ASR-氯盐-硫酸盐腐蚀协同作用下混凝土损伤过程数值模拟分析

李寒暝

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 831100）

0 引言

当前，混凝土材料的结构由于具有造价低、高性能、施工简便的优势，因此被广泛应用于城市建筑施工、桥梁施工、堤坝施工当中，是目前施工领域中最为广泛的一种基础结构形式[1]。但由于其混凝土材料的应用范围以及服役时间不断增加，在众多建筑当中，逐渐发现处于地下水、滨海以及盐渍土当中混凝土结构逐渐出现脱落、锈蚀等损伤问题，严重影响建筑的整体结构质量。因此，当前相关领域的研究人员应当将研究重点转移到对复杂环境条件下混凝土损伤的问题当中，并构建与之相关的预测体系和实用性评价体系，具有十分重要的现实意义。造成混凝土材料受到损伤的主要因素包括：混凝土的碳化、化学腐蚀、冻融循环被破坏等[2]。而众多因素中ASR-氯盐-硫酸盐腐蚀协同作用是造成混凝土材料出现损坏的首要因素，在ASR-氯盐-硫酸盐腐蚀协同作用下引起的混凝土保护脱落更会进一步加快混凝土被腐蚀的速度。为进一步提升混凝土建筑施工的质量，需要对其受到损伤过程中的各项参数进行准确分析，完成数值模拟，并以此为依据[3]。基于此，本文开展ASR-氯盐-硫酸盐腐蚀协同作用下混凝土损伤过程数值模拟分析研究。

1 混凝土损伤过程数值模拟方法设计

1.1 混凝土材料取样检测

在对ASR-氯盐-硫酸盐腐蚀协同作用下的混凝土材料损伤过程进行数值模拟时，第一步是对数值模拟样本进行采集。在需要进行数值模拟的区域上每隔2.5 cm，利用冲击钻设备对混凝土材料进行取样，将冲击钻的直径设置为12.5 mm。同时，还需要对混凝土结构表层的骨料进行取样[4]。完成取样后，第二步需要对样本进行检测，通过直接观察的方式，观察样本的颜色变化情况、ASR-氯盐-硫酸盐腐蚀形状变化情况以及表面裂纹宽度变化情况。

首先，针对样本的颜色变化情况检测，通常情况下，当混凝土的损伤程度较小时，混凝土表面的保护膜会呈现出较浅的黄褐色，同时也证明了ASR-氯盐-硫酸盐腐蚀现象的存在，但产生的裂纹并没有发展到混凝土外表面上。当混凝土的损伤程度逐渐增加时，混凝土材料已被较多腐蚀掉，混凝土表面的保护膜呈现出黄褐色，并且表面伴随着宽度超过1.5 mm的裂纹产生。

其次，针对样本的ASR-氯盐-硫酸盐腐蚀形状变化情况检测，若混凝土材料受到损伤，出现ASR-氯盐-硫酸盐腐蚀现象时，取样得到的样本形状一般不会形成规则的圆形。将混凝土损伤样本的几种形态进行划分，大致可分为以下几种：在距离混凝土材料表面较近的位置上出现ASR-氯盐-硫酸盐腐蚀现象，腐蚀时间不断增加，其腐蚀程度不断加深，当混凝土表层保护膜变薄后，裂缝的宽度在0.25 mm以上时，呈现出不规则的腐蚀坑状结构；裂缝的宽度在0.75 mm时，呈现出腐蚀较多且较厚的机构。

最后，针对样本的表面裂纹宽度变化情况检测，当混凝土材料腐蚀量较小时，则混凝土表面的保护膜不会出现开裂现象；当混凝土材料腐蚀量达到一定程度时，则混凝土表面的保护膜会遭到破坏，出现开裂的现象[5]。在一定程度范围内，腐蚀量越多，则裂缝的宽度越大；当混凝土材料腐蚀量达到极限时，裂缝数会不断增加，并逐渐形成1～3条主裂缝，此时主裂缝的变化与腐蚀量呈现出同步增长的趋势，并且主裂缝的走向与混凝土结构的延长方向基本一致。

1.2 构建混凝土材料细观数值模型

在完成对ASR-氯盐-硫酸盐腐蚀协同作用下的混凝土材料取样检测后，还需要构建混凝土材料细观数值模型，为下一步混凝土损伤过程中应力传递细观数值模拟打下基础[6]。首先，对混凝土材料在细观层次上的组成以及物理力学特征进行分析，研究混凝土材料的级配理论，并确定在二维平面当中模型各个组成结构的数量。最后在此基础上，构建随机骨料模型和随机纤维模型。在细观层次上，模拟混凝土材料的损伤破坏时，需要构建数值模型才能够将纤维结构和骨料在混凝土结构当中的具体分布情况展现[7]。本文采用随机骨料和随机钢纤维建模的方法，建立纤维分布、骨料形状等数值模型。混凝土材料中的纤维体积率可通过如下计算公式得出：

公式（1）中，v表示为混凝土材料中的纤维体积率；Wf表示为混凝土材料纤维体积；Wo表示为混凝土材料总体积。针对同一混凝土结构而言，其规定模拟投放的纤维尺寸应当完全相同，因此一个试件当中的所有纤维根数可进一步通过公式（2）计算得出：

公式（2）中，N表示为混凝土材料当中所有纤维的根数；M表示为混凝土材料试件的宽度；L表示为混凝土材料试件的高度；H表示为混凝土材料试件中纤维的长度；r表示为混凝土材料试件中纤维的半径。根据上述公式计算得出混凝土材料试件当中的所有纤维数量，再利用相同的方式计算得出混凝土材料试件当中所有的骨料级配数目[8]。将混凝土材料试件的纤维数量和骨料级配数目带入到整体刚度矩阵当中，得出如公式（3）所示：

公式（3）即为混凝土材料细观数值模型。再将该数值模型进行有限元计算，参照实际混凝土材料的边界条件，根据Weibull分布对细观数值单元的初始弹性模量进行赋值，以此为后续混凝土损伤过程中应力传递细观数值模拟提供数据支撑。

1.3 混凝土损伤过程中应力传递细观数值模拟

使用上述设计的模型，本章选择单根纤维作为研究对象，结合纤维在混凝土损伤过程中，单根纤维应力传递中，拔出数值的处理，完成对传递细观数值模拟[9]。在此过程中，应先考虑到选择纤维对象的组织结构，将纤维整体结构看作为混凝土砂浆、基体等组合结构的构成体，将细观损伤系数作为理论研究依据，对纤维组织结构拔出的瞬间进行三维模拟处理，并根据纤维界面中应力的传递与组织功能的划分，确定最终模拟数值。

为了确保数值模拟结果的真实性，选择“8”型号纤维试件作为平面研究对象。考虑到在混凝土损伤过程中，纤维表层界面存在一定的非均匀性，因此应综合纤维组织结构的力学性能，从纤维弹性形变量、抗拉伸能力或强度、剪应力强度等层面进行分析，要求分析过程中的相关数值应满足Weibull力学分布需求[10]。综合多个组织基体结构的特性，对纤维拔出过程中，多个试件的力学参数进行设定。如表1所示。

按照表1所述的相关数据，将纤维的拔出过程简化为三维曲线图，将界面单元损伤破坏量作为细观数值模拟量。结合剪应力分布情况，选择曲线峰值点进行剪裁，剪裁中输出加载端损伤剪应力值，对此部分的弹性作用力进行检验。若存在弹性作用力，则需要持续对Weibull力学分布进行定位，表明未能完全实现数值模拟，若不存在弹性作用力，输出此区段数据，表明完成对混凝土损伤过程中应力传递细观数值的模拟。

表1 纤维拔出中试件力学参数设定

2 对比实验

通过本文上述论述完成对ASR-氯盐-硫酸盐腐蚀协同作用下混凝土损伤过程数值模拟方法设计，为进一步验证本文数值模拟方法在实际应用中的效果，开展如下对比实验：

分别利用本文提出的数值模拟方法和传统数值模拟方法对某城市建筑施工项目中的具体混凝土结构的损伤过程进行模拟。通常情况下混凝土材料损伤可划分为两种具体情况，第一种为由于混凝土边缘区域腐蚀引起的裂纹扩展，另一种为由于混凝土结构角区域腐蚀引起的裂纹扩展。因此，为保证实验结果的客观性，本文规定两种数值模拟方法在实际应用过程中，均认为混凝土材料的径向刚度较大，将其视为刚体。实验对象选用该城市建筑施工项目中的水泥砂浆试件，图1为该试件整体结构示意图。

图1 对比实验试件结构示意图

图1中A表示为混凝土损伤面；B表示为混凝土结构上下面环氧层。选用清水、4.5%氯化钠、4.5%氯化钠+5%硫酸钠，三种溶液分别对混凝土进行腐蚀，使其出现不同程度的损伤，分别利用两种数值模拟方法对其损伤过程进行模拟，对比两种方法模拟结果与实际混凝土试件的损伤情况。表2为两种数值模拟方法实验结果对比表。

表2 两种数值模拟方法实验结果对比表

表2中，将每个不同溶液下的混凝土试件划分为两个不同段：A段和B段。由表2中的数据可以看出，本文数值模拟方法的应力变化与传统数值模拟方法的应力变化情况相比，更加接近实际应力变化。同时，在实验过程中，传统数值模拟会受到混凝土试件浇筑振捣以及加载过程中周围外界因素干扰，导致最终得出的数值模拟结果与实际相差较大。因此，通过对比实验证明，本文提出的ASR-氯盐-硫酸盐腐蚀协同作用下混凝土损伤过程数值模拟方法在实际应用中能够实现对混凝土损伤过程的高精度模拟，为后续混凝土材料的强度变化情况预测提供有力的数据支撑。

3 结束语

本文通过开展ASR-氯盐-硫酸盐腐蚀协同作用下混凝土损伤过程数值模拟分析研究，提出一种全新的数值模拟方法，通过实验证明该方法在实际应用中能够实现对混凝土损伤过程的精确模拟，利用其应力传递的变化情况实现对混凝土损伤的量化分析，以此为后续混凝土施工中各类问题提供数值依据，从而对进一步研究混凝土损伤机理提供研究途径。