硫酸盐侵蚀混凝土的动态抗压力学性能与微细观机理研究

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作为土建工程中应用最广泛的材料之一,混凝土是一种典型的率敏感性材料,强度和变形能力随应变率的变化有明显改变。而正在服役中的混凝土构件不仅受到静力荷载作用,还要无法避免地遭受如地震荷载、风力作用、波浪冲击和爆炸等动力荷载作用。此外混凝土还会遭受环境侵蚀作用,面临耐久性问题,其中硫酸盐侵蚀作用影响复杂且危害性较大。因此对硫酸盐侵蚀程度不同的混凝土材料进行动态抗压试验和机理探索是一项有意义的工作。首先,对不同腐蚀周期混凝土方柱进行2×10-5/s10-3/s应变率范围动力抗压试验。分析未腐蚀、腐蚀60天和腐蚀120天混凝土的抗压强度、变形能力以及破坏形态在不同加载速率下的变化规律。试验结果表明,不同腐蚀周期混凝土抗压强度都随应变率的增加而增加,且腐蚀混凝土抗压强度表现出更明显的应变率效应;而弹性模量都随应变率增加没有显著改变;关于峰值应变,未腐蚀和腐蚀60天混凝土随应变率的增加而增加,腐蚀120天混凝土随应变率的增加先增大后减小;随着应变率增加,混凝土吸能能力显著增大,且相同应变率下,吸能能力随腐蚀周期增加而减小;破坏形态也表现出典型应变率效应,且腐蚀时间越长的混凝土,破坏越严重。同时本文通过X射线衍射和SEM扫描电镜等微观测试方法分析不同腐蚀周期不同位置混凝土材料内部物质成分和形貌的变化。研究结果表明,随着腐蚀进行,钙矾石晶体不断增加,Ca(OH)2晶体不断减少,而CaSO4·2H2O晶体先减少后增加,内部结构也是先变得致密而后空隙和微裂纹增多,且不同位置处几种晶体的变化规律并不相同;微观形貌以及矿物成分发生的变化,导致材料内部自由水以更利于发生粘滞作用的分布存在,从而改变不同腐蚀周期混凝土材料的应变率效应。最后本文在细观尺度上把混凝土材料视为由骨料、砂浆和界面过渡区组成的多相材料,建立基于随机骨料模型的混凝土细观力学模型,借助大型有限元计算软件ANSYS,对混凝土试件进行单轴受压力学性能研究,并探索腐蚀对混凝土抗压力学性能的影响。研究结果显示,界面过渡区是混凝土内部最弱部位,对混凝土抗压强度、弹性模量等力学性能产生较大影响,腐蚀后混凝土的腐蚀深度和腐蚀程度是影响混凝土力学性能的重要指标。
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