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1、(博士、硕士)研究生学位论文开题报告审核表论文题目I混凝土结构抗硫酸盐耐久性研究一、立题依据与意义1 .选题背景钢筋混凝土结构是世界上应用最为普遍、范围最广的结构形式。混凝土是当今社会应用最广泛的建筑材料。我国正处于土木工程基础设施的规模建设阶段，我国每年耗费混凝土结构上的费用是2(X)0亿元以上。所以我们必须要清醒的看到混凝土结构的耐久性问题,混凝土的耐久性又可分为混凝土碳化、氯离子侵蚀、冻融破坏、碱-集料反应和硫酸盐侵蚀等。其中硫酸盐是导致混凝土耐久性退化的一个重要因素。近年来，我国投入了大量力度建设地铁隧道，隧道是铁路、公路、水渠、各类管道等遇到岩体、土体、水体等障碍时的内部通道,属于“
2、生命线”工程。铁路隧道、公路隧道、地铁隧道等属于交通隧道,是主要的隧道类型。隧道是人工地下结构,工程投资巨大,维护加固不便,发生结构失效会对人的生命安全带来极大威胁,同时造成巨大的经济损失。作为重大地下工程和城市交通命脉重要组成部分的城市轨道交通地下结构，其健康服役对于城市正常运转至关重要。而地下结构设计寿命通常长达100年之久，且位于溶有侵蚀性离子的土壤和地下水中，材料性能在长期的侵蚀作用下不断退化，容易诱发地下工程灾害。加之我国城市轨道交通建设正处在飞速发展的阶段，据统计到2016年我国城市轨道交通规模将达到世界第一。而与之相对的则是我国轨道交通较短的建造历史以及复杂的地下结构服役环境。在
3、地铁隧道结构中，由于其服役环境恶劣，土壤地下水中存在大量侵蚀性硫酸根离子，这些硫酸根离子直接与隧道壁接触，导致混凝土损伤剥落的现象，严重影响到了地铁隧道的安全。因此混凝土抗硫酸盐侵蚀研究可作为混凝土耐久性的重要课题之一。2 .国内外的研究现状对于混凝土中硫酸根离子扩散模型而言，国外的研究工作主要如下：1992年，Ping和BCaUdOin根据热动力学给出了硫酸盐膨胀理论。他们认为，钙矶石产生的内应力和环境温度是引起膨胀的主要因素。1994年，Clifton从化学角度阐述了硫酸盐侵蚀水泥材料的膨胀性产物体积变化和结构体应变的关系，为建立化学-力学分析模型提供了理论基础。1997年，Casanov
4、a,Aguado和AgUIiO用热动力学平衡方程模拟了硫酸盐侵蚀情况，同时将硫酸盐侵蚀混凝土的膨胀分成两个阶段，第一阶段是由于生成水化硅酸钙造成的。第二阶段是生成石膏和钙矶石造成的。2001年，Bentz,Ehlen和FeiTariS等提出了混凝土人行道在冻融作用下的基于吸附的寿命预测模型CONCLIFE,并开发了相关的应用程序。2002年，Marchand,Samson等提出一个在饱和溶液中基于Nernst-Planck方程的数学模型:STADIUM。2005年，GoSPodinoVl建立了非稳态3D扩散模型。2006年，ShaZaIi考虑孔隙不饱和的扩散模型，结果显示：初始孔隙不饱水的混凝
5、土和初始饱水的混凝土的数值结果没有差别，计算得到的腐蚀试样的残余强度和实验测得的吻合很好。2008年，由于地下核废弃混凝土结构受到硫酸盐侵蚀，B.Bary【展开了系统的研究，从硫酸根离子的扩散模型、结晶化压力与扩散离子的关系、一直到最后的破坏都给出了分析。其扩散模型采用化学-力学耦合模型。2010年美国范德堡大学的SarkarS和MahadevanS等在STADIUM模型的基础上创建了考虑离子传输特性、化学反应、力学损伤等因素的模型该模型考虑了硫酸根离子侵入混凝土后毛细孔隙的变化对离子扩散系数的影响，并对扩散系数进行修正，能动态的反映随着硫酸盐侵蚀的进行离子扩散系数的改变，补充了以往模型中采用
6、恒定扩散系数的不足。国内的研究起步较国外晚，在研究内容上，国内较早的文献主要集中在硫酸盐侵蚀混凝土的侵蚀机理、影响因素以及对强度与膨胀率影响的简单实验研究方法等定性方面的研究，而对硫酸盐侵蚀的定量研究，比如硫酸根离子扩散，尚为少数。2003年，陈建康W通过微观实验研究了混凝土的孔隙结构证实了延迟钙矶石和石膏的膨胀力是硫酸盐侵蚀损伤的根本原因；2004年，高礼雄得到了在硫酸盐侵蚀下碎石混凝土试件比砂浆试件更为敏感，侵蚀破坏更明显和迅速；2005年，袁迎曙、梁咏宁等研究硫酸盐侵蚀混凝土的其他环境因素的影响，为实验方案的可行性提供了借鉴；2008年赵顺波网等通过改进的硫酸钢重量法测定了试样中的硫酸根
7、离子含量，为研究硫酸根离子扩散的实验研究提供了测试方法；赵顺波和杨晓明采用化学分析方法研究了在不同浓度的硫酸钠溶液中长期浸泡腐蚀混凝土中硫酸根离子浓度的分布规律，采用热重分析差示扫描量热法研究了混凝土受硫酸盐腐蚀的微观机理；2009年左晓宝眄根据Fick第二扩散定律建立了硫酸根离子扩散模型，运用有限差分法进行数值求解，根据钙矶石的生成量，得到混凝土膨胀应变；2010万旭荣根据FiCk定律给出了建立了硫酸盐侵蚀作用下混凝土的一维、二维及三维非线性非稳态扩散反应微分方程,并运用有限差分方法,获得了微分方程的求解方法。2011陈拴发和李华平等1人研究了基于单一硫酸盐侵蚀混凝土扩散系数的计算模型，通过
8、扩散途径划、分裂纹均一化等处理，引入裂纹因子的概念，推导出表征交变荷载对硫酸盐侵蚀混凝土扩散系数影响的有效扩散系数Dt计算公式。2012徐惠和陈占清221对高强混凝土进行了四因素五水平的人工加速硫酸钠腐蚀试验，测试了试样某一截面在不同侵蚀龄期的硫酸盐浓度，并利用误差函数求出相应的扩散系数，建立了考虑环境因素应力水平和水胶比、养护时间等自身因素的扩散系数表达式。2012孙超根据Fick第二扩散定律，构建了考虑侵蚀损伤演化和水泥水化影响的硫酸根离子扩散模型。在该模型中，损伤度函数作为增加的等效孔隙度引入到有效扩散系数中12引。2012左晓宝和孙伟【24）考虑由钙矶石诱发的混凝土体积膨胀对硫酸根离子
9、一维扩散的影响，研究了硫酸盐侵蚀下混凝土损伤破坏的全过程时。2014刘鑫闿研究表明，针对具有初始损伤裂缝的混凝土，研究硫酸根离子在裂缝中及混凝土内部的扩散规律，通过修正硫酸根离子扩散系数反映裂缝及化学产物对离子扩散的影响。在此基础上,提出裂缝混凝土硫酸根离子的扩散方程。3 .目前工作存在的问题综合分析以上国内外学者的研究成果，在研究混凝土硫酸盐侵蚀理论模型的研究方面，仍存在一下几点不足：(1)硫酸盐侵蚀模型大多以硫酸根离子浓度，材料线应变等指标作为最终衡量混凝土材料劣化的标准。然而，对于结构工程而言，工程师们更加看重材料本身力学性能，材料本构关系发生的变化，这使得现有的理论模型难以直接应用于工
10、程设计当中。(2)在受到硫酸盐侵蚀的混凝土试件内部,随着时间的变化,孔隙率是在不断变化，孔隙率的改变不仅对产生膨胀晶体导致混凝土破坏有一定联系,对于扩散过程也是有影响的,两者互为因果,扩散系数受孔隙率的影响是不能忽视，所以要考虑混凝土材料微观结构变化对离子扩散影响，但绝大多数模型无法建立起离子微观扩散与材料宏观力学性能之间的联系。(3)混凝土材料是以水泥为主要胶结材料，拌合一定比例的砂、石和水，经过搅拌、振捣、养护等工序后，逐渐凝固硬化而成的复合材料。粗骨料和硬化水泥砂浆两种主要组成材料的成分、性质、配比以及粘结作用均对混凝土的物理渗透及力学特性有不同程度的影响，致使混凝土比其它单一材料具有更
11、为复杂的物理及力学性能。因此，需要从其微/细观角度来把握混凝土材料的物理及力学性质。3.课题的理论价值由于硫酸盐对混凝土的侵蚀是离子扩散，化学反应以及力学损伤耦合的复杂物-化-力变化过程，材料性能的演化受环境因素影响很大，因此，单单从室内加速试验的角度很难对材料在硫酸盐侵蚀下的耐久性能做出准确评价。目前，越来越多的学者通过数学方法建立硫酸盐侵蚀的数学理论模型，然后采用数值手段研究混凝土材料的耐久性问题，数学模型也成为除了试验手段外，研究混凝土硫酸盐侵蚀的又一个有力工具。本课题的主要内容建立基于离子扩散、化学反应和力学分析方法的混凝土耐久性损伤破坏全过程分析的化学力学分析模型，硫酸盐侵蚀扩散模型
12、的建立对实际工程应用具有重要的理论意义和指导作用。参考文献1 IdiartAECoupledanalysisofdegradationprocessesincon-cretespecimensatthemeso-levelD.Spain：UniversitatPolit&nicaDeCatalunya.2(X)92 TixierR,MobasherBandAsceM.Modelingofdamageincement-basedmaterialssubjectedtoexternalsulfateattack.I:FormulationJ.JournalofMaterialsinCivilEng
13、ineering,2003,15:305-313.3常景国.二氧化碳和硫酸根对隧道衬砌混凝土的侵蚀规律研究D.杭州:浙江大学，2008.(4金祖权,孙伟，张云升，等,混凝土在碱酸盐、氧盐溶液中的检伤过程J.硅酸拉学报,2006,35):63X35.5 PingX,BeaudoinJJ.Mechanismofsulfateexpansion:II.ValidationofthermodynamictheoryJ,CementConcreteResearch.1992,22:845-854.6 CliftonJR,PonnersheimJM.SuIfateattackofcementitiousm
14、aterials:volumetricrelationsandexpansionsJ.NISTIR,1994,53907 CasanovaI5AguadoA,andAgulloL.Aggregateexpansivityduetosulfideoxidation-IPhysico-chemicalmodelingofsulfateattackJ.CementandConcreteResearch,1997,27(11):1627-1632.8 BentzDREhlenMA,FerrarisCF,etal.Servicelifepredictionbasedonsorptivityforhigh
15、wayconcreteexposedtosulfateattackandfreeze-thawconditionsR.USA:NIST.2002:1-57.9 MarchandJ,SamsonE,MaltaisY,etal.TheoreticalanalysisoftheeffectofweaksodiumsulfatesolutionsonthedurabilityofconcreteJ.CementandConcreteCOmPoSiteS.2002,24:317-329.10 GospodinovPN.Numericalsimulationof3Dsulfateiondiffusiona
16、ndliquidpushoutofthematerialcapillariesincementcompositesJ.CementandConcreteResearch.2(X)5.35:520-526.11 ShazaliMA,BaluchMH,andAl-gadhibAH.Predictingresidualstrengthinunsaturatedconcreteexposedtosulfateattack(J.JournalofMaterialsinCivilEngineering,2006,18(3):343-354.12 BaryB.Simplifledcoupledchemo-m
17、echanicalmodelingofcementpastesbehaviorsubjectedtocombinedleachingandexternalsulfateattackJ.InternationalJournalforNumericalandAnalyticalMethodsin13 SARKARS,MAHADEVANS,MEEUSSENJCL,e(al.NumericalsimulationofcementitiousmaterialsdegradationunderexternalsulfateattackJ.CementandConcreteComposites,2010(3
18、2)：241-252(I4陈建康等.淮河入海水道滨海枢纽工程混凝土抗侵蚀性研究(科斫鉴定材料).2003.(15高礼雄,姚燕,王玲等.水泥混凝土抗硫酸盐侵蚀试脸方法的探讨混凝土,2004(10):12-13.16梁咏宁，袁迎曙.硫酸盐侵蚀环境因素对混凝土性能的影响研究现状绘述J.混凝土,2005(03):27-30(17梁咏宁,袁迎曙.超声检测混凝土硫酸盐侵蚀的研究J混凝土,2004(08):15/7.18赵顺波,陈记豪,高润东,李庆斌.硫酸盐侵蚀混凝土内部硫酸根离子浓度测试方法J.港工技术,2008,181(03):31-33.19左晓宝,孙伟.硫酸盐侵蚀下的混凝土损伤破坏全过程J硅酸盐学报
19、,2009(07):1063-1067.20万旭荣.硫酸盐侵蚀环境下的混凝土犷散反应规律研究及数值模拟D.南京:南京理工大学，2010.21徐惠.硫酸盐腐蚀下混凝土损伤行为研究D.徐州：中国矿业大学，201222孙超.基于侵蚀损伤演化的混凝土中硫酸根离子扩散模型D.宁波:宁波大学，2011.23陈松发，李华平，李祖仲等,交变荷我对硫酸拄侵蚀混凝土扩散系数影响的表征J,中外公路，20H,31(5):201-204.24ZUOXiaoBao,SUNWei,YUCheng1NumericaIinvestigationonexpansivevolumestraininconcretesubjected
20、(0sulfateai(ackJ.ConstructionandBuildingMaterials,2012,36:404-410.25刘嬴裂缝混凝土内琉酸根离子的扩散和损伤机理及数值模拟研究D.南京:南京工业大学，2014.二、工作基础（包括调研情况）1 .论文准备工作1.1 理论基础工作在开题报告之前，本人已阅读了大量的有关硫酸盐侵蚀混凝土的文献，涉及环境硫酸根离子在混凝土中的扩散与传输、离子与混凝土组分之间的化学反应、膨胀变形及应力分析、混凝土损伤破坏等多方面的问题，是混凝土耐久性研究的热点问题，通过国内外的研究现状对本课题有了一个初步的认识，并撰写了本课题的文献综述。1.2 数值分析软
21、件由于本课题最终要建立一个硫酸根离子在混凝土中的扩散-反应方程，这个扩散方程是一个典型的抛物线型偏微分方程，求解偏微分方程的数值解法有很多，其中有限差分法和有限单元元法被认为是求解此类方程最为常见的两种解法。本文采用有限差分法求解建立的扩散方程，然后使用Matlab软件编程。所以在前期准备工作中还需进行Matlab软件的学习。1.3 调研情况通过对大量文献的查阅可知，对于混凝土抗硫酸盐侵蚀的耐久性这个课题的研究主要从试验和数值模拟这两种方法着手。目前，人们较多地开展了硫酸根离子在混凝土中的扩散与传输性能的理论模型研究、硫酸盐侵蚀导致混凝土膨胀变形及强度、刚度等力学性能降低的实验测试研究和模型研
22、究。这些研究主要侧重于硫酸盐侵蚀过程中的离子扩散及混凝土材料力学性能变化规律等方面，而在侵蚀产物生成后混凝土损伤破坏全过程及侵蚀反应时程变化的定量描述模型还较为缺乏。绝大多数模型无法建立起离子微观扩散与材料宏观力学性能之间的联系。三、研究方案（包括研究内容、研究方法和技术路线）1.研究内容对于结构物而言，侵蚀是由表及里的过程，因此侵蚀损伤分布也是由表及里的梯度分布，本论文力图通过将侵蚀损伤引入到有效扩散系数中，建立非线性基于侵蚀损伤演化的硫酸根离子扩散方程，研究侵蚀损伤对离子扩散的耦合影响，为硫酸盐侵蚀下混凝土结构工程的耐久性研究建立可信的理论基础。（1）探讨了侵蚀损伤度函数的确定问题（2）混
23、凝土内的应力分布与扩散系数的关系（3）建立基于侵蚀损伤的硫酸根离子扩散模型（4）数值求解非线性硫酸根离子扩散方程，使用MatIab语言编程,对以上的扩散反应方程进行数值求解并进行相关的分析,得到了在硫酸盐侵蚀下的混凝土扩散反应规律。2 .研究方法本课题采用理论分析与模型验证的研究方法。（1）探讨了侵蚀损伤度函数的确定问题通常当硫酸根离子通过毛细孔隙进入混凝土中时，会与孔隙溶液中的氢氧化钙和水化铝酸钙反应生成钙矶石。由于它结合了大量水分子，随着钙研石长大接触到孔隙壁时，会在水泥基体引起很大的内应力，并对孔隙壁产生拉伸应力的作用，而一旦超过混凝土材料的抗拉伸强度，会造成微裂纹的产生，随着微裂纹的增
24、长以及新裂纹的产生形成宏观裂纹，最终导致结构或构件的断裂损坏，这些导致材料的宏观性能的劣化的微观结构变化称为损伤。在硫酸根离子扩散过程中，选取损伤参数，确定损伤度函数的具体表达式。（2）混凝土内的应力分布与扩散系数的关系将混凝土分成裂化区和完好区，分别研究裂化区和完好区相对应的扩散系数表达式。我们将扩散系数分为两个阶段，第一阶段，当由于化学反应产生的膨胀性产物慢慢填实材料内孔隙，但孔隙为开裂之前，这一过程中扩散系数是呈减小的趋势；第二阶段，当膨胀性产物对孔隙壁挤压应力大于混凝土的极限拉应力时,导致混凝土开裂，这一过程中的扩散系数是呈增大的趋势。通过研究在混凝土受硫酸盐侵蚀下的平面应力效应规律，
25、实现硫酸盐侵蚀下混凝土微观力学性能转化为宏观力学性能这一目标。（3）建立基于侵蚀损伤的硫酸根离子扩散模型将损伤度函数引入到非线性扩散方程的扩散系数中，根据Fick扩散定律构建新的基于侵蚀损伤演化的硫酸根离子扩散方程，硫酸盐侵蚀扩散模型的建立对实际工程应用具有重要的理论意义和指导作用。（4）数值求解非线性硫酸根离子扩散方程采用有限差分法求解本文所提出的混凝土硫酸盐侵蚀理论模型，并验证模型的准确性。有限差分法的基本思想是把连续的定解区域用有限个离散点构成的网格来代替，这些离散点称作网格的节点；把连续定解区域上的连续变量函数用在网格上定义的离散变量函数来近似；把原方程和定解条件中的微商用差商来近似，
26、积分用积分和来近似，于是原微分方程和定解条件就近似地代之以代数方程组，即有限差分方程组。有就是把偏微分问题转化为线性方程组，然后通过模拟分析软件matlab编程来实现，得到硫酸根离子的扩散规律。3 .重点解决的关键问题（1）如何确定硫酸根离子在混凝土中的扩散系数表达式。（2）如何建立硫酸根离子扩散模型。（3）在求解偏微分方程时采用哪种差分格式。（4）编制matlab程序来实现求解。4 .技术路线4.1 研究的总体思路首先查阅大量与本课题相关的文献，了解国内外的研究现状，奠定课题研究的理论基础。总结前人在这方面的经验和做法可知，然而在混凝土内部孔隙被膨胀性产物填实但没有开裂之前的这个过程中的扩散
27、系数却是一个空白，本课题对着一部分重点研究。当硫酸根离子扩散系数确定之后，基于Fick定律根据硫酸根离子在混凝土中的扩散及其与混凝土组分之间的化学反应规律、混凝土体积膨胀所引起的应变应力变化、混凝土开裂破坏过程、混凝土初始裂缝等，建立硫酸盐侵蚀下的混凝土损伤破坏全过程的定量分析模型。最后采用有限差分法求解本文所提出的混凝土硫酸盐侵蚀理论模型，并验证模型的准确性。4.2 技术路线图（见下图）不考虑反应动力学硫酸根侵蚀下混 凝土损伤函数考虑反应动力学考虑混凝土膨胀应 变和混凝土损伤硫酸跟离子化学- 力学耦食过程硫酸根禽子扩散和混凝 土损伤耦合动力学响应硫酸盐侵蚀下混凝土损伤行为研究硫酸根离子浓度分布、应力、应变、硫酸根离子侵蚀深度四、论文进度安排第一步：文献资料收集，制定研究计划并细化研究方案。时间：2017年3月至4月上旬第二步：数值模拟方案设计及理论分析。时间：2017年4月下旬至2017年7月第三步：算例验证分析。时间：2017年7月至2017年9月上旬第四步：修正理论条件，模型调整。时间：2017年9月至16年11月第五步：论文撰写、修改、定稿。时间：2017年11月至2018年1月下旬五、导师意见导师签名：年月日论证结果签名：年月
