荷载影响结构混凝土中氯离子传输机理的多尺度分析

结构混凝土是一种多尺度条件下的复合材料，借助多尺度方法与技术来实现对其损伤劣化和氯离子扩散性能的研究是必要的。本项目基于多尺度分析方法和模拟技术以及多孔介质力学理论为基础，通过建立氯离子在结构混凝土中传输的多尺度模型，揭示结构混凝土中不同尺度、不同组分对其氯离子扩散系数的影响机理；依据细观损伤力学、现代测试和图像分析技术，建立在荷载（静载和疲劳荷载）作用下结构混凝土多相细观力学模型，揭示荷载作用下微结构的演变与宏观本构之间的关系；基于结构混凝土的多尺度传输行为和荷载对结构混凝土的损伤劣化机理,确立合理的损伤变量和评价指标进行荷载(特别是疲劳荷载)与氯盐耦合作用下结构混凝土损伤劣化的宏观、微观试验方法，分别建立静载和疲劳荷载作用下结构混凝土中氯离子扩散系数的多尺度模型和寿命预测方法，揭示荷载对氯离子在结构混凝土中传输的影响机理。

由于混凝土材料是一种多尺度条件下的复合材料，所以必须借助多尺度方法与技术来实现对其损伤劣化和氯离子扩散性能的研究。本项目基于多尺度分析方法和模拟技术以及多孔介质力学理论，分析和提炼出一系列结构混凝土多尺度损伤和传输的理论问题，揭示了荷载作用下结构混凝土的损伤劣化和氯离子扩散性能演变规律。 首先，根据混凝土微结构特征尺度的大小，将混凝土划分为五个层次，各层次因微结构特征不同采用不同的传输模型，通过多尺度过渡法将影响结构混凝土传输的主要微结构特征参数与氯离子有效扩散系数之间建立了定量关系；其次，基于复合材料细观力学理论和多孔介质理论，建立了含多夹杂的Mori-Tanaka和IDD法预测结构混凝土中氯离子有效扩散系数模型，揭示了夹杂形貌和体分比对有效扩散系数的影响规律和机理；第三， 基于细观力学理论，初步建立了IDD法预测侵蚀性介质在含损伤混凝土中传输的预测模型；第四，以能量和残余应变作为损伤变量，将疲劳损伤过程划分为三个阶段，建立了疲劳损伤演变方程；并发现当残余变形到达120μ时，能量释放率急剧增大，材料进入快速破坏阶段，并引起了混凝土中氯离子扩散系数的显著变化，此处可以界定为引起耐久性显著变化的损伤临界点；第五，基于CT和纳米压痕微观试验和细观模拟的方法，揭示了水泥净浆在氯盐溶液中钙离子严重流失，微结构由密实变为相对疏松，微观力学性能下降。从而揭示了氯盐溶液对水泥净浆试样的溶蚀机理，并将钙离子流失引起的损伤与疲劳损伤相结合，探索了在疲劳和氯盐耦合因素作用下，结构混凝土的损伤劣化规律；第六，建立了疲劳载荷与冻融循环耦合作用下结构混凝土耐久性研究新的试验制度, 提出了混凝土疲劳荷载和冻融耦合作用下损伤耦合系数的计算方法；第七，针对疲劳损伤发展的第二阶段, 以残余应变为损伤变量，利用循环寿命比等价的关系，借助残余变形的纽带，建立了疲劳载荷与氯盐耦合作用下结构混凝土的服役寿命预测方法。从中发现氯盐与疲劳载荷耦合作用下, 结构混凝土的服役寿命大大缩短。通过本项目研究，揭示了氯盐和荷载耦合作用下结构混凝土的传输规律、损伤机理，取得的结论不仅能揭示结构混凝土微结构的演变和侵蚀性离子（氯离子）传输诱发的钢筋锈蚀进而导致结构失效的原因，而且为青荣城际铁路跨双岛港大桥关键部位结构混凝土的寿命评估和预测提供理论依据并应用。