现代混凝土传输行为与耐久性的基础研究

1、现代混凝土传输行为与耐久性的基础研究汇报内容p 研究背景p 研究思路p 现代砼各物相数量的定量计算p 现代砼结构形成过程与渝渗阀值p 水化过程数值模拟与3D微结构重构p 现代砼的传输本构模型p 结论一、研究背景1.研究背景p 我国基础工程建设规模空前，混凝土用量巨大，约占全世界60% 至2030年，新建公路160万公里公路工程 至2015年，高速铁路达1.8万公里，平均每年增加3000公里以上高速公路桥梁建设 至2020年，水电装机总量达3.8亿千瓦，相当于21个三峡工程基础工程大规模兴 治沙治海建治山治水 到2050年，我国城市化进程达80%港口建设西气东输南水北调核电工程铁道建设 水电工程

2、p 混凝土生产每年消耗约70亿吨的矿产资源、2亿吨标煤，同时还排放出13亿吨CO2，环境负荷巨大p 重大基础工程在海洋和西部地区大规模兴建海洋工程港珠澳大桥渤海湾海底通道南海永兴岛码头与机场800亿元西部工程雅鲁藏布江大拐弯巨型水电站川藏铁路兰新高铁p 海洋和西部环境恶劣，基础工程腐蚀严重，服役寿命面临严峻挑战西部：干冷、干热、风沙、盐湖、冻融、强紫外线 普通海工结构使用10-15年，普遍遭受严重锈蚀破坏交通部科考报告 西部极端环境下，砂浆1年粉化，普通混凝土2年开裂，3年失效青海盐湖所科考报告海工混凝土浪溅区锈蚀破坏南海岛礁混凝土结构7年后严重腐蚀青海盐湖输电线杆三年混凝土脱落钢筋外露青藏铁

3、路（昆仑山-格尔木）80%的桥梁墩柱二年后开裂p 严酷环境下重大混凝土工程建设须吸取国内外经验教训 美国现有的高速公路桥梁中30%以上存在锈胀裂缝，仅桥梁锈蚀一项每年造成损失高达136亿美元。（2013年美国联邦公路管理局年度报告） 欧洲每年花费2500亿欧元用于修复因钢筋锈蚀造成的砼结构破坏。（2004年丹麦科技大学） 中国我国腐蚀损失高达1.2万亿元，其中基础设施和建筑的腐蚀损失高达4000亿元。（2012年中科院海洋所报告）海洋和西部严酷环境下混凝土结构腐蚀破坏事故频繁巨大的经济损失、沉重的社会负担！加强混凝土在严酷环境下的基础研究刻不容缓！破破坏坏p 混凝土是工程建设的主要结构材料混凝

4、土材料特点：多相、多组分、大时间跨度二、研究思路C-S-H传输特性固相与孔相的逾渗阈值水泥浆体的传输特性微结构物相的特征参数砂浆与砼的传输特性基于微结构的现代砼多尺度传输本构模型实验验证及模型参数的影响规律简化的多尺度传输本构模型三、现代砼各物相数量的定量计算1、现代砼各物相数量的定量计算1)纯水泥浆各组分的量化及计算模型的建立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图1 C3S水化程度的预测值与实测值比较 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图2 C2S水化程度的预测值与实测值比较 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图3 C3A水化程度的预测值与实测值比较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图4 C4AF水化程度的预测值与实测值比较 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图5 水泥的水化程度的预测值与实测值比较( k=1.0579, R2 =0.99772)水泥水化产物体积的定量计算方程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图6 硬化水泥浆体中各组分体积分数(W/C=0.53, T=20C)2)矿物掺合料-水泥复合体系水化反应程度及其模型n 纯水泥净浆：建立的考虑T、t 、水泥组成、矿物相交互作用的水化模型100180d60dw/b=0.58060402028d7d3d1d矿物掺合料-水泥复合体系的水化程度计算模

9、型1) 粉煤灰-水泥复合体系304050607080矿 渣 掺 量/ % m m mf (Wn) (Wn) m 0.05 m )/ 0.23mT1ccc fcfc fTc0cffc2) 矿渣-水泥复合体系 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相关系数= 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相关系数= 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相关系数= 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相关系数= 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-水泥复合体系的各物相计算方程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 矿渣-水泥复合体系的各物相计算方程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)界面过渡区体积分数的定量计算n 考虑界面重叠的计算方法骨料基体界面图7 界面之间重叠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计算VITZ计算过程2)基于实际骨料筛分曲线的VITZ计算四、现代砼结构形成过程与渝渗阀值1) 结构形成过程监测系统的研制p 发明了原位超声监测装置及方法(ZL200910028456.8)Transmi tterReceiverSample1. 原位连续监测水泥基材料结构形成全过程中的超

16、声波变化Ampl i fl erA/D ConverterAmpl i fl er2. 温度在20-250可调Pulse generator3. 识别毛细孔和固相的渗透阀值Data CollectorComputer4. 矿物掺合料和外加剂对结构形成过程的影响5000400030002000100000500100015002000图8 水泥砼结构形成过程原位超声监测仪Time (min)p 设计并改进了新型无电阻率监测系统(ZL201120085277.0)1. 原位连续监测水泥基材料结构形成全过程中的电阻率变化2. 温度在20-200可调3. 识别毛细孔渗透阀值vWorking tempe

17、rature: 2003.52.82.11.40.790847872660500 1000 1500 2000 2500Time(min)监测系统2) 结构形成过程的原位连续追踪60005000400030002000100004000III IIIIVIIIIIIBB3000200010000AAO0500 1000 1500 2000 2500 3000Time (min)0500 1000 1500 2000 2500 3000Time(min)净浆典型UPV变化曲线UPV砼典型的 变化曲线40004000300020001000030002000100000% SL10% SL30%

18、SL50% SL70% SL0% FA10% FA30% FA50% FA0500 1000 1500 2000 2500 3000Time (min)0500 1000 1500 2000 2500 3000Time (min)粉煤灰对UPV的影响UPV矿渣对 的影响3)渝渗阀值p 固相渝渗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与水化热的比较UPV与体积分数之间的关系固相的渝渗阀值：1) A时刻的水化程度为5.22%，此时对应于UPV形成的逾渗阀值，其中固相体积分数为50.6% 。2) B时刻的水化程度为26.66%，此时在固相体积分数为0.62，固相全部连通，即固相连通体积分数也为62.3% 。模拟C-S-H和CH连通C-S-H和CH连通体积分数与总体积分数之间的关系固相、C-S-H 和CH体积分数随时间的变化p毛细孔渝渗毛细孔的渝渗阀值：1) 毛细孔开始阻断

20、C点：T=320 min, =5.22%, 孔相体积分数=49.4%2) 毛细孔完全阻断D点：T=5640min, =61.98%, 孔相体积分数=18.98%3D模拟完全阻断毛细孔隙率=18.64%，模拟与试验相一致 1.5 tanh 8 0.25 2.5水胶比越低，时间越长其曲折度越大，收缩因子越小2 0.001 0.0721.8 H( 0.18)( 0.18) 2cpcpcpcp五、现代砼水化过程模拟与3D重构数字图像基模型图 水泥基材料3D重构及水化过程模拟流程图1)水泥浆体初始结构的3D重构图10 973水泥的BSE图11 973水泥粒径分布C3SC4AFC3AC2SCH2Poros

21、ityCH100100100像素周期性边界条件水泥简化为球形C-S-H图12 水泥浆体初始结构生成及各矿物分相实现2)水泥水化过程的3D模拟图13 水泥颗粒溶解、扩散和反应过程示意图图14 水化模拟3D动画（20小时）3)矿物掺合料-水泥复合浆体的水化过程的3D模拟图12 水泥-粉煤灰复合浆体的初始结构生成及各矿物分相(红色-C3S，黄色-C4AF，绿色-C3A，水绿色-C2S，灰色-石膏，白色-粉煤灰 )图12 水泥-矿渣复合浆体的初始结构生成及各矿物分相(红色-C3S，黄色-C4AF，绿色-C3A，水绿色-C2S，灰色-石膏，蓝色-磨细矿渣)4) 模拟结果与实验验证conn_pornon_

22、connboth0.60.30.0poressolids060120time(h)图15 水化模拟孔隙率变化动画图16 连通与非连通孔隙率的变化曲线画w/c=0.35w/c=0.35w/c=0.236040200PorosityC3SCSHCH22515075w/c=0.23003060900.00.20.4time(h)alpha_mass图18 水泥水化热实验与模拟对比图图17 反应物和产物随水化程度变化六、多尺度传输本构模型与微结构相关的多尺度传输本构模型的建立6.1 理论模型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 层: MT=0.70Ca(OH)2扁椭球=0.69AFt长椭球1HCHHAFHAFVV HCHH AF H CH1HCHHAFHTHAFTVCHH H VCSHHVAFCHsCH sAF V H V H VCHAF CSHH(2) 低密度C-S-H 层: SC or MTVLCHLCH143VLCHVVLAFVCSHLVcapp p2 8D (1 (L L )cap AF2CHVLAFLAFVLCHLAFVCSHLVcap23(cap 3cap

24、 1) DcapVcapVcricapp D*LLAFcapCSHLCHVLCHVLAFVCSHLVcap2、尺度II(水泥净浆): 广义自洽法(GSCS)低密度C-S-H层高密度C-S-H层R3UU 1R32未水化水泥粒子核CSHH等效介质6Deff (1 ) ( ) 2CSHH (DCefSfHH Deff )(1 2U 2CSHL) DeffCSHLeffUUCSHHCSHHeffCSHL)( ) 2U effCSHH3D (2(1)(DD)CSHLUUCSHHCSHHCSHHCSHL3、尺度III和(砂浆和砼) : GSCS水泥基体ITZ骨料When D =0，V 0aI等效介质4、界

25、面过渡区传输系数DITZ的计算模型1)界面过渡区孔隙分布计算模型Zheng2)界面过渡区有效扩散系数计算(Garboczi and Bentz)6.2 基于3D微结构的传输模型及其数值模拟1、尺度I：C-S-H凝胶p 模型假设：1) HD C-S-H孔隙率=24%，LD C-S-H对应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双电层 对C-S-H传输的影响H O直径: 330 pm (Zhang 1995)；阳离子: Na 最大半径“102 pm”+2dcompact = d + d = 204 + 864 = 1068 pmIH

27、POHP2)扩散层diffuse layerddiffuse = 970 pm (H. Friedmann 2005)3)双电层electrical double layer (EDL)d = d+ ddiffuse = d + d + d= 1068 + 970 = 2038 pmEDLcompactIHPOHPdiffuse4) 溶液阴离子: Cl- 最大半径“54.5 pm”dsolution = 4d +d +d =4*330+2*102+2*49.5=1623 pmwaterNa+cl-5)允许传输的最小孔径d = 2d + d = 2*2038 + 1623 = 5699 pm = 5.7 nmsolutionminEDLp考虑双电层的C-S-H的扩散系数：D （Garboczi, 1990 孔隙率; 孔结构参数）D0L S poreV2ddEDLD S 114D S(d 2d )222DEL4D /D = 4.5610-2LD0D /D =10-5 0HD0与文献参考值(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：水泥净浆C-S-H未分相C-S-H分成HD和LD未水化水泥非传输相