持载下混凝土内水分及氯离子传输过程的试验和细观数值方法研究

The dry-wet cycling zones in hydraulic or coastal concrete structures are always at the highest risk of reinforcement corrosion. This reveals that water is either the principal agent responsible for the deterioration or the principal medium by which aggregessive agents (such as chloride ions) are transported into the concrete. The variation of concrete porosity and cracking caused by mechanical loading have the significant influence on mass transport properties of concrete because they can provide more pathways for fluid to transter, thus faciliating the ingress of deleterious species into concrete. Recently, the applicants have experimentally examined the water absorption property of concrete after unloading. However, few works are available on invistigating the effect of sustained tensile or compressive loading on water and chloride transport. The main objective of this project is firstly to realize the coupled test of sustained loading and agents transport by means of the modified test apparatus. It will help to investigate the influence of loading type and stress level on the transport properties. And then, the mesoscale lattice network model aimed for loading-damaged concrete will be developed based on the test findings and numerical results of Rigid Body Spring Model (RBSM)on mesoscale, which will be used to predict the distribution of water content and chloride concentration within the specimen domains. Finally, the numerical approach will be applied to the analysis of water and chloride penetrating process in concrete structures when subjected to the combined effect of dry-wet cycling and sustained loading. The framework of requirement and proposal for durability design of concrete structures under such complicated environment will also be proposed.

水（海）工混凝土结构干湿循环作用区域是钢筋锈蚀最为严重的部位，这表明水分传输是造成混凝土性能劣化和侵蚀性介质（氯盐等）迁移进入混凝土内部的主要载体。荷载作用造成混凝土内部孔隙率的变化及引起的裂缝或微裂缝，对水分传输速度和氯离子的渗透深度产生重要影响。课题组已完成了卸载后混凝土的水分传输性能试验研究，但关于轴向拉（或压）持载下混凝土中水分及由其引起的氯离子迁移规律的研究，迄今国内外尚无报道。本项目拟首先通过改进的试验装置开展混凝土轴心拉（或压）持载和物质传输的耦合试验，研究荷载形式和应力水平对混凝土传输性能的影响规律和作用机理；然后，以试验结果和细观刚体弹簧元力学分析结果为基础，建立荷载损伤混凝土物质传输分析的细观格构网络模型，计算吸水时混凝土内部的水分和氯离子浓度分布规律；最后，开展干湿循环下持载混凝土中水分及氯离子侵入过程的数值分析，提出该复杂条件下混凝土结构的耐久性设计要求和建议。

水（海）工混凝土结构干湿循环作用区域是钢筋锈蚀最为严重的部位，这表明水分传输是造成混凝土性能劣化和侵蚀性介质（氯盐等）迁移进入混凝土内部的主要载体。荷载作用造成混凝土内部孔隙率的变化及引起的裂缝或微裂缝，对水分传输速度和氯离子的渗透深度产生重要影响，本项目考虑不同荷载形式和应力水平对混凝土结构造成的损伤，开展了损伤/开裂混凝土中水分及氯离子传输过程的试验与理论分析，完善混凝土结构耐久性设计方法与评估理论。开展的具体研究内容和结果如下如下：. （1）提出了混凝土轴心拉、压持载和水分及氯离子传输耦合试验方法，目前已申请国家发明专利（公示期）；. （2）建立了轴向持压、持拉作用下不同应力水平对混凝土毛细吸水性能的影响规律，揭示了混凝土细观结构变化对吸水性能的影响机理；. （3）开展了不同应力水平持拉、持压下非饱和混凝土（初始相对含水率为0、50%、100%）氯离子传输规律试验研究，建立了水力扩散系数、氯离子扩散系数与持载（拉、压）应力水平的对应关系；. （4）基于非饱和流体理论，结合损伤混凝土的毛细吸水试验结果，对比分析了指数函数和幂函数形式的水力扩散系数对水分分布的影响规律；. （5）研究了不同宽度平行裂缝吸水性能的变化规律，建立了水分传输速度与裂缝宽度的对应关系，提出了基于平行板裂缝宽度的毛细吸水动力学模型；. （6）根据非饱和混凝土氯离子传输的对流-扩散模型，建立了持载作用下氯离子传输分析的数值模型，开展了不同加载方式、不同应力水平下非饱和混凝土中氯离子分布规律分析；. （7）考虑水分的气-液相两种存在形式和干湿两阶段传输过程的滞后效应，提出了干湿交替下开裂混凝土中水分和氯离子传输速度的预测方法；. （8）建立了含裂缝混凝土的二维细观格构网络模型，研究了干湿交替下开裂混凝土中水分和氯离子传输过程的细观数值分析。. 本项目可为深度研究荷载与复杂环境作用混凝土的劣化机理以及耐久性评价提供理论参考和有利依据。