过程中消耗的硫酸根离子浓度,CCA0为初始钙铝酸盐浓度,β为石膏质量分数,φ0为混凝土初始孔隙率.φ为混凝土侵蚀过程中的孔隙率[3]: , (2) 式中:fcv为混凝土中水泥所占的体积分数,w/c为水灰比;hα表示水泥水化程度,其与水泥水化时间有关[2]. 1.2 混凝土膨胀应变计算 硫酸盐侵蚀引起混凝土的膨胀应变可通过化学-力学理论计算,在混凝土内部孔隙溶液中,硫酸根离子先与水泥水化产物氢氧化钙(CH)反应生成石膏,而石膏作为中间相与水泥中水化铝酸钙(C3A、、C4AH13)反应生成膨胀产物钙钒石;当混凝土孔隙填充到一定程度时,膨胀产物与混凝土内部孔隙的孔壁接触并产生拉应力,此时由化学反应引起的体应变为[7] , (3) 式右边第一项表示由化学反应引起的内膨胀应变,第二项fφ表示孔隙填充程度,f表示孔隙填充率;ΔVi/Vi表示各铝酸钙相C3A、和C4AH13参与反应时对应的体积变化,分别为:1.31、0.48、0.55[5];Mi/ρi和Ci/∑Ci

参考文献

引证文献

问答

我要提问