現(xiàn)代混凝土傳輸行為與耐久性的基礎研究

1、現(xiàn)代混凝土傳輸行為與耐久性的基礎研究匯報內容p 研究背景p 研究思路p 現(xiàn)代砼各物相數(shù)量的定量計算p 現(xiàn)代砼結構形成過程與渝滲閥值p 水化過程數(shù)值模擬與3D微結構重構p 現(xiàn)代砼的傳輸本構模型p 結論一、研究背景1.研究背景p 我國基礎工程建設規(guī)?？涨埃炷劣昧烤薮?，約占全世界60% 至2030年，新建公路160萬公里公路工程 至2015年，高速鐵路達1.8萬公里，平均每年增加3000公里以上高速公路橋梁建設 至2020年，水電裝機總量達3.8億千瓦，相當于21個三峽工程基礎工程大規(guī)模興 治沙治海建治山治水 到2050年，我國城市化進程達80%港口建設西氣東輸南水北調核電工程鐵道建設 水電工程

2、p 混凝土生產每年消耗約70億噸的礦產資源、2億噸標煤，同時還排放出13億噸CO2，環(huán)境負荷巨大p 重大基礎工程在海洋和西部地區(qū)大規(guī)模興建海洋工程港珠澳大橋渤海灣海底通道南海永興島碼頭與機場800億元西部工程雅魯藏布江大拐彎巨型水電站川藏鐵路蘭新高鐵p 海洋和西部環(huán)境惡劣，基礎工程腐蝕嚴重，服役壽命面臨嚴峻挑戰(zhàn)西部：干冷、干熱、風沙、鹽湖、凍融、強紫外線 普通海工結構使用10-15年，普遍遭受嚴重銹蝕破壞交通部科考報告 西部極端環(huán)境下，砂漿1年粉化，普通混凝土2年開裂，3年失效青海鹽湖所科考報告海工混凝土浪濺區(qū)銹蝕破壞南海島礁混凝土結構7年后嚴重腐蝕青海鹽湖輸電線桿三年混凝土脫落鋼筋外露青藏鐵

3、路（昆侖山-格爾木）80%的橋梁墩柱二年后開裂p 嚴酷環(huán)境下重大混凝土工程建設須吸取國內外經(jīng)驗教訓 美國現(xiàn)有的高速公路橋梁中30%以上存在銹脹裂縫，僅橋梁銹蝕一項每年造成損失高達136億美元。（2013年美國聯(lián)邦公路管理局年度報告） 歐洲每年花費2500億歐元用于修復因鋼筋銹蝕造成的砼結構破壞。（2004年丹麥科技大學） 中國我國腐蝕損失高達1.2萬億元，其中基礎設施和建筑的腐蝕損失高達4000億元。（2012年中科院海洋所報告）海洋和西部嚴酷環(huán)境下混凝土結構腐蝕破壞事故頻繁巨大的經(jīng)濟損失、沉重的社會負擔！加強混凝土在嚴酷環(huán)境下的基礎研究刻不容緩！破破壞壞p 混凝土是工程建設的主要結構材料混凝

4、土材料特點：多相、多組分、大時間跨度二、研究思路C-S-H傳輸特性固相與孔相的逾滲閾值水泥漿體的傳輸特性微結構物相的特征參數(shù)砂漿與砼的傳輸特性基于微結構的現(xiàn)代砼多尺度傳輸本構模型實驗驗證及模型參數(shù)的影響規(guī)律簡化的多尺度傳輸本構模型三、現(xiàn)代砼各物相數(shù)量的定量計算1、現(xiàn)代砼各物相數(shù)量的定量計算1)純水泥漿各組分的量化及計算模型的建立1 exp A(t B) CC3S1.00.80.60.40.20.0A=a1+b18B=a2+b2C=a3+b317W/C=0.5 T=283W/C=0.5 T=293W/C=0.5 T=313W/C=0.25 T=293W/C=0.35 T=2930770.00.2

5、0.40.60.81.0Measured value圖1 C3S水化程度的預測值與實測值比較 1 exp A(t B) CC2S1.00.80.60.40.20.0A=e1+f1*(w/cB=e2+f2*(w/cC=e3+f3*(w/c0029W/C=0.5 T=283W/C=0.5 T=293W/C=0.5 T=313W/C=0.25 T=293W/C=0.35 T=293000640.00.20.40.60.81.0011Measured value圖2 C2S水化程度的預測值與實測值比較 1 exp A(t B) CC3A1.00.80.60.40.20.0A=i1+j1*(wB=i2+

6、j2*(w00029017W/C=0.5 T=283W/C=0.5 T=293W/C=0.5 T=313W/C=0.25 T=293W/C=0.35 T=293C=i3+j3*(w000560.00.20.40.60.81.0Measured value圖3 C3A水化程度的預測值與實測值比較1 exp A(t B) CC4 AF1.00.80.60.40.20.0A=m1+n1*(w000250016W/C=0.5 T=283B=m2+n2*(wTW/C=0.5 T=293W/C=0.5 T=313W/C=0.25 T=293W/C=0.35 T=293C=m3+n3*(w000220.00

7、.20.40.60.81.0Measured value圖4 C4AF水化程度的預測值與實測值比較 K(M * M * M * M * )C SC SC SC SC AC AC AFC AF433223341.00.80.60.40.20.0W/C=0.5 T=283W/C=0.5 T=293W/C=0.5 T=313W/C=0.25 T=293W/C=0.35 T=2930.00.20.40.60.81.0Measured value圖5 水泥的水化程度的預測值與實測值比較( k=1.0579, R2 =0.99772)水泥水化產物體積的定量計算方程1.00.90.80.70.60.50.4

8、0.30.20.10.0capillary porosityLD C-S-HHD C-S-Hcalcium hydroxidetrisulfoaluminatemonosulfoaluminatehydrogarnetunhydrated cement013728 90 180 360Time, days圖6 硬化水泥漿體中各組分體積分數(shù)(W/C=0.53, T=20C)2)礦物摻合料-水泥復合體系水化反應程度及其模型n 純水泥凈漿：建立的考慮T、t 、水泥組成、礦物相交互作用的水化模型100180d60dw/b=0.58060402028d7d3d1d礦物摻合料-水泥復合體系的水化程度計算模

9、型1) 粉煤灰-水泥復合體系304050607080礦 渣 摻 量/ % m m mf (Wn) (Wn) m 0.05 m )/ 0.23mT1ccc fcfc fTc0cffc2) 礦渣-水泥復合體系 m m m (Wn) (Wn) m 0.12 m )/ 0.23mT 2cccscsscsTc0cssc m m mT1c cc f cff0.000.040.010.020.030.040.04相關系數(shù)= 0.98849a(t b)c1 e 0.030.020.010.000.030.02c fa 0.01589 0.08145(W / B)b 1.02 0.1(W / B)c 0.422

10、37 0.67115 (W / B)W/B=0.3W/B=0.4 0.01W/B=0.50.000.000.010.020.030.04Measured value0.01.00.20.40.60.81.01.0相關系數(shù)= 0.991311 e d (t e)f0.80.60.40.20.00.80.60.4fd 0.01144 0.1142(W / B)e 1.71296 3.2688(W / B)f 0.30802 0.09636(W / B)W/B=0.3W/B=0.35W/B=0.4W/B=0.45 0.2W/B=0.50.00.00.20.40.60.81.0Measured val

11、ue1.00.80.60.40.20.0 m m m相關系數(shù)= 0.9237T 2c ccs cs sh(t i)j1 e csW/B=0.3W/B=0.4W/B=0.5h 0.636 0.852(W / B)i 0.84 0.2(W / B)0.00.20.40.60.81.0j 0.337 1.768(W / B)Measured value0.5相關系數(shù)= 0.989020.40.30.20.10.01 e o(t p)qso 1.16 6.59(W / B) 9.41(W / B)p 1.95 3.5(W / B)2W/B=0.3W/B=0.4W/B=0.5 q 1.55 12.5(W

12、 / B) 18.08(W / B)20.00.10.20.30.40.5Measured valuen 粉煤灰-水泥復合體系的各物相計算方程VCH (0.188(C S)0.0576(C S)0.136(C4 AF)C4 AF )C 1033C3S2C2S(0.606S fs,FA 0.971 f ) (FA) 103AA,FAFAV(0.475(C S)0.630(C S) )C 1031.702 f (FA) 103SS,FA FA1.182(C A) C 103 3.131 f (FA) 10 33C A3AA,FA FAVC(AF)H 0.627(C AF) C 10 34C AF4

13、 W 103 (0.347(C S) 0.384(C S) 0.577(C A) 0.224(C AF)C 1033C S32C S23C A34C4 AF(0.635 S fS ,FA 1.180 A f) (FA) 103A,FAFAn 礦渣-水泥復合體系的各物相計算方程CH (0.487(C S) 0.215(C S) 0.305(C AF)C3C S32C S24C4 AF (1.3521C fC,SL 1.850C fs,SL 2.182 f ) (SL)AA,SLSLCSH (0.829(C S) 1.099(C S) )C 3.150 f (SL)3C S32C S2SS,SL

14、SLCASH 2.307(C A) C 6.110 f (SL)3C A3SS,SL SLC(AF)H 1.675(C4 AF)C AFC4 W 103 (0.347(C S) 0.384(C S) 0.577(C A) 0.224(C AF)C 1033C S32C S23C A34C4 AF(0.289C fC,SL 0.414S fS ,SL 1.180 f ) (SL) 103AA,SLSL3)界面過渡區(qū)體積分數(shù)的定量計算n 考慮界面重疊的計算方法骨料基體界面圖7 界面之間重疊V 1V ev(t )ITZaITZev(t ) (1V ) exp N (ctdt2gt3 )ITZaVIT

15、ZITZITZVITZ 1 V (1 V ) exp N (ct dt2ITZgt3ITZ)aaVITZ24 R28 NV R24 Rc d1Va1Va(1Va )22316 NV R264A2 NV2 R2R4 Rg3(1Va )3(1Va )227(1Va )31) 基于骨料理想Fuller分布的VITZ計算VITZ計算過程2)基于實際骨料篩分曲線的VITZ計算四、現(xiàn)代砼結構形成過程與渝滲閥值1) 結構形成過程監(jiān)測系統(tǒng)的研制p 發(fā)明了原位超聲監(jiān)測裝置及方法(ZL200910028456.8)Transmi tterReceiverSample1. 原位連續(xù)監(jiān)測水泥基材料結構形成全過程中的超

16、聲波變化Ampl i fl erA/D ConverterAmpl i fl er2. 溫度在20-250可調Pulse generator3. 識別毛細孔和固相的滲透閥值Data CollectorComputer4. 礦物摻合料和外加劑對結構形成過程的影響5000400030002000100000500100015002000圖8 水泥砼結構形成過程原位超聲監(jiān)測儀Time (min)p 設計并改進了新型無電阻率監(jiān)測系統(tǒng)(ZL201120085277.0)1. 原位連續(xù)監(jiān)測水泥基材料結構形成全過程中的電阻率變化2. 溫度在20-200可調3. 識別毛細孔滲透閥值vWorking tempe

17、rature: 2003.52.82.11.40.790847872660500 1000 1500 2000 2500Time(min)監(jiān)測系統(tǒng)2) 結構形成過程的原位連續(xù)追蹤60005000400030002000100004000III IIIIVIIIIIIBB3000200010000AAO0500 1000 1500 2000 2500 3000Time (min)0500 1000 1500 2000 2500 3000Time(min)凈漿典型UPV變化曲線UPV砼典型的 變化曲線40004000300020001000030002000100000% SL10% SL30%

18、SL50% SL70% SL0% FA10% FA30% FA50% FA0500 1000 1500 2000 2500 3000Time (min)0500 1000 1500 2000 2500 3000Time (min)粉煤灰對UPV的影響UPV礦渣對 的影響3)渝滲閥值p 固相渝滲0.00540003000200010000400030002000100001.00.80.60.40.20.0BIIIIII0.004BAHydration heatUPV0.0030.002A0.001UPVsolid volume fractioncapillary porosity0.00005

19、00 1000 1500 2000 2500 3000Time (min)0500 1000 1500 2000 2500 3000Time (min)UPV與水化熱的比較UPV與體積分數(shù)之間的關系固相的渝滲閥值：1) A時刻的水化程度為5.22%，此時對應于UPV形成的逾滲閥值，其中固相體積分數(shù)為50.6% 。2) B時刻的水化程度為26.66%，此時在固相體積分數(shù)為0.62，固相全部連通，即固相連通體積分數(shù)也為62.3% 。模擬C-S-H和CH連通C-S-H和CH連通體積分數(shù)與總體積分數(shù)之間的關系固相、C-S-H 和CH體積分數(shù)隨時間的變化p毛細孔渝滲毛細孔的渝滲閥值：1) 毛細孔開始阻斷

20、C點：T=320 min, =5.22%, 孔相體積分數(shù)=49.4%2) 毛細孔完全阻斷D點：T=5640min, =61.98%, 孔相體積分數(shù)=18.98%3D模擬完全阻斷毛細孔隙率=18.64%，模擬與試驗相一致 1.5 tanh 8 0.25 2.5水膠比越低，時間越長其曲折度越大，收縮因子越小2 0.001 0.0721.8 H( 0.18)( 0.18) 2cpcpcpcp五、現(xiàn)代砼水化過程模擬與3D重構數(shù)字圖像基模型圖 水泥基材料3D重構及水化過程模擬流程圖1)水泥漿體初始結構的3D重構圖10 973水泥的BSE圖11 973水泥粒徑分布C3SC4AFC3AC2SCH2Poros

21、ityCH100100100像素周期性邊界條件水泥簡化為球形C-S-H圖12 水泥漿體初始結構生成及各礦物分相實現(xiàn)2)水泥水化過程的3D模擬圖13 水泥顆粒溶解、擴散和反應過程示意圖圖14 水化模擬3D動畫（20小時）3)礦物摻合料-水泥復合漿體的水化過程的3D模擬圖12 水泥-粉煤灰復合漿體的初始結構生成及各礦物分相(紅色-C3S，黃色-C4AF，綠色-C3A，水綠色-C2S，灰色-石膏，白色-粉煤灰 )圖12 水泥-礦渣復合漿體的初始結構生成及各礦物分相(紅色-C3S，黃色-C4AF，綠色-C3A，水綠色-C2S，灰色-石膏，藍色-磨細礦渣)4) 模擬結果與實驗驗證conn_pornon_

22、connboth0.60.30.0poressolids060120time(h)圖15 水化模擬孔隙率變化動畫圖16 連通與非連通孔隙率的變化曲線畫w/c=0.35w/c=0.35w/c=0.236040200PorosityC3SCSHCH22515075w/c=0.23003060900.00.20.4time(h)alpha_mass圖18 水泥水化熱實驗與模擬對比圖圖17 反應物和產物隨水化程度變化六、多尺度傳輸本構模型與微結構相關的多尺度傳輸本構模型的建立6.1 理論模型Level IV: 10-2-10-1 mLevel III: 10-6-10-3 mLevel II: 10-

23、6-10-9 mLevel I: -10-9 m1、尺度I(C-S-H): Mori-Tanaka (MT) 和 自洽(SC)(1) 高密度C-S-H 層: MT=0.70Ca(OH)2扁橢球=0.69AFt長橢球1HCHHAFHAFVV HCHH AF H CH1HCHHAFHTHAFTVCHH H VCSHHVAFCHsCH sAF V H V H VCHAF CSHH(2) 低密度C-S-H 層: SC or MTVLCHLCH143VLCHVVLAFVCSHLVcapp p2 8D (1 (L L )cap AF2CHVLAFLAFVLCHLAFVCSHLVcap23(cap 3cap

24、 1) DcapVcapVcricapp D*LLAFcapCSHLCHVLCHVLAFVCSHLVcap2、尺度II(水泥凈漿): 廣義自洽法(GSCS)低密度C-S-H層高密度C-S-H層R3UU 1R32未水化水泥粒子核CSHH等效介質6Deff (1 ) ( ) 2CSHH (DCefSfHH Deff )(1 2U 2CSHL) DeffCSHLeffUUCSHHCSHHeffCSHL)( ) 2U effCSHH3D (2(1)(DD)CSHLUUCSHHCSHHCSHHCSHL3、尺度III和(砂漿和砼) : GSCS水泥基體ITZ骨料When D =0，V 0aI等效介質4、界

25、面過渡區(qū)傳輸系數(shù)DITZ的計算模型1)界面過渡區(qū)孔隙分布計算模型Zheng2)界面過渡區(qū)有效擴散系數(shù)計算(Garboczi and Bentz)6.2 基于3D微結構的傳輸模型及其數(shù)值模擬1、尺度I：C-S-H凝膠p 模型假設：1) HD C-S-H孔隙率=24%，LD C-S-H對應37% (Jennings)2) micro = 22.3% (Atlassi,E.1992) macro(HD) = 2.2%(HD C-S-H),18.9%(LD C-S-H)Systemsize(side)Resolutionper pixelParticlediameterHardcoreSoftshel

26、lNumber ofparticlesModelMicroMacroPorosity22.3%25nm0.125nm1.25nm5nm3.7nm22nm1.3nm18nm2126752.2%(HD)18.9 %(LD)250nm40nm“Micro” level“Macro” level(HD)Macro level(LD)d 3.7nmd 10.1nmDC-S-H/D0d 25.0nmp雙電層 對C-S-H傳輸?shù)挠绊慔 O直徑: 330 pm (Zhang 1995)；陽離子: Na 最大半徑“102 pm”+2dcompact = d + d = 204 + 864 = 1068 pmIH

27、POHP2)擴散層diffuse layerddiffuse = 970 pm (H. Friedmann 2005)3)雙電層electrical double layer (EDL)d = d+ ddiffuse = d + d + d= 1068 + 970 = 2038 pmEDLcompactIHPOHPdiffuse4) 溶液陰離子: Cl- 最大半徑“54.5 pm”dsolution = 4d +d +d =4*330+2*102+2*49.5=1623 pmwaterNa+cl-5)允許傳輸?shù)淖钚】讖絛 = 2d + d = 2*2038 + 1623 = 5699 pm = 5.7 nmsolutionminEDLp考慮雙電層的C-S-H的擴散系數(shù)：D （Garboczi, 1990 孔隙率; 孔結構參數(shù)）D0L S poreV2ddEDLD S 114D S(d 2d )222DEL4D /D = 4.5610-2LD0D /D =10-5 0HD0與文獻參考值(Bary,2006)吻合= 9.2610-11m2/s= 2.0310-14m2/sDCSHext =7.1710-11m2/s1.0410-10m2/s=8.3010-13m2/sDCSHin2、尺度II：水泥凈漿C-S-H未分相C-S-H分成HD和LD未水化水泥非傳輸相