摘要： 基于混凝土干湿循环试验和混凝土细观力学对混凝土在海水侵蚀环境下力学性能的变化进行了研究。混凝土干湿循环试验方面，采用加速腐蚀试验,对混凝土试件和根据混凝土配比制成的砂浆试件进行0次、10次、20次、30次、40次和50次干湿循环,利用大型混凝土静、动三轴试验系统,检测了海水侵蚀作用对混凝土抗压强度、抗拉强度、弹性模量及应力- 应变关系的影响。基于混凝土细观力学理论，对混凝土试块进行了细观数值模拟，考虑了混凝土各组成相的非均匀性，各组成相的材料性质按照Weibull分布来赋值，同时为反映海水侵蚀作用对混凝土的影响，砂浆的强度和弹性模量均以砂浆干湿循环试验所得结果为准。建立了混凝土随干湿循环次数变化的抗压强度折减模型：F=53.789e-0.0117N,抗拉强度折减模型：F=5.3794e-0.01N和弹性模量的折减模型：E=64.735e-0.0191N。
关键词：混凝土；抗侵蚀性；人工海水；细观数值模拟；加速腐蚀试验；
0. 引言
众所周知,混凝土在海洋与沿海、道路除冻盐、盐碱地、工业盐环境中会发生侵蚀破坏,这种破坏的主要原因是混凝土遭受环境中氯离子、镁离子和硫酸根的侵蚀,这些有害离子通过混凝土孔隙进入到内部,并与混凝土中的氢氧化钙及水化铝酸钙作用生成新的盐类物质,生成的难溶盐类物质往往产生较大的体积膨胀,在孔隙的内部产生很大的内应力,长期的积累会使混凝土开裂;一些可溶性的盐在海水的反复冲刷下溶解析出,使混凝土孔隙率增加,增大了氯离子渗入混凝土内部的孔道,加剧了钢筋锈蚀,并使混凝土涨裂剥落。另外,如果水灰比控制不严,施工质量较差,混凝土振捣不密实,甚至出现蜂窝麻面等现象,这些都会加剧盐溶液环境对混凝土的侵蚀,使结构变得松软,强度降低,耐久性下降[2]。
目前，关于混凝土经海水侵蚀作用后力学性能变化的研究较少，而基于混凝土细观力学对混凝土在海水侵蚀作用后的数值分析的研究还未见相关报道。文献[2-4]通过加速腐蚀试验研究了普通硅酸盐水泥和矿渣硅酸盐水泥在海水侵蚀后物理力学性能的变化，但没有进行混凝土细观力学方面的分析。文献[6]分析了不同界面参数、不同砂浆损伤参数、不同加载形式对混凝土试件的变形特点、破坏形式以及承载能力的影响，探讨了混凝土宏观力学性能(如应变软化和剪胀等性质)的细观机制。文献[7]研究了主要力学参数的随机分布对混凝土试件宏观表征力学性质的影响。以上研究均没有将试验和数值分析结合起来，也没有通过细观数值分析研究混凝土受海水侵蚀的影响。
本文通过将混凝土干湿循环试验和细观力学分析相结合，建立了海水侵蚀作用下混凝土力学性能退化模型，对混凝土受海水侵蚀作用影响的研究方面具有一定的参考价值。
1. 混凝土干湿循环试验
进行干湿循环试验的混凝土试件规格为100mm×100mm×100mm。 试件均采用标准钢模成型,24h拆模后露天盖草袋养护。表1为每立方米混凝土的配合比及性能指标。
为了在短时间内进行有效的试验,本试验采用人工海水作为侵蚀液,配制5倍于海水浓度的侵蚀液,称为人工海水。人工海水中各种盐含量见表2。
混凝土力学性能试验,是在大型三轴电液伺服试验机上完成的。试验时,将试件安装在试验机的加载板间,试件加载面与加载板之间采取减摩措施,减摩材料采用塑料薄膜和甘油。每种工况至少试验3个试件,当发现离散较大时,增加试件数目,以求数据的完整准确, 试件承受的压力、位移和应变值均由计算机动态采集。
1.1试块单轴劈裂抗拉试验
混凝土立方体劈裂抗拉强度按下式计算：
混凝土随不同干湿循环次数变化的抗拉强度的试验结果如表3所示，混凝土的破坏情况如图1所示。
本试验采用实验室加速试验方法,即按不同水灰比制备100mm×100mm×100mm的混凝土试件,将成型试件在标准养护室中养护28天。到56天龄期开始浸—烘循环。为了减少试验结果的离散性,分别将循环试件全部浸泡在人工海水溶液中16小时,然后拿出置于80℃条件下烘8小时为一个循环,如此反复循环,在此期间每间隔10次分别测定试件的抗压和抗拉强度。
1.2试块单轴压缩试验
实验所得混凝土在单轴压缩载荷作用下随不同干湿循环次数变化的应力-应变曲线的试验结果如图2所示，混凝土单轴受压后破坏情况如图3所示。
2. 混凝土细观力学分析
2.1混凝土数值模型
基于混凝土细观力学，利用RFPA 数值模拟软件，把混凝土视为由砂浆基质骨料以及两相之间界面组成的三相复合材料。为了考虑各组成相的非均匀性,各组成相的材料性质按照Weibull 分布来赋值。首先,用一个Weibull 分布来表达整个试样的材料性质分布, 这相当于生成砂浆基质试样,该试样的力学性质要与真实的硬化水泥砂浆体的参数基本一致。然后,在该基质试样中添加骨料颗粒,程序会自动搜索骨料的边界并把边界上的单元赋上相应的力学参数。骨料的参数参照岩石的力学性质参数选取，对于普通混凝土，骨料的强度相对于砂浆基质的强度较高，并且其均值度也较高。砂浆的参数参照依据混凝土配比制成的砂浆试件的干湿循环试验所得到的结果进行赋值。界面的参数没有现成的试验依据，参数取值参考文献[1]。
为了反映海水侵蚀作用对混凝土性能的影响，根据混凝土的配比制成了砂浆试件并对其进行了10次、20次、30次、40次和50次的干湿循环试验，在干湿循环后分别进行了劈裂抗拉试验和单轴压缩试验测得了其抗拉强度、抗压强度和弹模。利用式（2）和式（3）得到了数值模拟时砂浆基质在Weibull分布赋值时的弹性模量和强度的均值，见表5。
2.2细观单元的弹性损伤本构关系
一般认为，混凝土应力-应变曲线的非线性是由于其受力后的不断损伤所引起的微裂纹萌生和扩展造成的，而不是由于其塑性变形引起。因次，用弹性损伤力学的本构关系来描述混凝土的细观单元的力学性质是合适的。按照应变等价原理，认为应力σ 作用在受损材料上引起的应变与有效应力作用在无损材料上引起的应变等价。根据这一原理，受损材料的本构关系可通过无损材料中的名义应力得到，即
σ =Eo(1−D)ε （4）
式中:Eo为初始弹性模量;D 为损伤变量。
2.2.1拉伸损伤演化方程
单轴拉伸应力状态下，细观单元的弹性损伤本构关系如图4所示。相应地，损伤的定量表达式为（5）。
式中: ftr是单元的残余强度；εto是弹性极限所对应的拉伸应变，该应变可以叫做拉伸损伤应变阈值；εtu是单元的极限拉伸应变，当单元单轴拉伸应变达到极限拉伸应变时，单元将完全损伤，达到拉伸断裂（破坏）状态，即D =1。
2.2.2压缩剪切损伤演化方程
为了反映细观单元在压缩或剪切应力下的损伤，这里选择摩尔库伦准则作为第二个损伤阈值判据。
抗压强度（为正数）；σ1和σ3分别为细观单元的最大和最小住应力值。
式中：εco为单元应力达到抗压强度时的压应变；εcu为极限压应变，取定值为0.0033。当应变达到极限压应变时，单元的刚度将急剧退化为接近于0 矩阵的矩阵[9]。
2.3数值模拟
建立100mm×100mm混凝土试件的随机骨料(断面骨料填充率为40；骨料的粒径范围为5～20mm，规格比例为：5～10:10～20=30:70)细观数值模型，并把它剖分为0.5mm×0.5mm的有限元网格。
2.3.1拉伸损伤破坏
混凝土在劈拉载荷作用下随不同干湿循环次数变化的抗拉强度的数值模拟结果如表6所示，混凝土破坏情况如图6所示。
2.3.2压缩损伤破坏
混凝土在单轴压缩载荷作用下随不同干湿循环次数变化的应力-应变曲线的数值模拟结果如图7所示，混凝土单轴受压后破坏情况如图8所示。
通过表3 与表6 混凝土抗拉强度试验值与计算值的对比，图1 与图6 混凝土单轴压缩应力-应变关系曲线的对比以及图1、3 与图6、8 裂纹产生、发展和贯通情况的对比可以发现基于混凝土细观力学进行数值模拟的计算结果与混凝土干湿循环试验所得的试验结果吻合较好。
3. 混凝土在海水侵蚀作用后的力学性能退化模型
通过以上混凝土干湿循环试验和混凝土细观力学分析，将得到的混凝土在不同干湿循环次数下的极限抗压强度、极限抗拉强度和弹性模量的试验结果和计算结果进行了整合，利用计算结果和试验结果的互补性，得到了混凝土随干湿循环次数变化的抗拉强度折减曲线、抗压强度折减曲线和弹性模量折减曲线以及相应的的折减方程。
通过最小二乘法得到的混凝土随干湿循环次数变化的抗拉强度折减方程（8）及相应的抗拉强度折减曲线如图8：
通过最小二乘法得到的混凝土随干湿循环次数变化的抗压强度折减方程（9）及相应的抗压强度折减曲线如图9：
通过最小二乘法得到的混凝土随干湿循环次数变化的弹性模量折减方程：
4. 结 论
通过本文的试验研究和细观力学分析，可以得到以下结论：
（1）混凝土在单轴压荷载作用下的极限拉应力、极限压应力和弹性模量随干湿循环次数的增加逐渐降低，50次干湿循环以后抗拉强度降低约40.4%，抗压强度降低约33.4%，弹性模量降低约60.8%；
（2）由数值模拟得到的虚拟试验结果与真实结果的误差在允许范围内，而且由模拟单轴抗拉、抗压所得到的混凝土的开裂位置、开裂方向和应力-应变曲线等情况均与试验结果吻合较好；
（3）根据试验结果和计算结果，建立了混凝土随干湿循环次数变化的抗压强度折减模型：
F=53.789e-0.0117N,抗拉强度折减模型：F=5.3794e-0.01N和弹性模量的折减模型：E=64.735e-0.0191N;
（4）本文着重从混凝土细观力学的角度研究海水侵蚀作用对混凝土力学性能的影响，通过与试验结果的比较可知，该种方法对混凝土受海水侵蚀作用的模拟结果与试验结果较为吻合，对混凝土受海水侵蚀作用影响的研究方面具有一定的参考价值;
参考文献
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