受酸雨侵蚀混凝土弹性模量研究_张英姿
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第28卷第2期 Vol.28 No.2 工 程 力 学 2011年 2 月 Feb. 2011 ENGINEERING MECHANICS 175
——————————————— 收稿日期：2009-08-06；修改日期：2010-02-06 基金项目：国家自然科学基金项目(50708010)；辽宁省博士启动基金项目(1050259)；大连海事大学青年骨干教师基金项目(2009QN045) 作者简介：张英姿(1979―)，女，山东人，博士后，从事桥梁工程耐久性研究(E-mail: happyzhangyz@yahoo.com.cn)； 赵颖华(1954―)，女，辽宁人，教授，博士，博导，主要从事材料宏、细观损伤力学，桥梁结构设计理论等研究 (E-mail: yhzhao@dlmu.edu.cn)； ∗范颖芳(1972―)，女，河南人，教授，博士，博导，从事混凝土结构耐久性研究、安全性评价和维修加固工作 (E-mail: fanyf72@yahoo.com.cn).
文章编号：1000-4750(2011)02-0175-06 受酸雨侵蚀混凝土弹性模量研究
张英姿，赵颖华，*范颖芳 (大连海事大学道路与桥梁工程研究所，辽宁，大连 116026)
摘 要：弹性模量是混凝土的一个重要力学性能指标，直接影响结构的静力、动力力学响应。为了研究酸雨环境下混凝土弹性模量的劣化规律，应用复合材料细观损伤力学弹性模量理论模型，计算了受腐蚀混凝土静力抗压弹性模量，并通过实验室加速腐蚀方法模拟3种酸度的酸雨环境(pH值为1.5、2.5和3.5)，测试不同腐蚀环境下C40混凝土的静力抗压弹性模量。理论模型的计算结果与试验数据吻合较好。研究表明：相对于未腐蚀混凝土，受酸雨侵蚀混凝土内部等效孔洞的体积含量变化是导致力学性能劣化的一个重要原因；以弹性模量变化D作为损伤指标以描述不同腐蚀程度混凝土的劣化规律，对于不同酸度侵蚀液腐蚀的混凝土，在腐蚀初期D波动较大，而后随着侵蚀时间的延长逐渐增大，酸度愈大，D变化愈显著，规律性愈强。 关键词：混凝土；腐蚀；弹性模量；损伤；质量 中图分类号：TU502.6 文献标识码：A
A THEORETICAL MODEL FOR ASSESSING ELASTIC MODULUS OF CONCRETE CORRODED BY ACID RAIN
ZHANG Ying-zi , ZHAO Ying-hua , *FAN Ying-fang (Institute of Road and Bridge Engineering, Dalian Maritime University, Dalian, Liaoning 116026, China)
Abstract: Elastic modulus is an important mechanical parameter of concrete, which has a significant effect on the static and dynamic response of a concrete structure. To investigate the elastic modulus of concrete corroded by simulated acid rain, a theory model was put forward based on Composite Micromechanics. Three series of accelerated corrosion tests were executed on concrete C40. Three kinds of simulated acid rain solutions, whose pH are 1.5, 2.5 and 3.5, respectively, are applied as the corrosive medium. The calculated results show good agreement with the experimental data. It can be concluded that the volume fraction of the void, which is corroded by acid rain, is an important factor of the concrete; and the variation of the elastic of concrete D is taken as a damage index, it is found that D has a larger fluctuation at the initial corrosion stage, and with the increasing of corrosion duration, D will have a significant increase. It is also shown that the higher concentration of the solution, the more severe damage and the stronger regular form will be occurred on the specimen. Key words: concrete; corrosion; elastic modulus; damage; mass
随着全球工业化进程的不断加快，燃烧石油、煤和天然气所带来的环境污染导致酸雨的大面积产生，我国是继欧洲、北美之后的世界第三大酸沉降区[1]。研究表明[2]，近几年我国的酸雨污染正在
不断蔓延和加重。在我国酸雨严重的重庆市，石门大桥以及嘉陵江大桥等结构的混凝土受到酸雨腐176 工 程 力 学 蚀[3]，加速了内部钢筋的锈蚀，使得结构安全性降低。混凝土材料耐久性问题是研究整个钢筋混凝土桥梁结构耐久性的基础，具有重要意义。混凝土弹性模量既是混凝土桥梁和结构设计的重要参数，也是表征混凝土内部破坏的重要参数，因此探讨受侵蚀混凝土弹性模量的劣化规律不可或缺。 自1872年英国化学家Smith首次提出酸雨的概念[4]，到20世纪40年代酸雨引起了各国学者的普遍关注，此后展开了对酸雨各方面的大量研究。针对酸雨对混凝土力学性能的劣化，国内外科研工 作者开展了大量的试验研究[5―8]和定性的机理分 析[9―10]。迄今为止，关于侵蚀后混凝土弹性模量变化规律的试验研究甚少，从理论上进行探讨分析的研究也鲜有报道。Kong(1987)等对浸泡在pH从2―5的酸沉降溶液中140个混凝土圆柱体进行了实验室加速试验，得出重量损失在pH值小的溶液中比pH值大的溶液中小的结论，与Fattuhi(1988)的试验结论相悖；Xie(2004)通过实验室加速试验对混凝土进行了试验研究，从抗压强度、化学成份和中性化深度进行了分析；张虎全等(2008)从理论上探讨了酸雨对混凝土类碳化基本机理；胡晓波等(2008)以喷淋光照循环方式模拟酸雨对C50混凝土的侵蚀，得到了受侵蚀混凝土抗压强度、弹性模量等力学性能指标，但试件个数偏少，缺少进一步的理论分析。综上所述，以上学者的试验研究大都局限于酸雨条件下劣化混凝土定性的机理分析以及其质量、抗压强度等变化，涉及弹性模量的试验数据较少，不足以反映侵蚀后混凝土弹性模量的变化规律，由于问题的复杂性，受酸雨腐蚀混凝土的弹性模量缺乏系统的试验研究和深入的理论探讨。 混凝土是典型的非均质复合材料，其宏观力学性能取决于细观结构，宏观的破坏行为是细观尺度上的损伤和断裂积累的发展结果。为建立混凝土微细观结构各种缺陷及其特性的不均匀性与宏观力学特性的联系，本文应用复合材料细观损伤力学弹性模量模型，计算了受酸雨侵蚀混凝土的弹性模量，并通过试验验证，对受酸雨侵蚀混凝土力学性能劣化规律进行深入探讨。 1 受侵蚀混凝土弹性模量理论研究 混凝土是一种含有缺陷的复合材料，本文将混凝土损伤定义为由于环境作用的变化，体内细观尺度微缺陷发展的结果，如微裂纹、微孔洞等在环境效应持续作用下产生弥散裂隙并进一步增长、扩展、汇合，形成一定尺度的宏观裂纹，导致结构强度、刚度下降，以致最终发生破坏。混凝土受酸雨腐蚀后，氢离子和硫酸根离子分别对混凝土产生溶解和膨胀作用，使得内部孔结构发生了变化，改变了材料的孔隙率，导致孔径分布不均匀[7]，进而使得混
凝土力学性能(强度、弹性模量等指标)发生变化。 1.1 基本假设 为了研究受酸雨侵蚀混凝土弹性模量的变化规律，探讨腐蚀前后混凝土力学性能变化关系，作以下基本假设： 1) 假设混凝土为宏观各向同性材料，将腐蚀前混凝土作为一个完好整体来考虑，其质量为m0。
2) 假设腐蚀后的混凝土宏观上尚未发生明显的体积膨胀，视混凝土为两相复合材料——孔洞和除孔洞以外的密实基体，且复合材料分布密度较均匀，基体定义为“0”相，孔洞为“1”相，此时复合材料总质量为m1。
3) 混凝土受侵蚀后，将发生物理和化学反应，腐蚀前后其质量、截面面积等都将发生变化，截面等物理量的变化在质量改变中有所体现，将这些改变统一为质量的变化01mmmΔ=−，等效为复合材
料内部孔洞的含量发生了变化。 1.2 公式推导 假设混凝土内孔洞的体积含量为C1，基体的体
积含量为C0，根据前面的假设：
011
1
mmC
m
−=，C1+C0=1 (1)
混凝土受侵蚀后，假设孔洞在基体中三维随机排列，根据Tandon和Weng[11]对复合材料细观损伤力学的研究，可以求解得到宏观各向同性材料的两个独立弹性常数为：
11001cckpk−=+⎡⎤⎢⎥⎣⎦，11001ccqμμ−=+⎡⎤
⎢⎥⎣⎦
(2)
式中：k0、k分别为基体材料和复合材料的体积模量；
μ0、μ分别为基体材料和复合材料的剪切模量；p、q
为常数。 根据赵颖华教授[12]提出的含微孔洞、微裂纹材料的弹性模量表达式可看出，孔洞的形状与弹性模量的求解密切相关，孔洞形状可以用椭球来概括，其长径比为α，椭球可以是针状的、球状的、扁片
状等。显然，受酸雨侵蚀混凝土的孔结构难以用统一的形状进行描述。球状孔洞(椭球形状参数值
