一种基于细观精细模型的钢筋混凝土氯盐环境下服役性能分析方法

1.本发明属于细观尺度下混凝土数值模拟领域，涉及一种基于细观精细模型的钢筋混凝土氯盐环境下服役性能分析方法。


背景技术：

2.混凝土是一种碱性的多孔材料，使用广泛的硅酸盐混凝土其ph值高于12.5，嵌入其中的钢筋表面会生成保护性的钝化膜，显著提升钢筋的抗氧化能力。钢筋的锈蚀主要由氯盐侵蚀导致，例如除冰盐、内陆盐湖环境、滨海环境等。
3.早期关于氯离子在混凝土细观模型扩散的数值研究是将混凝土视为粗骨料和水泥砂浆的两相模型，但是这种两相模型的氯离子扩散落后于等效均质混凝土中氯离子的扩散行为。并且由于混凝土材料的非均质性和复杂性，界面层(itz)，又名界面过渡区的氯离子扩散系数难以用一个直观的定值来表示。
4.公开号为cn115712993a的中国专利，刘肖廷发明的氯离子侵蚀模型构建方法及氯离子侵蚀的模拟方法改进了早期模拟方法，该发明采用一维分形导数扩散方程推导氯离子侵蚀。但该专利公开的技术手段依旧无法以定值来表示氯离子扩散系数。


技术实现要素：

5.发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明考虑到itz的材料参数与物理性质难以通过试验测量得到，同时为了便于数值计算，减小有限元计算成本，本文假设itz具有均质的特性，根据对已有混凝土材料的研究，在统一相场理论、fuller级配曲线、断裂力学理论、有限元模拟技术的基础上，本发明采取细观尺度，运用相场理论来分析氯盐环境混凝土开裂失效模式，模拟分析不同钢筋位置、骨料分布等因素对混凝土开裂和耐久性退化的影响。利用这个方法模拟出的混凝土开裂模式相较于宏观尺度更加符合实际实验结果，能更好地模拟出混凝土开裂过程以及混凝土内裂缝之间的相互影响。
6.技术方案：为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术手段：
7.一种基于细观精细模型的钢筋混凝土氯盐环境下服役性能分析方法，包括以下步骤：
8.1)投放细观混凝土的骨料，实现细观非均质混凝土的全自动建模；
9.2)验证细观混凝土的力学性能和氯离子在细观混凝土中的扩散，证实耦合分析方法模拟细观尺度饱和混凝土氯离子输运的有效性；其中，
10.所述验证细观混凝土的力学性能的具体方法为：通过位移加载、不同骨料分布获得对细观混凝土的峰值强度、破坏模式的影响，从而验证细观混凝土的力学性能；
11.所述验证氯离子在细观混凝土中的扩散的具体方法为：采用均匀化的方法反演获得细观混凝土材料各相的氯离子扩散系数，即首先将粗骨料与界面层itz一同视为等效骨料，计算得到等效骨料的氯离子等效扩散系数，再根据混凝土整体等效扩散系数求得砂浆
的等效扩散系数；
12.4)利用步骤2)得到的所述混凝土的氯离子扩散系数及位移增量，进行细观尺度氯盐环境单筋混凝土开裂与耐久性退化过程数值模拟；
13.4)在步骤3)的基础上将单筋混凝土改为多筋混凝土，同时，改变钢筋位置、骨料分布，开展细观尺度氯盐环境多筋混凝土因锈胀失效破坏的数值模拟，模拟分析不同钢筋位置、骨料分布因素对混凝土开裂和耐久性退化的影响。
14.步骤1)中所述投放细观混凝土的骨料的具体方法为：为得到具有最大密度、最小空隙的骨料，采用抛物线级配曲线将固体颗粒按粒径大小进行搭配，此时达到最大密度，其表达式为：
[0015][0016]
式中，pi为孔径为dimm的筛子的通过率，di为骨料各级的粒径，单位mm，d为最大的骨料粒径，单位mm。
[0017]
所述步骤1)中实现细观非均质混凝土的全自动建模的具体步骤为：
[0018]
1a)采用圆形来近似真实骨料形状，随机生成骨料的粒径数据；
[0019]
1b)随机生成骨料中心的坐标，利用骨料中心与另一颗骨料中心的距离判断两者是否重叠干涉，若无，则投放骨料；
[0020]
1c)根据fuller级配曲线确定细观尺度混凝土内粗骨料的粒径及体积比，在abaqus平台上全自动实现骨料投放、界面层itz的生成、骨料间的干涉判定、细观混凝土的装配、赋予单元属性与材料属性流程。
[0021]
步骤2)所述验证氯离子在细观混凝土中的扩散的具体方法中，将混凝土视作等效骨料与砂浆组成的二相材料，得到等效骨料的氯离子扩散系数表达式：
[0022][0023]
式中，μ为椭圆骨料长轴与短轴的比值，圆形骨料μ＝1；
[0024]fagg
和f
itz
为骨料和界面层itz的体积分数；
[0025]
μ为椭圆骨料长轴与短轴的比值，圆形骨料μ＝1；
[0026]dea
为等效骨料的氯离子等效扩散系数；
[0027]ditz
为界面层itz相扩散系数；
[0028]
得到二相混凝土的氯离子扩散系数表达式：
[0029]ditz
＝αd
cp
[0030][0031]
式中，α为界面层itz相扩散系数与砂浆相扩散系数的比值，取值在2～12之间；
[0032]deff
为混凝土整体等效扩散系数；
[0033]dcp
为砂浆的等效扩散系数。
[0034]
所述步骤3)中，进行细观尺度氯盐环境单筋混凝土开裂与耐久性退化过程数值模
拟的具体步骤为：
[0035]
3a)进行中部钢筋锈胀致混凝土损伤破坏的细观模拟；
[0036]
3b)进行骨料分布对混凝土损伤破坏影响的细观模拟；
[0037]
3c)进行角部钢筋锈胀致混凝土损伤破坏的细观模拟。
[0038]
所述步骤4)中开展细观尺度下多筋混凝土因锈胀失效破坏的数值模拟的具体步骤为：
[0039]
4a)建立含有多根并排钢筋的细观混凝土模型，钢筋锈蚀采用等效位移的加载方式，下边界固定；
[0040]
4b)进行多筋不均匀氯盐锈蚀引起的混凝土开裂失效过程数值模拟；
[0041]
4c)模拟不同钢筋间净距对混凝土开裂失效过程的影响。
[0042]
有益效果：
[0043]
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0044]
本发明解决了原有技术中不能精确科学地预测氯盐环境下混凝土开裂与耐久性退化过程的技术问题，采用参数化分析方法，研究了不同钢筋间净距对混凝土保护层脱落的影响。
[0045]
另外，细观尺度下氯盐环境混凝土开裂失效模式较宏观均匀化模型结果更符合实际试验结果，能更好地模拟出混凝土开裂过程以及混凝土内裂缝之间的相互影响。在开展复杂环境下混凝土结构破坏与使用寿命预测时，有必要考虑细观结构特征的影响。
附图说明
[0046]
图1为本发明模拟结果与试验结果以及损伤力学细观模拟结果的对比图；
[0047]
图2为python实现骨料投放、细观混凝土建模流程图；
[0048]
图3a为细观混凝土模型示意图，骨料分布方式a1；
[0049]
图3b为细观混凝土网格划分示意图，骨料分布方式a1；
[0050]
图4为细观混凝土的几何条件与边界示意图，骨料分布方式a1；
[0051]
图5为不同加载步单轴拉伸下细观混凝土应力-应变曲线图；
[0052]
图6为不同骨料分布单轴拉伸下细观混凝土应力应变曲线对比图；
[0053]
图7a为考虑耦合条件下，细观混凝土破坏模式示意图；
[0054]
图7b为未考虑耦合条件下，细观混凝土破坏模式示意图；
[0055]
图8为三种骨料分布方式细观混凝土破坏模式与试验结果对比图；
[0056]
图9a为角部区域混凝土破坏模式示意图；
[0057]
图9b为钢筋表面达到临界锈胀浓度示意图；
[0058]
图10为本发明模拟结果与试验结果以及损伤力学模拟结果对比图；
[0059]
图11为多筋混凝土几何与边界条件示意图；
[0060]
图12a为钢筋间净距s＝32mm多筋细观混凝土失效模式示意图；
[0061]
图12b为钢筋间净距s＝64mm多筋细观混凝土失效模式示意图。
[0062]
图12c为钢筋间净距s＝96mm多筋细观混凝土失效模式示意图。
[0063]
图13为本发明的基于细观精细模型的钢筋混凝土氯盐环境下服役性能分析方法流程图。2mm、10-3
mm、10-4
mm，相场长度参数l＝2.5mm。
[0082]
附图5为根据数值模拟结果分析得到的单轴(x、y轴)加载下，细观混凝土的应力-应变曲线。可以看出，在相同的位移增量情况下，受到x、y轴拉伸的细观混凝土的应力-应变曲线近乎一致。尽管混凝土的应力-应变曲线对增量步有一定的敏感性，但是随着位移增量的减小，混凝土的应力-应变曲线趋于稳定，宏观混凝土的拉伸强度约为1.71mpa，所有应力-应变曲线的上升段的斜率基本保持一致，说明宏观等效弹性模量不受位移增量的影响，但当位移增量过小时计算时间将增长。根据上述分析得出结论：当采用相场断裂模型模拟细观混凝土失效破坏过程时，应依据工况尽可能选取较小的位移增量。
[0083]
附图6给出了a2骨料分布方式下细观混凝土在单轴拉伸下的失效破坏模式。可以看出，裂纹的扩展路径没有显著差异，说明骨料分布对细观混凝土开裂和破坏模式基本没有影响，说明骨料分布方式并不会对细观混凝土的峰值强度和力学性能产生影响。
[0084]
步骤2)中所述验证氯离子在细观混凝土中的扩散的具体方法为：采用均匀化的方法反演获得细观混凝土材料各相的氯离子扩散系数，即首先将粗骨料与itz层一同视为等效骨料，计算得到等效骨料的氯离子等效扩散系数，再根据混凝土整体等效扩散系数求得砂浆的等效扩散系数。
[0085]
混凝土中的氯离子扩散系数与骨料面积分数、最大骨料粒径、itz厚度、骨料级配、骨料形状等相关，由于混凝土材料的非均质性和复杂性，itz区的氯离子扩散系数难以用一个直观的定值来表示。考虑到itz的材料参数与物理性质难以通过试验测量得到，同时为了便于数值计算，减小有限元计算成本，本发明假设itz具有均质的特性。将混凝土视作等效骨料与砂浆组成的二相材料，得到等效骨料的氯离子扩散系数表达式：
[0086][0087]
式中，μ为椭圆骨料长轴与短轴的比值，圆形骨料μ＝1，f
agg
和f
itz
为骨料和itz的体积分数，d
ea
为等效骨料的氯离子等效扩散系数。
[0088]
得到二相混凝土的氯离子扩散系数表达式：
[0089]ditz
＝αd
cp
[0090][0091]
式中，α为itz相扩散系数与砂浆相扩散系数的比值，取值通常在2～12之间，d
eff
为混凝土整体等效扩散系数，d
cp
为砂浆的等效扩散系数。
[0092]
步骤3)中所述进行细观尺度氯盐环境单筋混凝土开裂与耐久性退化过程数值模拟的具体步骤为：
[0093]
3a)进行中部钢筋锈胀致混凝土损伤破坏的细观模拟。以附图3给出的细观混凝土几何模型为例，混凝土保护层厚度de＝30mm，中部钢筋直径d＝16mm，仅混凝土板上表面有氯离子浓度边界cs＝3％，钢筋临界锈胀浓度cr＝0.1％，钢筋锈蚀过程采用等效位移的加载方式，数值模拟参数具体如表1所示。
[0094]
表1细观混凝土中各相材料参数与扩散系数
[0095][0096]
附图7a和附图7b给出了考虑耦合情况下，细观尺度上氯离子侵蚀致使混凝土开裂的过程。当混凝土表面暴露在氯离子环境38个月后，钢筋上部的骨料与砂浆之间的界面出现了损伤。随着时间推移，钢筋锈蚀程度的加深，钢筋周围混凝土受到张力逐渐增大，以钢筋为中心向四周辐射出三条主要的损伤带并逐渐演化为裂纹，其中钢筋上方的裂纹与自混凝土上表面向内扩展的裂纹形成贯通裂纹，如附图7a中裂纹路径1所示。钢筋右侧的裂纹向外扩展，如图中裂纹路径2所示，造成混凝土右上部保护层脱落。同时，钢筋左下侧萌生的裂纹扩展，如图中裂纹路径3所示。
[0097]
值得注意的是，除了三条钢筋周围的裂纹外，混凝土左边界表面出现裂纹，自外侧向内部扩展，如图中裂纹路径4所示，最终造成混凝土左上保护层的脱落。
[0098]
3b)进行骨料分布对混凝土损伤破坏影响的细观模拟。
[0099]
附图8给出了三种不同骨料分布形式的混凝土暴露相同时间后钢筋表面氯离子浓度与钢筋锈蚀外轮廓的对比图。可以看出骨料分布a1钢筋表面各点氯离子浓度与锈蚀产物的外轮廓均明显高于其他两种情况。这是由于骨料分布a1中钢筋正上方骨料较少，钢筋上表面氯离子浓度达到临界锈胀浓度的时间较早，钢筋锈蚀速率更快。在暴露近54.0个月后，裂纹基本贯穿了骨料分布a1的保护层，较其余两种情况骨料分布a2、骨料分布a3提早了近3.1个月，提前形成了外部氯离子到达钢筋周围的输运通道，加速了氯离子在混凝土中的侵蚀速率，因此在暴露相同时间后，其钢筋表面各点氯离子浓度高于其余两种情况骨料分布a2、骨料分布a3，钢筋锈蚀产物更多。
[0100]
3c)进行角部钢筋锈胀致混凝土损伤破坏的细观模拟。
[0101]
附图9给出了角部区域混凝土裂纹扩展、失效破坏过程。可以看出，在暴露近38.1个月后，混凝土右侧保护层表面最先开裂，而此时上侧保护层几乎没有损伤。这是因为在骨料的随机投放过程中，钢筋上侧投放的骨料较右侧更多。在暴露近15.0个月后，钢筋右侧氯离子浓度达到临界锈蚀浓度，钢筋右侧最先开始锈胀，而上侧氯离子浓度达到临界锈蚀浓度的时间滞后了近1.3个月。因此，钢筋右侧锈蚀产物更多，使得混凝土右侧保护层表面受到张力大于混凝土抗拉强度，右侧表面最先开裂。随着时间推移与氯离子侵蚀，钢筋上侧氯离子浓度达到临界锈蚀浓度，钢筋上方的骨料与砂浆界面也逐渐出现损伤并演化为裂纹。根据上述分析，可以得出结论：当氯离子扩散时间较短时，骨料对氯离子的扩散有一定的阻挡作用，在一定程度上影响钢筋开始锈蚀的时间与混凝土内部的裂纹扩展。
[0102]
如附图10所示，将本发明的细观模拟结果与现有的试验观测结果以及基于损伤力学的细观数值模拟结果进行了比较。角部钢筋周围的混凝土出现了三条主要的裂纹，可以看出模拟得到的角部区域混凝土裂纹扩展路径以及角度，均与试验结果基本吻合。此外，与基于损伤力学开展的角区混凝土损伤模拟结果进行对比，可以看出本发明提出的耦合分析方法能够较好地再现混凝土内部裂纹萌生、扩展、曲折等复杂过程，裂缝的扩展的方向、趋势更加符合实验结果。尽管在数值计算过程中采用混凝土细观模型进行耦合分析的计算效
率较低，但是相比于混凝土宏观模型得到的混凝土开裂与保护层脱落状态，采用细观混凝土模型能够更好地模拟混凝土内部裂纹扩展的曲折，更加符合实际氯盐环境下混凝土的破坏模式。
[0103]
步骤4)所述开展细观尺度下多筋混凝土因锈胀失效破坏的数值模拟的具体步骤为：
[0104]
4a)建立含有多根并排钢筋的细观混凝土模型。
[0105]
如附图11所示，粗骨料总体积占比45％，混凝土保护层厚度de＝30mm，钢筋直径d＝16mm，钢筋间净距分别取s＝32mm(2d)、64mm(4d)、96mm(6d)。
[0106]
钢筋锈蚀采用等效位移的加载方式，混凝土板上表面有氯离子浓度边界cs＝3％，其余边界氯离子浓度通量为0，钢筋临界锈胀浓度cr＝0.1％，下边界固定，数值模拟参数具体如附图12a～12c所示。
[0107]
4b)进行多筋不均匀氯盐锈蚀引起的混凝土开裂失效过程数值模拟。钢筋间净距s＝32mm时，如附图12a可以看出，骨料与混凝土的砂浆界面最先出现损伤。随着钢筋锈蚀程度加深，锈蚀产物的不断膨胀导致表面变形，导致表面裂纹最先在两个拐角钢筋的顶部开始萌生，并向混凝土内部扩展，角区混凝土保护层最先出现剥落的趋势。随后中间钢筋的裂纹向角钢筋扩展，而角钢筋周围的裂纹向中间位置的钢筋扩展。随着钢筋锈蚀加剧，混凝土左右保护层出现两侧裂纹，并向左右表面扩展，混凝土角剥落，混凝土内部钢筋间裂纹贯通，导致混凝土分层。最后，角钢筋附近还萌生了向侧下方演化的裂纹，使得混凝土保护层进一步脱落，结构破坏严重。不难发现角区混凝土的开裂情况较中部区域更为严重。
[0108]
4c)模拟不同钢筋间净距对混凝土开裂失效过程的影响。
[0109]
附图12b和附图12c分别给出了钢筋净距分别为64mm、96mm的多筋混凝土开裂与失效模式。结合钢筋间净距s＝32mm的算例结果进行对比，可以看出三种情况下，表面裂纹均首先出现在两根拐角钢筋上方的混凝土表面，致使混凝土发生角部脱落。此外，钢筋侧裂纹连接形成水平贯通裂纹，导致钢筋混凝土出现层裂现象，保护层分层失效。

技术特征：
1.一种基于细观精细模型的钢筋混凝土氯盐环境下服役性能分析方法，其特征在于，包括以下步骤：1)投放细观混凝土的骨料，实现细观非均质混凝土的全自动建模；2)验证细观混凝土的力学性能和氯离子在细观混凝土中的扩散，证实耦合分析方法模拟细观尺度饱和混凝土氯离子输运的有效性；其中，所述验证细观混凝土的力学性能的具体方法为：通过位移加载、不同骨料分布获得对细观混凝土的峰值强度、破坏模式的影响，从而验证细观混凝土的力学性能；所述验证氯离子在细观混凝土中的扩散的具体方法为：采用均匀化的方法反演获得细观混凝土材料各相的氯离子扩散系数，即首先将粗骨料与界面层itz一同视为等效骨料，计算得到等效骨料的氯离子等效扩散系数，再根据混凝土整体等效扩散系数求得砂浆的等效扩散系数；3)利用步骤2)得到的所述混凝土的氯离子扩散系数及位移增量，进行细观尺度氯盐环境单筋混凝土开裂与耐久性退化过程数值模拟；4)在步骤3)的基础上将单筋混凝土改为多筋混凝土，同时，改变钢筋位置、骨料分布，开展细观尺度氯盐环境多筋混凝土因锈胀失效破坏的数值模拟，模拟分析不同钢筋位置、骨料分布因素对混凝土开裂和耐久性退化的影响。2.根据权利要求1所述一种基于细观精细模型的钢筋混凝土氯盐环境下服役性能分析方法，其特征在于，步骤1)中所述投放细观混凝土的骨料的具体方法为：为得到具有最大密度、最小空隙的骨料，采用抛物线级配曲线将固体颗粒按粒径大小进行搭配，此时达到最大密度，其表达式为：式中，p
i
为孔径为d
i
mm的筛子的通过率，d
i
为骨料各级的粒径，单位mm，d为最大的骨料粒径，单位mm。3.根据权利要求1所述一种基于细观精细模型的钢筋混凝土氯盐环境下服役性能分析方法，其特征在于，所述步骤1)中实现细观非均质混凝土的全自动建模的具体步骤为：1a)采用圆形来近似真实骨料形状，随机生成骨料的粒径数据；1b)随机生成骨料中心的坐标，利用骨料中心与另一颗骨料中心的距离判断两者是否重叠干涉，若无，则投放骨料；1c)根据fuller级配曲线确定细观尺度混凝土内粗骨料的粒径及体积比，在abaqus平台上全自动实现骨料投放、界面层itz的生成、骨料间的干涉判定、细观混凝土的装配、赋予单元属性与材料属性流程。4.根据权利要求1所述一种基于细观精细模型的钢筋混凝土氯盐环境下服役性能分析方法，其特征在于，步骤2)所述验证氯离子在细观混凝土中的扩散的具体方法中，将混凝土视作等效骨料与砂浆组成的二相材料，得到等效骨料的氯离子扩散系数表达式：式中，μ为椭圆骨料长轴与短轴的比值，圆形骨料μ＝1；
f
agg
和f
itz
为骨料和界面层itz的体积分数；μ为椭圆骨料长轴与短轴的比值，圆形骨料μ＝1；d
ea
为等效骨料的氯离子等效扩散系数；d
itz
为界面层itz相扩散系数；得到二相混凝土的氯离子扩散系数表达式：d
itz
＝αd
cp
式中，α为界面层itz相扩散系数与砂浆相扩散系数的比值，取值在2～12之间；d
eff
为混凝土整体等效扩散系数；d
cp
为砂浆的等效扩散系数。5.根据权利要求1所述一种基于细观精细模型的钢筋混凝土氯盐环境下服役性能分析方法，其特征在于，所述步骤3)中，进行细观尺度氯盐环境单筋混凝土开裂与耐久性退化过程数值模拟的具体步骤为：3a)进行中部钢筋锈胀致混凝土损伤破坏的细观模拟；3b)进行骨料分布对混凝土损伤破坏影响的细观模拟；3c)进行角部钢筋锈胀致混凝土损伤破坏的细观模拟。6.根据权利要求1所述一种基于细观精细模型的钢筋混凝土氯盐环境下服役性能分析方法，其特征在于，所述步骤4)中开展细观尺度下多筋混凝土因锈胀失效破坏的数值模拟的具体步骤为：4a)建立含有多根并排钢筋的细观混凝土模型，钢筋锈蚀采用等效位移的加载方式，下边界固定；4b)进行多筋不均匀氯盐锈蚀引起的混凝土开裂失效过程数值模拟；4c)模拟不同钢筋间净距对混凝土开裂失效过程的影响。

技术总结
本发明的细观尺度下氯盐环境混凝土开裂失效模式数值模拟方法，将相场理论应用于细观尺度的数值模拟，步骤包括1)投放细观混凝土的骨料，实现细观非均质混凝土的全自动建模；2)验证细观混凝土的力学性能和氯离子在细观混凝土中的扩散,证实耦合分析方法模拟细观尺度饱和混凝土氯离子输运的有效性；3)进行细观尺度氯盐环境单筋混凝土开裂与耐久性退化过程数值模拟；4)开展细观尺度氯盐环境多筋混凝土因锈胀失效破坏的数值模拟，模拟分析不同钢筋位置、骨料分布等因素对混凝土开裂和耐久性退化的影响。化的影响。化的影响。


技术研发人员：郭力 余陈 任建宇 吴佰建
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2023.05.06
技术公布日：2023/9/20