荷载和化学腐蚀作用下混凝土本构关系研究

徐国强 黑智涛 刘玲玉

（1.华北理工大学建筑工程学院 河北唐山 063009 2.河北省地震工程研究中心 河北唐山 063009）

引言

对某一工程而言，它往往是在力学因素和环境因素的双重或多重损伤耦合作用下服役的，其服役寿命绝非仅靠单一环境因素试验模拟而得到的损伤劣化规律所能确定[1]。混凝土材料是非均质的，自身存在不均匀缺陷和微裂缝，在服役期内可能要承受荷载和腐蚀环境的双重或多重作用，这种力学因素和环境因素交互作用的最后结果往往会使这些不均匀性缺陷和微裂缝进一步发展，使腐蚀离子更易进入混凝土，从而加速混凝土结构的损伤劣化，导致结构的服役寿命缩短。混凝土的应力-应变关系全面地反应了各个受力阶段的变形特点和破坏全过程[2]，是研究混凝土结构承载力和变形的重要依据，受荷载和化学腐蚀作用的混凝土，其强度、内部密实程度以及表观形态均会发生一定变化，必然对混凝土本构关系产生一定的影响。目前对混凝土本构关系的研究往往只是针对单一因素的作用，并不能完全符合工程所处的实际环境，因此，研究荷载和化学腐蚀作用下混凝土的本构关系，对分析混凝土结构的承载力和寿命周期有着重要的工程实用价值。本文结合国内外研究现状，分析了荷载和化学腐蚀单独作用下以及二者耦合作用下混凝土本构关系的研究成果和进展情况，研究显示，目前对荷载和化学腐蚀作用下混凝土本构关系的理论和试验研究还不够全面，尤其是二者耦合作用下混凝土本构关系还需要深入研究。

1 单因素环境作用下混凝土本构关系

1.1 荷载作用下混凝土本构关系研究

实际工程中结构可能会承受包括自重在内的多重荷载作用，如持续荷载、荷载的高速（冲击）作用、疲劳荷载作用等。荷载的大小和种类的不同，都会对混凝土应力-应变关系有一定程度的影响。Chindaprasirt[3]的试验研究表明持续荷载作用下的混凝土强度有少量的增加，刚度增大的较多，而循环荷载作用使混凝土强度有少量的减少，刚度减小很多，但是在重荷载作用下，不论持续荷载还是循环荷载都会减小混凝土的峰值应力。Choo[4]建立了一种使用改进的抛物线和线性方程的长期荷载下混凝土应力-应变模型，这种模型考虑了混凝土在长期荷载作用下的徐变和收缩效应，能够与真实的混凝土应力-应变曲线相吻合。

由于混凝土是一种率敏感性材料，相比静载，动载下混凝土的强度、弹性模量等力学性能都有相应的提高，尤其是在强冲击荷载下，材料特性发生了很大的变化，而大多数试验研究多从宏观层面展开，且试验结果离散度较大，张守丽[5]认为从细观层次上对混凝土各相材料赋予不同的本构模型能够更清楚的掌握冲击荷载下的混凝土本构关系。现今对早龄期混凝土在动载下的本构关系研究较少，王世鸣[6]分析了冲击荷载对早龄期混凝土的抗压强度、弹性模量、变形和吸能的影响，建议在实际工程中，混凝土养护龄期7d以前要严格控制外界扰动荷载，尽量控制在相对龄期临界入射能的50%以下，降低外界荷载对混凝土后期的力学性能的影响。相比一般静载和冲击荷载，疲劳荷载作用下混凝土应力-应变关系的研究更加复杂，目前能准确又简易的模拟疲劳荷载下混凝土本构关系的模型并不多，朱劲松[7]建立的混凝土在疲劳加载下的损伤本构模型，能够较好的模拟疲劳加载过程中混凝土的强度和刚度衰减规律。

1.2 化学腐蚀作用下混凝土本构关系研究

目前研究混凝土的化学腐蚀有强酸、有机物、无机盐、微生物等，化学腐蚀作用下混凝土强度、密实程度以及表面状态均会发生一定程度的变化[8]。现如今，国内对化学腐蚀作用下混凝土本构关系研究多以硫酸盐腐蚀为主。混凝土遭受硫酸盐侵蚀破坏的实质是硫酸盐环境中的侵蚀性离子进入混凝土内部，与水泥中的一些组分发生物理化学反应，生成膨胀产物，并分解水泥中的重要组分，造成混凝土肉眼可见的开裂、剥落等现象，其强度下降，脆性增大[9]。硫酸盐腐蚀环境下混凝土峰值应力和弹性模量随着龄期的增长呈现先增大后减小的趋势，而峰值应变是先稍有减小后急剧增大[10，11]，腐蚀程度越严重，混凝土在加载过程中剥落现象越明显[12]。三轴本构关系的研究能够更接近真实工况下受硫酸盐腐蚀的混凝土，目前对腐蚀混凝土的三轴本构关系相关研究不多。陈达[13]对硫酸钠溶液腐蚀作用下混凝土三轴受压本构关系的试验研究发现：硫酸钠浓度对混凝土受压破坏的宏观裂缝的角度没有显著影响，宏观裂缝角度主要受围压水平大小的影响；溶液浓度对混凝土的应力-应变曲线影响较大，这与文献[10]和[11]的结论基本相似。目前研究人员采用的加速腐蚀试验由于环境条件、试验条件的变化会使试验结果的离散性很大。刘汉昆等[14]建立了受腐蚀混凝土的细观本构关系，并建议通过采用数值模拟与试验相结合的方式获得真正意义上的受腐蚀混凝土本构关系。

现如今，很多学者应用损伤力学理论，研究混凝土因内部微观缺陷的产生和发展所引起宏观力学性能改变的过程和规律，所建立的损伤本构模型可有效的反映混凝土受损程度，对化学腐蚀作用下混凝土本构关系研究具有重要的意义。翟运琼[15]建立了两段式的受硫酸盐侵蚀混凝土的单轴受压本构模型，上升段曲线基于损伤的微观统计模型，引入了腐蚀时间参数，下降段运用连续损伤力学理论导出方程，该模型与试验数据比较吻合。高润东[16]考虑了混凝土的膨胀和强度损伤规律，基于Mobasher-Tixier模型，引入损伤参数，建立了考虑微观机理的混凝土硫酸盐侵蚀的膨胀破坏模型。

2 多因素环境共同作用下混凝土本构关系

对于实际工程而言，混凝土结构往往是处在力学因素和环境因素等双重或多重因素作用下服役，荷载作用往往会加速环境因素对混凝土的损伤进程，但在环境影响下产生的物理和化学作用同时存在，则损伤因素有正负效应叠加和交互作用，且往往又会随着时间进程而演变[1]，因此，多因素作用下的混凝土本构关系研究要比单因素复杂的多。曹健[17]对持续压荷载、干湿循环与硫酸盐侵蚀三种因素共同作用下混凝土的应力-应变关系试验研究表明：多因素对混凝土应力腐蚀作用会产生或延缓或加速的效应，这主要取决于荷载水平、溶液浓度和腐蚀时间等因素。各环境之间的相互作用，可能相互促进，也可能相互抑制，而不是简单的线性叠加，这使试验研究更加困难、本构模型的建立更为复杂，由关博文[18]建立的交变荷载作用和硫酸盐侵蚀共同作用下道路混凝土损伤本构模型可以看出，在考虑硫酸盐侵蚀引起的膨胀应变同时还要考虑交变荷载作用对混凝土内部损伤的累积，作者虽然通过损伤力学的理论建立了损伤本构模型，但并没有验证该模型的有效性。

混凝土的初始损伤在一定程度上改变了其内部结构的状态，对于长期处于腐蚀环境中的混凝土结构，其力学性能和损伤演化过程必会受到影响。刘娟红[19]通过压荷载作用对混凝土试块施加了不同程度的初始损伤，试验表明：有初始损伤的混凝土更易受硫酸盐腐蚀，初始损伤度越大，腐蚀混凝土受压应力-应变曲线的初期压密阶段更长，当进入损伤发展阶段，损伤急剧增加，上升段速率更大。邵艳明[20]研究了历史荷载、干湿循环与硫酸盐侵蚀三种因素作用下混凝土应力-应变关系，研究表明：与长期浸泡侵蚀作用相比，荷载历史所引起的峰值应力降低较明显，而荷载历史对混凝土弹性模量的影响不是很显著，硫酸钠浓度对混凝土弹性模量有较大影响。逯静洲[21]认为低比例压荷载历史对受硫酸盐侵蚀混凝土的应力-应变关系影响较小，随着荷载历史水平的提高，峰值应力降低，混凝土试件脆性增加。赵力[22]研究了干湿循环作用下受硫酸盐侵蚀混凝土的力学性能，试验在腐蚀40d，即干湿循环40次后，混凝土的峰值应力和弹性模量就已经出现下降的趋势，同时峰值应变增加，这也说明了干湿循环对受硫酸盐侵蚀的混凝土损伤较为显著。

3 结语

现如今，混凝土结构的应用领域不断扩展，各种结构的形状和受力状况更加复杂，混凝土的本构关系需要更深入的分析研究。从国内外研究现状来看，在荷载作用下混凝土本构关系研究方面，本文综述的混凝土本构关系研究多以单轴受压为主，而实际工程中还存在着受弯拉的构件，且对于混凝土双轴及三轴本构关系相关研究还较少，需要进一步研究。在化学腐蚀作用下混凝土本构关系研究方面，盐溶液的类型比较单一，主要为硫酸盐侵蚀，实际上还有氯盐、镁盐等腐蚀因素需要开展后续研究，以弥补这方面的不足。在荷载和化学腐蚀耦合作用下混凝土本构关系的研究方面，不同的荷载类型、混凝土强度等级、盐溶液类型等方面的不同组合对混凝土应力-应变曲线的影响还有待深入研究。

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