关键词：
酸雨腐蚀
力学性能
耦合效应
损伤模型
本构模型
摘要：
条带状分布、露天服役、长期承受荷载等,均是铁路工程结构的显著特点。在恶劣环境中露天服役的背景下,高速铁路混凝土结构必须具有优异抗腐蚀、抗碳化、抗冻融性等耐久性要求。混凝土结构在长期荷载与复杂环境的共同作用下,承载能力也在逐渐下降,当混凝土过早退出服役时甚至会产生交通事故造成恶劣影响。我国经济随着改革开放而飞速发展,但工业化程度的不断提高导致了各种污染愈发严重。酸雨污染作为主要大气污染之一,对露天服役的混凝土结构会产生持续的侵蚀。而混凝土作为一种多相复合碱性材料,水泥水化初期混凝土内部就存在一定细微裂缝与孔洞,混凝土在经受疲劳荷载的服役期间也会逐渐产生新裂缝并扩展,导致混凝土更易遭受酸雨侵蚀。在酸雨侵蚀与荷载的共同作用下,混凝土内部生成膨胀产物的速率会不断增大,一旦膨胀应力到达混凝土拉应力承受极限时,混凝土内部就会开裂,而随着损伤的不断继续,酸雨侵蚀→混凝土开裂→酸雨侵蚀这个过程不断重复且劣化速度不断加快,混凝土会过早丧失服役能力造成安全隐患。本文进行荷载和模拟酸雨腐蚀耦合下混凝土性能测试试验,研究荷载应力比、腐蚀时间、耦合周期等对混凝土力学性能的影响。通过试验与数值模拟相结合的方法对混凝土力学性能劣化规律进行分析,建立了混凝土在荷载与模拟酸雨腐蚀作用下的耐久性损伤模型与本构模型,结合试验数据验证模型并对混凝土性能进行预测,工作内容与取得成果如下:(1)在课题组研究基础上配置高强混凝土并采用循环加载方法给定混凝土损伤,以此方式模拟混凝土在服役过程中承受荷载作用。根据江西省降雨数据确定模拟酸雨腐蚀溶液配比与酸碱程度,设置干湿循环喷淋场地并设置喷淋循环,定期调整溶液p H值并更换溶液,进行混凝土模拟酸雨腐蚀试验。对混凝土进行单轴抗压试验,以混凝土抗压强度劣化程度来定义损伤度。(2)研究了混凝土在仅受模拟酸雨腐蚀下的损伤劣化过程,通过试验数据系统分析了腐蚀龄期对混凝土外观、破坏形态、质量、抗压强度、弹性模量、应力-应变曲线的影响,总结了腐蚀龄期对混凝土性能劣化影响规律。结果表明模拟酸雨腐蚀混凝土会有强度上升与下降两个过程,在腐蚀前期由于侵蚀性产物的填充密实性能,混凝土在腐蚀前期质量、抗压强度与弹性模量等性能会提高。在腐蚀后期由于膨胀产物过多导致混凝土不断开裂且劣化速度不断加快,混凝土的质量、抗压强度与弹性模量会开始降低且下降速度逐渐加快。(3)研究了混凝土在荷载与模拟酸雨耦合作用下的损伤劣化过程,系统分析了荷载应力比、耦合周期对混凝土性能的影响,得出了混凝土在荷载与模拟酸雨腐蚀耦合下的性能劣化规律,并以抗压强度为依据建立混凝土耐久性损伤模型。结果表明10%、25%低应力水平荷载对混凝土腐蚀过程有一定减缓效果,其中25%应力水平抵御模拟酸雨腐蚀效果最好。40%、55%、70%高应力水平荷载会加速混凝土腐蚀过程,应力水平越高,腐蚀越快。建立混凝土在荷载与模拟酸雨耦合作用下耐久性损伤模型,通过分析混凝土耐久性损伤模型发现低应力水平荷载对混凝土的填充密实裂缝的增强作用大于模拟酸雨腐蚀的劣化作用,混凝土在腐蚀前期损伤速率较小,随着耦合周期的推进,损伤速率不断增大。而高应力水平荷载与模拟酸雨腐蚀耦合作用下混凝土在腐蚀前期开始损伤速率较大,且在后续试验周期中增速更快。(4)通过Abaqus软件模拟本文试验周期中的3次循环加载周期,得出加载后混凝土受压应力-应变曲线。在数值模拟结果良好基础上,模拟第4次加载周期,并对加载后的混凝土进行模拟受压试验得出相应结果。采用过镇海提出的混凝土应力-应变全曲线分段式公式,对荷载和模拟酸雨腐蚀耦合下混凝土应力-应变曲线试验结果与模拟结果进行回归,得到不同应力水平下混凝土应力-应变曲线拟合参数。结果表明,在荷载和模拟酸雨腐蚀共同作用下,在试验前期,混凝土表征出脆性加强现象,而在实验后期由于刚度退化,混凝土表征出脆性减弱现象。在混凝土峰值应力、峰值应变、本构模型基础上,预测混凝土在后续耦合过程中一系列力学性能,具有一定参考价值。
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