开裂混凝土中氯离子传输的数值模拟_张士萍.pdf

理论研究 THEORETICAL RESEARCH 混凝土 Concrete Abstract Cracking was introduced by splitting loading and cracking width was measured through image analysis technology Relationship a mong cracking width depth and chloride ion concentration has been deduced through polynomial fitting and a theoretic model which could pre dict chloride ion concentration of cracked concrete was put forward based on finite element methods FEM The model was verified according to the comparison with numerical results and experimental results Key words crack FEM chloride ion transport Prediction of chloride ion transport in cracked concrete ZHANG Shi ping1 LIU Jia ping2 ZHU Chun yin3 ZHU Hong jun3 GAO Chun sheng3 ZHAO Yu3 1 Department of Architecture Civil Engineering Nanjing Institute of Technology Nanjing 211167 China 2 Jiangsu Institute of Building Science Co Ltd Nanjing 210008 China 3 Jiangsu Shuanglong Group Co Ltd Nanjing 210034 China 摘要 通过施加劈裂荷载方式诱导裂缝 然后采用图像分析技术对裂缝进行表征 采用多项式拟合推导出裂缝宽度 深度和氯离子浓 度三者之间的关系 借助有限元方法推导出预测开裂混凝土中氯离子浓度分布的二维数值模拟方法 通过与试验分析结果相比较 验证 了该模拟方法的有效性 关键词 裂缝 有限元 氯离子传输 中图分类号 TU528 01文献标志码 A文章编号 1002 3550 2012 09 0009 03 张士萍 1 刘加平2 朱春银3 朱洪俊3 高春生3 赵 宇 3 1 南京工程学院 建筑工程学院 江苏 南京 211167 2 江苏省建筑科学研究院有限公司 江苏 南京 210008 3 江苏双龙集团有限公司 江苏 南京 210034 开裂混凝土中氯离子传输的数值模拟 2012年 第9期 总 第 275 期 Number 9 in 2012 Total No 275 doi 10 3969 j issn 1002 3550 2012 09 004 收稿日期 2012 03 30 基金项目 国家自然科学基金 51108231 江苏省自然科学基金 BK2011690 高性能土木工程材料国家重点实验室开放基金课题 2010CEM019 住房和城乡建设部科学技术项目 2011 K1 57 0引言 裂缝对水泥基材料的耐久性有着重要影响 裂缝是导致 混凝土结构耐久性和使用寿命降低的主要因素 1 由于化学收 缩 干燥收缩 自收缩及荷载等作用 混凝土会产生裂缝 侵蚀 介质通过裂缝和孔隙网络侵入混凝土内部 加速混凝土性能 劣化 2 目前 国内外对混凝土中氯离子渗透的研究 基本上都 以无裂缝混凝土为研究对象 然而在工程实际中 由于普通钢 筋混凝土结构本身带裂缝工作等原因 结构将产生裂缝 开裂 混凝土中氯离子渗透的数值模拟 有着重要的实用价值 随着 有限元数值分析方法的不断深入发展以及计算机硬件和软件 技术的飞速发展 人们已经可以对混凝土结构作比较准确的 非线性有限元分析了 混凝土中的氯离子传输与热传导无论 从原理还是方程的形式上 都有极大的相似性 热分析遵循的 是能量守恒 扩散遵循的是质量守恒 热分析服从傅立叶定 律 扩散服从 Fick 定律 混凝土中氯离子非稳态扩散也相似于 热分析中的瞬态传热 研究发现 只要能够对热分析模块中的 计算参数实现合理的等效化 就可以实现氯离子浓度分布的 数值模拟 本试验通过对 ANSYS 软件中热分析模块进行合理 的等效 以满足模拟预测要求 1试验原材料与方法 1 1原材料 试验采用小野田水泥厂生产的 P II 52 5 级水泥 其化学组 成见表 1 细集料为细度模数为 2 3 的中砂 粗集料为 5 20 mm 连续级配的玄武岩碎石 采用直径 d 0 2 mm 长度 l 13 mm 的 钢纤维 外加剂为江苏博特新材料有限公司研制生产的聚羧酸 系超塑化剂 JM PCA 固含量 20 1 2试验方法 采用施加劈裂荷载方式诱导微裂缝 考虑到素混凝土试件 的韧性较差 所以掺加钢纤维改善混凝土的韧性 成型 100 mm 100 mm 100 mm 钢纤维混凝土试件 配合比见表 2 试件脱模 后养护 28d 然后采用施加劈裂荷载的方法诱导裂缝 荷载诱导的 裂缝宽度采用图像分析法计算裂缝 具体方法参考文献 3 由 于荷载诱导的带裂缝混凝土试件是非标准尺寸试件 因此采用 氯盐溶液长期浸泡法 将采用劈裂荷载诱导的带裂缝混凝土试 件采用图像分析法测量平均裂缝宽度 然后置于 5 NaCl 溶液 中浸泡 60 d 后用砂纸将试件的侵蚀面磨掉薄薄的一层 然后用 Na2Oeq 0 50 表 1水泥的化学组成 化学组成 水泥 CaO 66 6 SiO2 21 74 Al2O3 5 06 Fe2O3 3 56 MgO 1 60 SO3 0 81 9 裂缝宽度 d m 50 91 190 50 91 190 50 91 190 50 91 190 50 91 190 表 3试验测得的不同裂缝宽度试件的氯离子浓度 裂缝深度 x mm 5 5 5 15 15 15 25 25 25 35 35 35 45 45 45 氯离子浓度 C 混凝土重量比 0 173 0 182 0 183 0 153 0 161 0 159 0 107 0 103 0 105 0 070 0 077 0 080 0 041 0 057 0 059 直径为 6mm 的合金钻头在试件的侵蚀面钻取粉末样品 采样深 度依次为 0 10mm 10 20mm 20 30mm 30 40mm 40 50mm 收集的样品用孔径为 0 163mm 的筛子过筛 然后进行化学分析 检测出氯离子浓度 对于空白样来说 沿暴露面不同深度钻取粉 末进行氯离子浓度分析 对于开裂混凝土试件 其完好混凝土部分的氯离子扩散 系数仍然是与相同条件下正常混凝土一致的 所不同的是开 裂混凝土中氯离子的扩散包括氯离子从表面混凝土位置渗 入以及氯离子通过裂缝断面的渗入 前者仍然遵循菲克定 律 而后者则与裂缝参数有关 因此 开裂混凝土的整体氯离 子扩散性可分为裂缝处的扩散以及混凝土的扩散 其中完好 混凝土氯离子扩散系数通过 RCM 法得出 裂缝区域的扩散可 以通过试验测定沿裂缝距离暴露面不同深度位置的混凝土 氯离子浓度分布获得 然后分别以裂缝断面氯离子浓度分布 以及暴露面氯离子浓度为边界条件 推导混凝土在氯离子环 境中暴露时间 t 后 在距离混凝土表面 x 处裂缝断面 y 处的氯 离子含量 本模型基于试验数据以及 Fick 第二定律 模型主要步骤 如下 1 计算裂缝区域氯离子浓度分布 2 计算表面氯离子浓度 Cs 3 分别推算从混凝土表面扩散的氯离子以及通过裂缝区 域断面的扩散的氯离子 2试验结果与讨论 2 1裂缝区域氯离子的浓度分布 分别选取无裂缝的空白样 d 0 以及裂缝宽度分别为 50 91 190 m 的开裂试件进行氯离子扩散试验 研究裂缝的存在 对混凝土试件的氯离子扩散性能的影响 试验测得不同裂缝宽 度和深度的氯离子浓度结果见表 3 分别以裂缝位置距离表面 深度与浓度为横坐标和纵坐标作图 得到图 1 其中图中 B C D 代表裂缝宽度分别为 50 91 190 m 通过线性拟合可以发 现 裂缝区域氯离子浓度沿深度呈现线性分布 相关性 R2分别 为 0 98 0 96 和 0 97 根据数据还可以看出 裂缝宽度越大 氯 离子浓度越高 由于氯离子浓度值跟距离表面深度以及裂缝宽 度两个变量有关 因此需要进一步分析这三者之间的关系 对于 裂缝区域 不同深度位置氯离子表面浓度是不同的 它与裂缝 宽度以及深度有关 可以记为 C f x d 图 2 给出的是裂缝宽度 裂缝深度与氯离子浓度之间关系 的三维曲面示意图 借助于 MATLAB 软件采用多项式进行曲 面拟合得到 Cx d 0 194 98 0 003 36x 5 116 10 5d 1 式中 x 距离表面深度 mm d 裂缝宽度 m 该拟合公式相关性 R2 0 97 相关性较好 2 2开裂混凝土的氯离子传输 ANSYS 软件中热分析模块的工作原理是 基于能量守恒 原理的热平衡方程 用有限元法计算各节点的温度 本研究中开 裂混凝土的有限元模型采用 ANSYS 中二维 8 节点实体单元 PLANE 77 来模拟混凝土 通过改变边界条件 调整裂缝宽度 以分析裂缝宽度对氯离子扩散速度的影响 首先要确定混凝土表面氯离子浓度 Cs 随着氯离子侵入量 的增加 硬化浆体表面氯离子浓度与环境氯离子浓度之间将逐 渐建立起动态平衡 达到平衡后 硬化浆体表面氯离子浓度不 再增加 4 混凝土表层氯离子浓度与时间的关系如式 2 5 表 2混凝土试件配合比kg m3 水泥 400 水 180 砂 710 碎石 1 110 钢筋 0 28 减水剂 1 368 10 C0 t C 1 exp bt 2 式中 C0 t t 时刻表层氯离子浓度 C b 试验参数 根据此关系式 可以看出表层氯离子浓度随时间是先急剧 增长然后趋势恒定 根据资料 大约在 60 d 左右表层氯离子浓度 接近平衡 几乎恒定 所以 根据前面 60 d 扩散龄期数据推导出 来的数据也可以用于更久扩散龄期的计算 模拟裂缝宽度 d 0 5mm 深度 l 20mm 的混凝土氯离子浓度 分布情况 通过 RCM 法得出完好混凝土氯离子扩散系数为 2 1 10 12m2 s 表面氯离子浓度Cs 0 375 考虑开裂混凝土受氯离子侵 袭时构件截面的计算单元如图 3 所示 氯离子来源于左表面 当裂 缝宽度 0 5mm 的时候 裂缝区域氯离子浓度函数关系为式 3 C 0 194 98 0 003 36x 3 将裂缝区域氯离子浓度函数关系加载模型中 通过以上模 拟算法对该算例进行模拟 其结果见图 4 从图 4 可以看出裂缝 附近氯离子扩散显著大于无裂缝区域 为校验模型的有效性 又在预埋裂缝试件 d 0 5 mm 暴露面裂缝位置钻取不同深度 的混凝土粉末进行化学分析氯离子实际浓度 然后与计算结果 进行比较 图 5 给出的是模型计算出来的距离试件裂缝位置氯 离子浓度以及试验即结果 对比图中数值计算结果与试验结 果 可以看出由于裂缝区域呈二维扩散 裂缝区域的氯离子浓 度的扩散与无裂缝试件的扩散趋势并不一致 并且此模型计算 出来的氯离子浓度结果与试验分析得出的结果较为接近 采用此模型计算裂缝宽度 d 0 3 mm 混凝土试件在 5 浓 度氯盐溶液中自然浸泡 2 年的结果 图 6 是 d 0 3 mm 的计算 单元 FEM 计算结果见图 7 从图 6 10 可以看出 距离表面越深 氯离子浓度越小 并且裂缝附近氯离子浓度稍微大于远离裂缝 位置 距离表面越深 这种现象越明显 图 8 给出了表层分别距 离裂缝 10 15 20 25 30 mm 位置处沿暴露面不同深度的氯离 子浓度分布 从图 8 中可以看出 距离裂缝越近 氯离子浓度越 大 并且距离表面距离越大 靠近裂缝位置的氯离子浓度也相 对较大 随着距离裂缝越来越远 距离裂缝不同位置的各点氯离 子浓度差别越来越小 这是由于距离裂缝越远 氯离子从裂缝 断面的侵入影响也越来越小的原因导致的 3结语 采用多项式拟合推导出裂缝宽度 深度和氯离子浓度三者之 间的关系 借助于 ANSYS 软件中热分析模块 得到了一种预测混 凝土中氯离子浓度分布的二维数值模拟方法 通过与试验分析结 果相比较 验证了该模拟方法的有效性 采用该预测方法对开裂混 凝土中氯离子浓度分布进行二维数值模拟 分析了裂缝宽度d分别 为 0 3 0 5mm 的开裂混凝土试件在氯盐溶液条件下的氯离子扩 散情况 并得出了开裂混凝土中不同位置的氯离子浓度分布情况 下转第 14 页 11 没有试件 J 严重 表明钢纤维增强的混凝土可以显著改善中节 点的破坏形态 节点 J a 在破坏时 其与右梁的交接处出现了一 条较宽竖向裂缝 宽度比试件 J b 及 J c 的大 这是由于试件 J a 的此处为钢纤维混凝土和普通混凝土的分界面 比较薄弱 所致 用钢纤维增强的异形柱中节点 J a J b 及 J c 中 J b 的最大裂缝较小 表明当在中节点核心区浇筑钢纤维混凝土并 向梁内延伸一倍的有效梁高时 钢纤维的掺入对改善节点的破 坏特征效果较好 3 3承载能力及变形能力 异形柱中节点的荷载 位移及延性系数如表 3 所示 用钢 纤维增强的异形柱中节点 J a J b 及 J c 的开裂荷载比未用 钢纤维增强的异形柱中节点 J 的开裂荷载大 可见掺入钢纤维 可以提高试件的抗裂能力 试件 J a J b 及 J c 的屈服荷载 及极限荷载比试件 J 的大 表明钢纤维能够阻止裂缝的发展 提高了试件的承载能力 在试件 J a J b 及 J c 中 试件 J b 的极限荷载最大 即在中节点核心区浇筑钢纤维混凝土并向梁 内延伸一倍的有效梁高的试件的承载能力最大 用钢纤维增强 的异形柱中节点 J a J b 及 J c 的位移均比未用钢纤维增强 的异形柱中节点 J 的相应位移大 表明掺入钢纤维提高了试件 的变形能力 研究表明 结构位移延性系数的取值一般在 3 5 之 间 以保证结构构件有较高的曲率延性 更利于结构抗震 本研究 计算得到四个中节点的位移延性系数平均值均在这个范围内 说明试件的延性较好 用钢纤维增强的异形柱中节点 J a J b 及 J c 的延性系数均大于未用钢纤维增强的异形柱中节点 J 的延性系数 其中 J b 的延性系数最大 节点的延性最好 表 明钢纤维对试件的延性影响较大 这是由于钢纤维跨越了斜裂 缝 发挥了相当于钢筋作用 承担部分混凝土开裂释放应力 限 值裂缝地开展 增强了钢筋与混凝土之间的握裹力 改善了混 凝土与钢筋之间黏性性能 提高了纵筋销栓作用及箍筋约束作 用 10 增强裂缝之间骨料胶合的作用 减缓了混凝土脆性破坏 改善了混凝土韧性 提高了异形柱节点的变形能力 4结论 通过对钢纤维混凝土力学特性和阻裂机理的阐述 将钢纤 维掺入钢筋混凝土异形柱中节点 进行了对比试验研究 得出 了以下结论 通过比较异形柱中节点的破坏特征得出在异形柱中节点 的核心区 核心区与梁内部分区域浇筑纤维混凝土可以减小裂 缝宽度 显著改善节点的破坏形态 在中节点核心区浇筑钢纤 维混凝土并向梁内延伸一倍的有效梁高时 钢纤维的掺入对改 善节点的破坏特征的效果最好 通过比较异形柱的承载能力及变性能力得出在异形柱中 节点掺入钢纤维可以提高试件的承载能力和变形能力 显著改 善了异形柱节点的延性性能 在中节点核心区及延伸向梁的一 倍的有效梁高范围内掺入钢纤维对提高试件的承载力及改善 试件的延性效果最好 参考文献 1 陈景 林华 钢纤维增强高性能混凝土力学性能研究 J 混凝土与水 泥制品 2006 1 37 39 2 杨勇 任青文 钢纤维混凝土力学性能试验研究 J 河海大学学报 2006 34 1 92 94 3 胡岩 李新辉 王洪哲 钢纤维高性能混凝土框架节点的延性分析 J 混凝土 2004 12 66 67 4 王廷彦 李长永 张军伟 钢纤维高强混凝土框架边节点抗震性能研 究 J 混凝土 2011 9 32 35 5 黄珏 肖建庄 葛亚杰 等 异形柱框架节点受力性能研究进展与评 述 J 结构工程师 2002 1 52 57 6 王铁成 张学辉 康谷贻 两种混凝土异形柱框架抗震性能试验对 比 J 天津大学学报 2007 40 7 791 798 7 章文纲 程铁生 等 钢纤维混凝土的主要力学性能和工艺特性 J 混 凝土及加筋混凝土 1984 4 1 9 8 MANGATA P S AZARI M M Shrinkage of steel fiber reinforced cement composites J Journal of Materials Science 1985 20 163 171 9 ROMUADI J P MNADEL J A Tensile strength of concrete affected by u niformly distributed and closely spaced short length of wire reinforce ment J ACI Journal 1964 6 567 670 10 王春印 张兴民 钢纤维混凝土的阻裂机理分析及应用 J 基建优化 1998 19 4 47 48 作者简介 戎贤 1965 男 教授 博士 主要研究方向 结构抗震 联系地址 天津市北辰区河北工业大学北辰校区 300401 联系电话试件 编号 J J a J b J c 荷载 kN位移 mm延性 系数 3 51 4 03 3 77 4 06 3 87 3 96 4 47 4 26 4 37 4 17 4 22 4 20 加载 方向 正向 反向 均值 正向 反向 均值 正向 反向 均值 正向 反向 均值 开裂 37 50 33 00 35 25 39 50 37 00 38 25 37 50 34 50 36 00 39 50 34 50 37 00 屈服 45 40 56 85 51 13 54 50 54 00 54 25 52 00 50 50 51 25 53 00 49 50 51 25 极限 58 00 74 50 66 25 69 50 72 50 71 00 76 00 69 00 72 50 68 50 68 00 68 25 破坏 38 30 63 01 50 66 59 76 60 32 60 04 67 72 61 61 64 67 69 49 65 93 67 71 开裂 7 32 7 01 7 17 10 43 9 08 9 75 9 16 8 47 8 81 11 51