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(1.大連交通大學(xué) 土木與安全工程學(xué)院,遼寧 大連 116028;2.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 大連 116023)
氯離子的侵蝕是造成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生劣化的最主要原因之一,對于處于服役期內(nèi)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),長期持續(xù)荷載會(huì)對混凝土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)和微裂縫產(chǎn)生十分重要的影響,從而影響其耐久性。因此,研究長期荷載作用下混凝土氯離子侵蝕問題具有重要的工程意義。
針對荷載作用下的氯離子侵蝕問題,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究,包括試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究。其中試驗(yàn)研究方面主要包括了單軸拉荷載[1-2]、單軸壓荷載[1-8]和彎曲荷載[2,6-10]作用對混凝土氯離子侵蝕的影響,取得了許多有價(jià)值的成果,但研究結(jié)果還存在一定程度的差異。如由于受試驗(yàn)裝置、試驗(yàn)條件的限制導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果偏差較大;難以從微觀角度解釋荷載的作用機(jī)制;得出的氯離子傳輸規(guī)律存在一定差異等。
近年來,基于數(shù)值模擬方法的穩(wěn)定性,部分學(xué)者開始采用數(shù)值模擬方法來研究外部荷載對混凝土氯離子滲透性的影響。Zheng[11]從微觀角度出發(fā),建立了氯離子擴(kuò)散系數(shù)與水泥漿體孔隙率之間的半經(jīng)驗(yàn)方程;金瀏[12]在Zheng[11]的基礎(chǔ)上,基于彈性力學(xué)理論,建立了水泥漿體有效擴(kuò)散系數(shù)與孔隙率及體應(yīng)變之間的定量關(guān)系;杜修力[13]將混凝土看作由骨料、水泥漿基質(zhì)以及界面過渡區(qū)構(gòu)成的三相材料,以體積應(yīng)變和孔隙率作為荷載作用與氯離子傳輸之間的耦合變量,提出了壓荷載作用下混凝土中氯離子擴(kuò)散行為的數(shù)值方法。Li[1]、延永東[4]、Wang[7]等基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)及所需滿足的邊界條件等參數(shù),建立了荷載作用下混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)與應(yīng)力之間的經(jīng)驗(yàn)方程。王顯利[14]、趙翔宇[15]、吳靜新[16]通過采用仿真軟件研究荷載作用下氯離子侵入的模擬過程,提出了氯離子濃度分布的二維數(shù)值模擬方法。
目前,大多數(shù)學(xué)者一般采用等效氯離子擴(kuò)散系數(shù)來體現(xiàn)荷載或裂縫的影響,這一方法對局部區(qū)域的氯離子含量會(huì)產(chǎn)生較大的誤差[17]。本文在相關(guān)研究基礎(chǔ)上,研究了彎曲荷載作用下混凝土氯離子侵蝕問題,從應(yīng)變角度出發(fā),應(yīng)用仿真軟件建立不同工況下的混凝土模型,對每一單元的氯離子擴(kuò)散系數(shù)分別進(jìn)行計(jì)算,并基于數(shù)值模擬分析的結(jié)果對文獻(xiàn)[1,13,16]中模型適用性進(jìn)行了對比研究。
Ansys的熱分析模塊可以處理各種復(fù)雜初始邊界條件下的穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題,軟件中熱分析模塊遵循傅里葉定律,其工作原理基于能量守恒定律的熱平衡方程,用有限元法計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的溫度,其表達(dá)式可以表示為[18]:
(1)
盡管上述表達(dá)式不能直接應(yīng)用于氯離子擴(kuò)散問題研究,但混凝土中氯離子的擴(kuò)散問題和混凝土中熱傳導(dǎo)問題都是基于擴(kuò)散方程,無論從原理還是從表達(dá)形式上,都有非常大的相似性。熱傳導(dǎo)遵循能量守恒定律,氯離子擴(kuò)散遵循質(zhì)量守恒定律;熱傳導(dǎo)遵循傅立葉定律,氯離子擴(kuò)散遵循Fick定律;混凝土中氯離子非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過程相似于熱傳導(dǎo)問題中的瞬態(tài)傳熱過程。因此,可以用Ansys中熱分析模塊來模擬混凝土中氯離子的擴(kuò)散過程。
為了實(shí)現(xiàn)氯離子在混凝土中的擴(kuò)散分析,定義一個(gè)類似于比熱容的系數(shù)α:
α=0.1%
(2)
其物理意義為每千克混凝土中氯離子質(zhì)量濃度升高0.1%所需要的氯離子質(zhì)量。
定義β為氯離子傳導(dǎo)系數(shù),其表達(dá)式為:
β=D·ρ·α
(3)
其中,D為混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)(m2/s);ρ為混凝土密度(kg/m3)。
因此,根據(jù)質(zhì)量守恒定律,氯離子的非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散問題可以矩陣形式表達(dá)為:
(4)
混凝土中氯離子的滲透問題受其微/細(xì)觀結(jié)構(gòu)(如毛細(xì)孔、凝膠孔等)的影響,而其微/細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化又與混凝土的體積應(yīng)變密切相關(guān)。在荷載作用下,混凝土內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變,隨著應(yīng)變的積累,導(dǎo)致混凝土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化,進(jìn)而影響到混凝土中氯離子的擴(kuò)散性能。因此,通過引入體積應(yīng)變作為持續(xù)荷載與氯離子擴(kuò)散系數(shù)之間的耦合變量,從而建立荷載與混凝土中氯離子侵蝕之間的傳輸模型。研究路線為:結(jié)構(gòu)分析得到應(yīng)變場→建立體應(yīng)變與孔隙變化關(guān)系→建立孔隙與氯離子擴(kuò)散系數(shù)關(guān)系→依據(jù)體應(yīng)變將氯離子擴(kuò)散系數(shù)向有限元模型映射→氯離子侵蝕分析。
實(shí)際上,對于處于復(fù)雜工況的混凝土結(jié)構(gòu),不同部位的混凝土由于其應(yīng)力水平的不同,氯離子擴(kuò)散系數(shù)并不相同。而目前針對持續(xù)荷載作用下混凝土氯離子侵蝕的相關(guān)研究,一般采用固定的氯離子擴(kuò)散系數(shù)來體現(xiàn)荷載的影響。因此,為了避免對局部區(qū)域的氯離子含量的認(rèn)知產(chǎn)生較大誤差,并針對Ansys剖分單元的性質(zhì),本文從模型單元體積應(yīng)變的角度出發(fā),在Ansys軟件建模的基礎(chǔ)上,對不同工況下,混凝土模型每一單元的氯離子擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行賦值,從而實(shí)現(xiàn)對混凝土內(nèi)部氯離子濃度進(jìn)行分析。關(guān)鍵步驟如下:對Ansys中建立的混凝土模型進(jìn)行靜力分析,得到應(yīng)變場,并提取每個(gè)單元的體應(yīng)變;引入計(jì)算模型,將體積應(yīng)變與氯離子擴(kuò)散系數(shù)形成一一對應(yīng)的映射關(guān)系;把分析類型轉(zhuǎn)換成熱力學(xué)分析,將映射后單元的氯離子擴(kuò)散系數(shù)通過APDL語言對相應(yīng)單元進(jìn)行賦值;設(shè)定邊界條件,對混凝土模型進(jìn)行氯離子侵蝕過程模擬分析。
目前關(guān)于荷載與氯離子侵蝕耦合作用下的混凝土中氯離子傳輸模型的研究主要包括兩種途徑。一方面,從微觀的角度出發(fā),通過對氯離子輸運(yùn)機(jī)理的研究建立荷載作用下的氯離子傳輸模型,如:Zheng[11]、杜修力[13]、金瀏[12]等;另一方面,在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)與應(yīng)力的計(jì)算模型。本文選擇以下三種模型并引入數(shù)值模擬軟件進(jìn)行對比分析。
模型Ⅰ:Zheng等[11]提出了氯離子擴(kuò)散系數(shù)Dcp與水泥漿體孔隙率p之間的半經(jīng)驗(yàn)方程,如式(5)所示:
(5)
其中,p為當(dāng)前孔隙率;Dp=1.07×10-10m2/s,為氯離子在混凝土孔隙溶液中的擴(kuò)散系數(shù);n為待定參數(shù),通常取14.44。
杜修力[13]通過理論推導(dǎo)獲得當(dāng)前孔隙率p與初始孔隙率p0及體應(yīng)變?chǔ)舦之間的關(guān)系式,其表達(dá)式為:
(6)
DU[19]認(rèn)為混凝土是由骨料、水泥漿體基質(zhì)及界面過渡區(qū)(界面區(qū))組成的三相復(fù)合材料,三相材料的氯離子擴(kuò)散系數(shù)存在某種定性關(guān)系。因此本文將荷載作用下,仿真軟件靜力學(xué)場分析得到的混凝土體積應(yīng)變作為熱力學(xué)場分析的“初始輸入”條件,在進(jìn)行映射轉(zhuǎn)化之后,轉(zhuǎn)化為混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù),進(jìn)而進(jìn)行荷載作用下混凝土的氯離子侵蝕分析。
模型Ⅱ:Garboczi等[20]基于試驗(yàn)結(jié)果采用數(shù)值方法提出了砂漿基體的氯離子擴(kuò)散系數(shù)與其孔隙率之間的擬合關(guān)系:
Dref=D0·[0.001+0.07φ2+1.8H·(φ-φth)3]
(7)
其中,D0=2.203×10-9m2/s(25℃時(shí))為氯離子在水溶液中的擴(kuò)散系數(shù);φ為砂漿基體的孔隙率;H為Heaviside函數(shù),當(dāng)φ>φth時(shí),H=1,否則H=0;φth為孔隙率臨界值,取0.18。
吳靜新[16]通過理論推導(dǎo)出混凝土體積應(yīng)變與孔隙率的關(guān)系,考慮時(shí)間、飽和度、溫度和凍融損傷等因素,在Garboczi[20]等的基礎(chǔ)上建立了混凝土材料綜合擴(kuò)散系數(shù)與孔隙率的關(guān)系,見式(8):
(8)
模型Ⅲ:Li[1]在研究不同應(yīng)力條件下持續(xù)軸向受拉的混凝土中氯離子侵蝕問題時(shí),基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及所滿足的邊界條件,建立了氯離子擴(kuò)散系數(shù)與拉應(yīng)力水平的經(jīng)驗(yàn)公式,見式(9):
D=D0[0.2984σ2-0.1978σ+1],[σ∈(0,0.7ft)]
(9)
其中,D0為無荷載作用下氯離子的表觀擴(kuò)散系數(shù);σ為施加的拉應(yīng)力;ft為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度的測量值。
本文首先通過Ansys仿真軟件對混凝土試件進(jìn)行靜力學(xué)分析,進(jìn)而對持續(xù)荷載作用下混凝土中氯離子的侵蝕過程進(jìn)行模擬分析。運(yùn)用有限元法對模型進(jìn)行單元剖分時(shí),選取八節(jié)點(diǎn)的六面體單元來劃分混凝土試件模型網(wǎng)格,單元尺寸為5mm。
模擬彎曲荷載的靜力學(xué)作用時(shí),試件模型大小為100×100×400mm,其加載方式為四點(diǎn)彎曲方式,試件尺寸及加荷載方式如圖1所示。
圖1 加載方式Fig.1 Loading method
邊界條件為:模型頂面距兩端25mm處為施加荷載處,底面左右距跨中50mm處采用固定約束,其余面采用自由邊界。表1為混凝土主要參數(shù)[9]。取泊松比PRXY=0.2,彈性模量EX=2.8×1010Pa。
表1 混凝土模型性能參數(shù)/kg·m-3Table 1 Performance parameters of concrete model/kg·m-3
在對混凝土氯離子侵蝕過程進(jìn)行模擬分析時(shí),其邊界條件為:頂面受拉區(qū)為氯離子侵蝕面,不同工況下分別設(shè)定相應(yīng)氯離子侵蝕初始濃度Cs(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),具體數(shù)值取自文獻(xiàn)[9],荷載比為0.3和0.6的混凝土試件氯離子表面濃度分別采用0.4556%和0.4131%;其余界面以及混凝土內(nèi)部初始氯離子濃度設(shè)定為C0=0。
圖2為不同應(yīng)力條件下距頂面30mm處,試件跨中區(qū)域200mm范圍內(nèi)的體應(yīng)變分布曲線圖。圖中可見,在彎曲荷載作用下,隨著應(yīng)力水平的不斷增加,同一位置的體積應(yīng)變也在不斷增大,跨中區(qū)域增大幅度最大,并在中點(diǎn)位置取得最大值。實(shí)際上,由于混凝土應(yīng)力分布的不均勻性及其本身的非均質(zhì)性,彎曲荷載作用下混凝土內(nèi)部的各單元的力學(xué)行為各不相同,進(jìn)而致使各單元的孔隙率表現(xiàn)出差異性,最終影響混凝土中氯離子的擴(kuò)散性能。通過仿真軟件的靜力學(xué)分析,得到混凝土模型中各單元的體應(yīng)變及相應(yīng)的參數(shù),可通過前述模型分別計(jì)算得到混凝土內(nèi)部各個(gè)單元的氯離子擴(kuò)散系數(shù),并在氯離子擴(kuò)散分析時(shí),對各單元氯離子擴(kuò)散系數(shù)一一賦值。
圖2 跨中區(qū)域體應(yīng)變分布曲線Fig.2 Distribution curves of bulk strain in midspan region
圖3為0.3倍極限荷載的情況下,混凝土在氯離子溶液中侵蝕120及200d,采用不同模型分析得到的氯離子濃度與深度的關(guān)系曲線圖。圖4為0.6倍極限荷載的情況下,混凝土在氯離子溶液中侵蝕120及200d,不同模型分析得到的氯離子濃度與深度的關(guān)系曲線圖。從圖3、圖4可見,在分別采用三種計(jì)算模型的情況下,混凝土中隨著深度的增加氯離子濃度均不斷減小,且其氯離子濃度減小的趨勢變緩,這與文獻(xiàn)[9]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)相一致??梢?,模型Ⅱ與試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較出現(xiàn)了一定的偏差,而模型Ⅰ、模型Ⅲ與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)較好的擬合性,能很好地反映出彎曲荷載作用對混凝土中受拉區(qū)域氯離子侵蝕行為的影響。同時(shí)對比模型Ⅰ與模型Ⅲ可以發(fā)現(xiàn),對于混凝土表面下不同深度的氯離子濃度,模型Ⅰ得到的值總是大于模型Ⅲ,隨著距表面的深度不斷增加,其之間的差值先增大后減小,隨著受荷載的影響減小,其氯離子擴(kuò)散能力的不斷減弱,最終氯離子濃度趨于相同。
圖3 施加0.3倍極限荷載情況下氯離子濃度與深度的關(guān)系 (a) 侵蝕120天; (b) 侵蝕200天Fig.3 Relationship between the chloride content and depth as 0.3 times the ultimate load (a) 120 days of erosion; (b) 200 days of erosion
圖4 施加0.6倍極限荷載的情況下氯離子濃度與深度的關(guān)系 (a) 侵蝕120天; (b) 侵蝕200天Fig.4 Relationship between the chloride content and depth as 0.6 times the ultimate load (a) 120 days of erosion; (b) 200 days of erosion
對比圖3(a)和圖4(a)還可知,在相同的侵蝕時(shí)間下,同一位置處0.6倍極限荷載下的氯離子濃度明顯大于0.3倍極限荷載下的氯離子質(zhì)量濃度,如在距表面15mm處,模型Ⅰ在0.3倍極限荷載條件下計(jì)算結(jié)果為0.15%,而在0.6倍極限荷載情況下為0.19%,同時(shí)還可看出,荷載水平增加導(dǎo)致體應(yīng)變對氯離子侵蝕能力的影響增強(qiáng)。在彎曲荷載作用下,隨荷載水平增加,混凝土中孔隙數(shù)量與連通性增大,從而導(dǎo)致氯離子在混凝土中的侵蝕性能隨之增強(qiáng)。
圖5 跨中氯離子擴(kuò)散系數(shù)D縱向分布情況Fig.5 Vertical distribution of chloride diffusion coefficient D in midspan
針對模型Ⅰ既可分析受拉區(qū)域也可分析受壓區(qū)域的特點(diǎn),圖5給出了在引用模型Ⅰ的情況下,混凝土試件垂直于中性軸,從上表面到底面單元氯離子擴(kuò)散系數(shù)的縱向分布情況。由圖可見,隨著距離上表面深度的逐漸增加,混凝土豎向單元的氯離子擴(kuò)散系數(shù)在不斷減小,其中在中性層以上的受拉區(qū)域相同位置處,0.6倍極限荷載水平下單元的氯離子擴(kuò)散系數(shù)要大于0.3倍極限荷載水平,在中性軸以上的受拉區(qū)域,隨著應(yīng)力水平的增大,單元的體應(yīng)變也隨之增大,其輸運(yùn)能力也相應(yīng)增加,進(jìn)而導(dǎo)致其擴(kuò)散系數(shù)增大。另一方面,中性軸以下的受壓區(qū)域,對于相同的位置0.6倍極限荷載水平下單元的氯離子擴(kuò)散系數(shù)則小于0.3倍極限荷載水平,而0.3倍極限荷載水平下單元的氯離子擴(kuò)散系數(shù)又小于未施加荷載情況下的氯離子擴(kuò)散系數(shù)。實(shí)際上,在彎曲荷載的作用下,0.6倍極限荷載水平下的混凝土受壓區(qū)域,其受到的壓應(yīng)力要大于0.3倍極限荷載水平,在彈性范圍內(nèi),壓應(yīng)力會(huì)使得混凝土中的孔隙結(jié)構(gòu)甚至毛細(xì)孔出現(xiàn)閉合現(xiàn)象,從而導(dǎo)致其連通性降低,最終影響到單元的氯離子擴(kuò)散系數(shù),其數(shù)值隨著壓應(yīng)力的增大而減小。
由于本文采用的數(shù)值模擬方法是通過對每一單元進(jìn)行氯離子擴(kuò)散系數(shù)的賦值轉(zhuǎn)化而實(shí)現(xiàn)的,因此由靜力分析可以看出,在四點(diǎn)彎曲的情況下,跨中區(qū)域上部受拉單元的應(yīng)力應(yīng)變隨著位置的不同而變化,相應(yīng)位置的氯離子擴(kuò)散系數(shù)以及氯離子濃度也不相同。圖6為采用模型Ⅲ在0.6倍極限荷載情況下,混凝土在氯離子溶液中分別侵蝕不同時(shí)間后,跨中區(qū)域200mm范圍內(nèi),距離表面25mm處氯離子濃度縱向分布的對比圖。
圖6 氯離子濃度縱向分布Fig.6 Longitudinal distribution of chloride content
從圖6可見,距離跨中兩側(cè)50mm范圍內(nèi)的氯離子濃度明顯大于邊緣部位的氯離子濃度。以混凝土試件在氯離子溶液中侵蝕300d為例,此時(shí)跨中處氯離子的質(zhì)量濃度為0.07486%,而在距跨中100mm處的氯離子質(zhì)量濃度僅為0.06398%。兩點(diǎn)之間氯離子濃度差值N=0.01088%。實(shí)際上,混凝土試件在氯離子溶液中侵蝕不同的時(shí)間,對于跨中位置與距離跨中100mm處的位置來說,兩者之間的氯離子濃度差并不相同,其差值隨著侵蝕時(shí)間的增加而增加。針對上述兩點(diǎn)的氯離子濃度,對于侵蝕時(shí)間為300d的氯離子濃度差(N=0.01088%)明顯大于侵蝕時(shí)間為100d的差值(N=0.00249%),隨著侵蝕時(shí)間的增加,跨中區(qū)域氯離子的增長幅度大于兩側(cè)氯離子的增長幅度。同時(shí)從圖6還可看出,氯離子濃度的最高值并不在跨中處,這與混凝土試件受荷載作用下其應(yīng)變場分布密切相關(guān)。圖7給出了跨中200mm范圍內(nèi)局部區(qū)域的體應(yīng)變分布云圖。
圖7 局部區(qū)域體應(yīng)變分布云圖Fig.7 Local region distribution contours of bulk strain
圖8給出了不同荷載水平下,采用模型Ⅲ求得的混凝土侵蝕表面下深度為25mm處的氯離子質(zhì)量濃度與侵蝕時(shí)間t之間的關(guān)系曲線。從圖可見,隨著彎曲荷載水平的增大,氯離子在混凝土中的擴(kuò)散能力不斷改變。實(shí)際上,在大量微裂紋出現(xiàn)并貫通形成宏觀裂縫之前,在彎曲荷載下混凝土中氯離子侵蝕性能之所以發(fā)生改變,其中起主要作用的是混凝土中的孔隙率。
圖8 氯離子濃度隨侵蝕時(shí)間的變化曲線Fig.8 Curves of chloride content with time varying
綜上所述,在彎曲荷載的條件下,對三種計(jì)算模型進(jìn)行了對比分析,從跨中區(qū)域氯離子濃度分布曲線可以看出,在相應(yīng)邊界條件下,基于輸運(yùn)機(jī)理建立的模型Ⅰ與基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立的模型Ⅲ與文獻(xiàn)[9]試驗(yàn)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出較好的吻合性,能夠很好地反映出彎曲荷載作用對混凝土中受拉區(qū)域氯離子侵蝕行為的影響,模型Ⅱ出現(xiàn)了一定的偏差。持續(xù)荷載作用下,混凝土內(nèi)部應(yīng)力或體應(yīng)變會(huì)對氯離子的侵蝕性能產(chǎn)生較大影響,采用均一氯離子擴(kuò)散系數(shù)分析,會(huì)產(chǎn)生較大誤差,而采用與體應(yīng)變一一對應(yīng)的多氯離子擴(kuò)散系數(shù)分析,則能較好地模擬荷載作用下氯離子對混凝土結(jié)構(gòu)的侵蝕性能。
1.通過對軟件中參數(shù)的合理等效,提出了一種基于Ansys仿真軟件熱分析模塊研究混凝土中氯離子侵蝕問題的數(shù)值模擬方法,得到的數(shù)據(jù)與試驗(yàn)結(jié)果具有較好的吻合性,證明了本文所提出方法的有效性。
2.考慮了在彎曲荷載情況下不同部位氯離子擴(kuò)散系數(shù)的差異性,引入了不同的計(jì)算模型,基于有限單元法,將混凝土單元的應(yīng)力或者體應(yīng)變與氯離子擴(kuò)散系數(shù)形成一一對應(yīng)的映射關(guān)系,進(jìn)而得到了不同邊界條件下混凝土中氯離子濃度的分布規(guī)律。
3.采用仿真軟件可以模擬彎曲荷載作用下混凝土內(nèi)氯離子的侵蝕過程,只要賦予相應(yīng)的荷載和侵蝕條件,該方法即可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜荷載及邊界條件下混凝土的氯離子侵蝕分析。