硫酸盐侵蚀混凝土的动态时变损伤本构关系

Durability design and evaluation of concrete structures in sulfate abundant environments can improve their safety significantly at service stage. However, the deterioration failure model of sulfate attacked concrete is unclear, and the current modeling methods specified for healthy concrete, which are based on isotropic assumption, are not suitable for determining the constitutive relation of environmental attacked concrete. The real constitutive relation of deteriorated concrete is not obtained. For solving these questions, the major research contents of the proposed project are as follows: firstly, the environmental conditions affecting sulfate attack are discussed and a new deterioration failure model considering environment similarity and multi-factors is built. Secondly, referring to the nonuniform of attack level along depth, the smart aggregate based monitoring system is used to provide the damage evolution equations of different depths. Thirdly, the dynamic concrete tests are conducted, and the dynamic and time dependent damage constitutive relation of sulfate attacked area is provided by introducing layered damage evolution equations. Fourthly, kinds of analysis and testing methods are used to observe the micro-meso properties or for 3D modeling of concrete. The effects of damage at micro or meso level induced by attack on macro-mechanical properties are discussed in deep. Finally, the safety assessment method of important concrete structures in sulfate abundant environment is studied. This research will provide a reference for durability design of important concrete structures in severe environments.

混凝土结构的耐久性设计和评估能有效提高硫酸盐侵蚀环境中服役结构的安全性，然而目前硫酸盐侵蚀混凝土的劣化计算模型尚未清晰，以各向同性假定为基础的混凝土本构关系建立方法不适用于环境侵蚀混凝土，劣化区域混凝土的本构关系并未真实得到。针对上述问题本项目在以下几个方面展开系统研究：研究各环境因素对硫酸盐侵蚀的影响，建立考虑环境相似性和多因素影响的硫酸盐侵蚀模型；基于混凝土结构压电智能监测平台，考虑试件截面侵蚀程度的不均匀性，给出混凝土不同深度处的损伤演化方程；进行动态力学性能试验，引入侵蚀监测得到的层损伤演化方程，建立硫酸盐侵蚀区域的动态时变损伤本构关系；利用各种测试分析手段对混凝土进行微细观分析和三维建模，探讨侵蚀引起的微、细观损伤对宏观力学性能的影响机制；最后建立硫酸盐侵蚀环境中重要工程结构的安全评定方法。该项目研究成果为复杂环境中重要工程结构的耐久性设计提供了基础数据和方法支持。

硫酸盐侵蚀是混凝土结构面临的主要耐久性问题之一。硫酸盐侵蚀引起混凝土结构早期失效现象屡有发生，然而目前硫酸盐侵蚀混凝土的劣化模型尚未完全清晰，硫酸盐侵蚀环境下混凝土结构的耐久性设计方法尚处于定性层次，“定量化的混凝土结构劣化模型”的缺乏阻碍了结构耐久性的定量设计。针对上述问题该项目进行了以下几个方面的研究：1）考虑钙溶蚀对硫酸盐侵蚀的影响，建立了可耦合考虑化学反应-离子迁移-膨胀变形等多因素的硫酸盐侵蚀混凝土劣化模型；2）以加速试验的方式研究了硫酸盐侵蚀混凝土的劣化性能，验证了已建立硫酸盐侵蚀模型的准确性，并对侵蚀混凝土的膨胀变形进行了数值模拟分析；3）搭建了硫酸盐侵蚀混凝土的压电智能监测平台，借助于波速测量建立了不同区域硫酸盐侵蚀混凝土的损伤演化方程；4）建立了硫酸盐侵蚀混凝土的力学性能劣化模型，在细观尺度下仿真模拟研究了硫酸盐侵蚀混凝土的损伤演化过程；5）定义失效厚度为硫酸盐侵蚀混凝土的耐久性失效指标，开展了硫酸盐侵蚀混凝土的耐久性失效研究。上述研究成果为推动实现混凝土结构耐久性的定量设计提供了基础数据和方法支持。在该项目的资助下正式或在线发表SCI检索论文20篇，核心研究成果发表在水泥基材料顶级期刊《Cem. Concr. Res.》；申请国家发明专利4项，授权发明专利1项；培养硕士研究生5名、博士生1名；获广东省科技进步一等奖1项、深圳市科技进步一等奖1项、深圳市自然科学二等奖1项、日内瓦国际发明展银奖1项；入选2019年度广东特支计划科技创新青年拔尖人才；耐久性监测相关研究成果编入《结构健康监测教程》中。