本发明属于土木工程领域，具体公开了一种获取地下混凝土受硫酸盐侵蚀后真实力学性能和本构的方法，首先对不同侵蚀龄期受侵蚀后的试样沿其侵蚀深度的方向进行分层，假定每一层的硫酸根离子浓度均匀，侵蚀龄期的测试组试样的荷载‑应变曲线和同龄期对照组中未受侵蚀试样的荷载‑应变曲线，通过拉格朗日插值多项式的求导方法，得到混凝土的刚度‑应变关系曲线，基于混凝土的刚度并联公式，得到某层混凝土的关系曲线，最后通过数值积分，求得不同硫酸根离子浓度下的应力‑应变关系曲线，本方法操作简便，计算简单，能准确的估计受侵蚀后的混凝土构件的承载能力，并对其进行评估和维护，保证运行安全，进而延长其使用寿命。
1.一种获取地下混凝土受硫酸盐侵蚀后真实力学性能和本构的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)设置测试组和对照组，将测试组和对照组中的试样除相对的两个待测试表面外的其余表面进行密封，保证待测试样受一维侵蚀；
将测试组试样置入硫酸盐溶液，对照组试样置入清水中，对测试组中不同侵蚀龄期受侵蚀后的试样沿其侵蚀深度的方向进行分层，假定每一层中的硫酸根离子分布均匀，定义参数Amn为第m个侵蚀龄期、由试样内部未受侵蚀的部分至侵蚀表面的第n种硫酸根离子在垂直于侵蚀表面方向的面积，其中，m≥1，1≤n≤m，未受侵蚀的部分在垂直于侵蚀表面方向的面积记为Am0，A＝Am0+Am1+Am2+Am3+…Am(m-1)+Amm，测定每一层的侵蚀深度，得到测试组中第m个侵蚀龄期试样的受侵蚀面积Am1、Am2、Am3、…Am(m-1)、Amm以及未受侵蚀的面积Am0；
(2)测定不同侵蚀龄期的测试组和对照组中试样的荷载-应变曲线，得到测试组不同侵蚀龄期的P-ε曲线和对照组不同侵蚀龄期的P0-ε曲线；
(3)通过基于拉格朗日插值多项式的求导方法，对所述步骤(2)中不同侵蚀龄期的P-ε曲线和P0-ε曲线分别求导得到对应于该侵蚀龄期试样的刚度-应变关系曲线，第一侵蚀龄期的试样得到对应于该侵蚀龄期的[EA]–ε曲线和[E0A10]–ε曲线；
将所述步骤(3)中第一侵蚀龄期的[EA]–ε曲线减去[E0A10]–ε曲线得到第一个硫酸根离子浓度下的刚度-应变曲线[E1A11]–ε曲线，求得对应于A11层的E1-ε关系曲线；
(5)通过数值积分：σ(ε)＝∫E1(ε)dε，得到第一侵蚀龄期第一个硫酸根离子浓度下的应力-应变关系曲线σ1-ε曲线；
所述步骤(1)中测试组试样的分层方法为通过测定硫酸根离子浓度，进而得到试样各层的受侵蚀面积，其具体步骤如下：(a)定义对应于Am1、Am2、Am3、…Am(m-1)、Amm层中的硫酸根离子总量为Um1、Um2、Um3、…Um(m-1)、Umm，其满足以下关系：(b)通过测定第一侵蚀龄期中对应于A11层的硫酸根离子浓度，求得该A11层的硫酸根离子总量U11；
(c)由于U22与U11相等，通过测定对应于A22层中硫酸根离子的浓度求得A22，测定第二侵蚀龄期中对应于A21层的硫酸根离子浓度，求得该A21层的硫酸根离子总量U21；
(d)采用如所述步骤(c)的方法求得A33和A32，并通过测定第三侵蚀龄期中对应于A31层的硫酸根离子浓度，求得该A31层的硫酸根离子总量U31；
(e)重复以上步骤，得到各个侵蚀龄期各层的面积A11、A21、A22、…Am(m-1)、Amm。
2.根据权利要求1所述的一种获取地下混凝土受硫酸盐侵蚀后真实力学性能和本构的方法，其特征在于，还包括步骤(6)：由所述步骤(3)得到第二侵蚀龄期试样的[EA]–ε曲线和[E0A20]–ε曲线，结合所述步骤(4)得到的E1-ε曲线和第二个侵蚀龄期的刚度并联公式[E0A20]+[E1A21]+[E2A22]＝[EA]，采用如所述步骤(4)和所述步骤(5)的方法，得到对应于A22层即第二侵蚀龄期第二个硫酸根离子浓度下的应力-应变关系曲线σ2-ε曲线；重复以上步骤，得到第三至第m个硫酸根离子浓度下的应力-应变关系。
3.根据权利要求1所述的一种获取地下混凝土受硫酸盐侵蚀后真实力学性能和本构的方法，其特征在于：所述测试组和所述对照组中每一侵蚀龄期至少设置三个平行试样。
4.根据权利要求1所述的一种获取地下混凝土受硫酸盐侵蚀后真实力学性能和本构的方法，其特征在于：所述试样为长方体形，在对试样浸泡之前，对试样的其中四个表面用石蜡密封。
5.根据权利要求1所述的一种获取地下混凝土受硫酸盐侵蚀后真实力学性能和本构的方法，其特征在于：所述硫酸盐溶液为质量百分数是1％-20％的硫酸钠溶液或硫酸镁溶液。
6.根据权利要求1所述的一种获取地下混凝土受硫酸盐侵蚀后真实力学性能和本构的方法，其特征在于：所述步骤(2)中测试组的荷载-应变曲线采用微机控制电液伺服岩石试验机对试样未受侵蚀的相对的两个面沿其轴向进行加载使其受压。
一种获取地下混凝土受硫酸盐侵蚀后真实力学性能和本构的
方法
技术领域
[0001] 本发明属于土木工程技术领域，具体涉及一种获取地下混凝土受硫酸盐侵蚀后真实力学性能和本构的方法。
背景技术
[0002] 受硫酸盐侵蚀的混凝土其组成成分和微观结构都将发生变化，这必然引起混凝土力学性能的改变，而混凝土在单轴受压状态下的应力-应变关系，能全面反映混凝土各个受力阶段的变形特点和破坏过程，包含重要的力学性能指标。
[0003] 硫酸盐侵入混凝土是由表及里逐渐进行的，外围混凝土往往受侵蚀最为严重，而核心层的混凝土几乎未受侵蚀，造成沿着深度方向的侵蚀程度、化学组分和力学性能都存在梯度。目前的研究成果得到的往往是一个综合意义上的平均强度值，难以反映外围混凝土确切的硫酸盐损伤程度。同时所测定的强度变化结果必然具有较强的试件尺寸依赖性。这种侵蚀程度的不均匀性还会因为尺寸效应而在实际混凝土结构中被放大，使得实验室得到硫酸盐侵蚀混凝土力学性能的衰减规律在工程实际中的利用价值有限。目前关于混凝土受硫酸盐侵蚀的研究还存在许多不足，所得到的结论在工程实际应用中仍应存疑。
[0004] 对在役受硫酸盐侵蚀的混凝土结构，侵蚀混凝土本构模型是对该混凝土结构进行剩余寿命评估和可靠性分析的基础；对待建的可能遭受硫酸盐侵蚀的混凝土结构，侵蚀混凝土的本构模型也是进行其全寿命周期性能分析的必要基础。因此，对硫酸盐侵蚀混凝土的本构关系研究具有重要意义。
发明内容
[0005] 本发明提供一种获取地下混凝土受硫酸盐侵蚀后真实力学性能和本构的方法，以研究受硫酸盐侵蚀后混凝土的各种力学性能变化。
[0006] 为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种获取地下混凝土受硫酸盐侵蚀后真实力学性能和本构的方法，包括如下步骤：
[0007] (1)设置测试组和对照组，将测试组和对照组中的试样除相对的两个待测试表面外的其余表面进行密封，保证待测试样受一维侵蚀；
[0008] 将测试组试样置入硫酸盐溶液，对照组试样置入清水中，对测试组中不同侵蚀龄期受侵蚀后的试样沿其侵蚀深度的方向进行分层，假定每一层中的硫酸根离子分布均匀，定义参数Amn为第m个侵蚀龄期、由试样内部未受侵蚀的部分至侵蚀表面的第n种硫酸根离子在垂直于侵蚀表面方向的面积，其中，m≥1，1≤n≤m，未受侵蚀的部分在垂直于侵蚀表面方向的面积记为Am0，A＝Am0+Am1+Am2+Am3+…Am(m-1)+Amm，测定每一层的侵蚀深度，得到测试组中第m个侵蚀龄期试样的受侵蚀面积Am1、Am2、Am3、…Am(m-1)、Amm以及未受侵蚀的面积Am0；
[0009] (2)测定不同侵蚀龄期的测试组和对照组中试样的荷载-应变曲线，得到测试组不同侵蚀龄期的P-ε曲线和对照组不同侵蚀龄期的P0-ε曲线；
[0010] (3)通过基于拉格朗日插值多项式的求导方法，对所述步骤(2)中不同侵蚀龄期的P-ε曲线和P0-ε曲线分别求导得到对应于该侵蚀龄期试样的刚度-应变关系曲线，第一侵蚀龄期的试样得到对应于该侵蚀龄期的[EA]–ε曲线和[E0A10]–ε曲线；
[0011] (4)由第一个侵蚀龄期试样的刚度并联公式：
[0012] [E0A10]+[E1A11]＝[EA]
[0013] 将所述步骤(3)中第一侵蚀龄期的[EA]–ε曲线减去[E0A10]–ε曲线得到第一个硫酸根离子浓度下的刚度-应变曲线[E1A11]–ε曲线，求得对应于A11层的E1-ε关系曲线；
[0014] (5)通过数值积分：σ(ε)＝∫E1(ε)dε，得到第一侵蚀龄期第一个硫酸根离子浓度下的应力-应变关系曲线σ1-ε曲线。
[0015] 进一步的，还包括步骤(6)：由所述步骤(3)得到第二侵蚀龄期试样的[EA]–ε曲线和[E0A20]–ε曲线，结合所述步骤(4)得到的E1-ε曲线和第二个侵蚀龄期的刚度并联公式[E0A20]+[E1A21]+[E2A22]＝[EA]，采用如所述步骤(4)和所述步骤(5)的方法，得到对应于A22层即第二侵蚀龄期第二个硫酸根离子浓度下的应力-应变关系曲线σ2-ε曲线；重复以上步骤，得到第三至第m个硫酸根离子浓度下的应力-应变关系。
[0016] 进一步的，所述步骤(1)中测试组试样的分层方法为通过测定硫酸根离子浓度，进而得到试样各层的受侵蚀面积，其具体步骤如下：
[0017] (a)首先定义对应于Am1、Am2、Am3、…Am(m-1)、Amm层中的硫酸根离子总量为Um1、Um2、Um3、…Um(m-1)、Umm，其满足以下关系：
[0018]
[0019] (b)通过测定第一侵蚀龄期中对应于A11层的硫酸根离子浓度，求得该A11层的硫酸根离子总量U11；
[0020] (c)由于U22与U11相等，通过测定对应于A22层中硫酸根离子的浓度求得A22，测定第二侵蚀龄期中对应于A21层的硫酸根离子浓度，求得该A21层的硫酸根离子总量U21；
[0021] (d)采用如所述步骤(c)的方法求得A33和A32，并通过测定第三侵蚀龄期中对应于A31层的硫酸根离子浓度，求得该A31层的硫酸根离子总量U31；
[0022] (e)重复以上步骤，得到各个侵蚀龄期各层的面积A11、A21、A22、…Am(m-1)、Amm。
[0023] 进一步的，所述测试组和所述对照组中每一侵蚀龄期至少设置三个平行试样。
[0024] 进一步的，所述试样为长方体形，在对试样浸泡之前，对试样的其中四个表面用石蜡密封。
[0025] 进一步的，所述硫酸盐溶液为质量百分数是1％-20％的硫酸钠溶液或硫酸镁溶液。
[0026] 进一步的，所述步骤(2)中测试组的荷载-应变曲线采用微机控制电液伺服岩石试验机对试样未受侵蚀的相对的两个面沿其轴向进行加载使其受压。
[0027] 采用以上技术方案后，本发明与现有技术相比具有如下优点：本发明用于获取地下混凝土受硫酸盐侵蚀后力学性能和本构关系的方法操作简便，计算简单，对受硫酸盐侵蚀的地下混凝土构件，能准确的估计其承载能力，并对其进行评估和维护，实现有效防御，保证运行安全，进而提高混凝土构件的可靠性并延长其使用寿命。
附图说明
[0028] 附图1为不同侵蚀龄期下混凝土构件的分层结构示意图，其中，(a)图为第一个侵蚀龄期；(b)图为第二个侵蚀龄期；(c)图为第m个侵蚀龄期；
[0029] 附图2为混凝土构件的荷载-应变曲线，其中，(a)图为测试组试样；(b)图为同龄期的对照组试样；
[0030] 附图3为混凝土构件的刚度-应变曲线；其中，(a)图为测试组试样；(b)图为同龄期的对照组试样；
[0031] 附图4为第一侵蚀龄期第一个硫酸根离子浓度下混凝土构件的刚度-应变曲线和弹性模量-应变曲线；其中，(a)图为刚度-应变曲线；(b)图为弹性模量-应变曲线；
[0032] 附图5为第一侵蚀龄期第一个硫酸根离子浓度下混凝土构件的应力-应变关系曲线；
[0033] 附图6为实施例1中混凝土构件的荷载-应变曲线；其中，(a)图为测试组试样；(b)图为同龄期的对照组试样；
[0034] 附图7为实施例1中混凝土构件的刚度-应变曲线；其中，(a)图为测试组试样；(b)图为同龄期的对照组试样；
[0035] 附图8为实施例1中第一侵蚀龄期第一个硫酸根离子浓度下混凝土构件的刚度-应变曲线；
[0036] 附图9为实施例1中第一侵蚀龄期第一个硫酸根离子浓度下混凝土构件的应力-应变关系曲线；
[0037] 附图10为本发明的第一侵蚀龄期第一个硫酸根离子浓度下σ1-ε计算流程图；
[0038] 附图11为本发明中各个硫酸根离子浓度下σ2-n-ε计算流程图。
具体实施方式
[0039] 下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
[0040] 如图1至图11，一种获取地下混凝土受硫酸盐侵蚀后真实力学性能和本构的方法，包括如下步骤：
[0041] (1)设置测试组和对照组，将测试组和对照组中的试样除相对的两个待测试表面外的其余表面进行密封，保证待测试样受一维侵蚀。
[0042] 将测试组试样置入硫酸盐溶液，对照组试样置入清水中，硫酸盐溶液为质量百分数是1％-20％的硫酸钠溶液或硫酸镁溶液。
[0043] 由于在硫酸盐侵蚀过程中硫酸根离子由表及里存在较明显的浓度梯度，所以按硫酸根离子浓度的不同，对测试组中的试样进行分层，并假定每一层中的硫酸根离子都是均匀分布的，则每一层中的应力-应变关系，即可视为受侵蚀的混凝土构件在不同侵蚀程度下的本构关系。
[0044] 如图1所示，定义参数Amn为第m个侵蚀龄期、由试样内部未受侵蚀的部分至侵蚀表面的第n种硫酸根离子在垂直于侵蚀表面方向的面积，其中，m≥1，1≤n≤m，未受侵蚀的部分在垂直于侵蚀表面方向的面积记为Am0，A＝Am0+Am1+Am2+Am3+…Am(m-1)+Amm，测定每一层的侵蚀深度，得到测试组中第m个侵蚀龄期试样的受侵蚀面积Am1、Am2、Am3、…Am(m-1)、Amm以及未受侵蚀的面积Am0。测试组和对照组中每一侵蚀龄期至少设置三个平行试样。
[0045] m个侵蚀龄期中，各个侵蚀龄期的长度可以不同，优选位于后部的侵蚀龄期长度大于位于前部的侵蚀龄期长度。
[0046] 测试组试样的分层方法为通过测定硫酸根离子浓度，进而得到试样各层的受侵蚀面积，其具体步骤如下：
[0047] (a)首先定义对应于Am1、Am2、Am3、…Am(m-1)、Amm层中的硫酸根离子总量为Um1、Um2、Um3、…Um(m-1)、Umm，其满足以下关系：
[0048]
[0049] (b)通过测定第一侵蚀龄期中对应于A11层的硫酸根离子浓度，求得该A11层的硫酸根离子总量U11；
[0050] (c)由于U22与U11相等，通过测定对应于A22层中硫酸根离子的浓度求得A22，测定第二侵蚀龄期中对应于A21层的硫酸根离子浓度，求得该A21层的硫酸根离子总量U21；
[0051] (d)采用如所述步骤(c)的方法求得A33和A32，并通过测定第三侵蚀龄期中对应于A31层的硫酸根离子浓度，求得该A31层的硫酸根离子总量U31；
[0052] (e)重复以上步骤，得到各个侵蚀龄期各层的面积A11、A21、A22、…Am(m-1)、Amm。
[0053] (2)采用微机控制电液伺服岩石试验机对试样未受侵蚀的相对的两个面沿其轴向进行加载使其受压，测定不同侵蚀龄期的测试组和对照组中试样的荷载-应变曲线，得到测试组不同侵蚀龄期的P-ε曲线(参见附图2(a))和对照组不同侵蚀龄期的P0-ε曲线(参见附图2(b))。
[0054] (3)通过基于拉格朗日插值多项式的求导方法，对步骤(2)中不同侵蚀龄期的P-ε曲线和P0-ε曲线分别求导得到对应于该侵蚀龄期试样的刚度-应变关系曲线，第一侵蚀龄期的试样得到对应于该侵蚀龄期的[EA]–ε曲线(参见附图3(a))和[E0A10]–ε曲线(参见附图3(b))。
[0055] (4)由第一个侵蚀龄期试样的刚度并联公式：
[0056] [E0A10]+[E1A11]＝[EA]
[0057] 将步骤(3)中第一侵蚀龄期的[EA]–ε曲线减去[E0A10]–ε曲线得到第一个硫酸根离子浓度下的刚度-应变曲线[E1A11]–ε曲线(参见附图4(a))，求得对应于A11层的E1-ε关系曲线(参见附图4(b))。
[0058] (5)通过数值积分：σ(ε)＝∫E1(ε)dε，得到第一侵蚀龄期第一个硫酸根离子浓度下的应力-应变关系曲线σ1-ε曲线(参见附图5)。
[0059] (6)由所述步骤(3)得到第二侵蚀龄期试样的[EA]–ε曲线和[E0A20]–ε曲线，结合所述步骤(4)得到的E1-ε曲线和第二个侵蚀龄期的刚度并联公式[E0A20]+[E1A21]+[E2A22]＝[EA]，采用如所述步骤(4)和所述步骤(5)的方法，得到对应于A22层即第二侵蚀龄期第二个硫酸根离子浓度下的应力-应变关系曲线σ2-ε曲线；重复以上步骤，得到第三至第m个硫酸根离子浓度下的应力-应变关系。
[0060] 实施例1：
[0061] 采用100×100×300mm的混凝土构件作为待测试样，保留相对的两个100×300mm表面作为侵蚀面，其余四个表面用石蜡密封。
[0062] 设置测试组和对照组，并设定第一侵蚀龄期的时间为10天。将测试组的试样置于质量分数为10％的硫酸钠溶液中，将对照组试样置于清水中。
[0063] 经过第一侵蚀龄期侵蚀的测试组试样其侵蚀表面朝向内部的侵蚀深度为2.5mm，即试样的受侵蚀面积A11＝500mm2，未受侵蚀面积A10＝9500mm2，测得对应于A11层中的硫酸根离子浓度为1.6877％。
[0064] 采用微机控制电液伺服岩石试验机对经过第一侵蚀龄期的测试组和对照组中试样的两个100×100mm的面分别加载使其受压，测得第一侵蚀龄期的测试组试样的P1-ε曲线(参见附图6(a))和同龄期对照组中未受侵蚀试样的P0-ε曲线参见附图6(b)。
[0065] 通过基于拉格朗日插值多项式的求导方法，对上述P1-ε曲线和P0-ε曲线求导分别试样的刚度-应变关系曲线[EA]–ε曲线(参见附图7(a))和[E0A10]–ε曲线(参见附图7(b))。
[0066] 由混凝土的刚度并联公式： 可得[E1A11]–ε曲线(参见附图8)。
[0067] 通过数值积分：σ(ε)＝∫E1(ε)dε，可得第一个硫酸根离子浓度下的应力-应变关系曲线(参见附图9)。
[0068] 由以上步骤，可求得硫酸根离子浓度为1.6877％的混凝土的应力-应变关系，重复以上步骤，即可获得多个硫酸根离子浓度下的应力-应变关系。
[0069] 本发明用于获取地下混凝土受硫酸盐侵蚀后力学性能和本构关系的方法操作简便，计算简单，能准确的估计受侵蚀后的混凝土构件的承载能力，并对其进行评估和维护，保证运行安全，进而延长其使用寿命。
[0070] 上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
