1.一种冻融损伤再生混凝土氯离子扩散系数多尺度预测模型的构建方法,其特征在于将再生混凝土视为由不同尺度材料构成的水泥基复合材料,从小尺度的硬化水泥浆体开始,逐步过渡到大尺度的再生混凝土,依次建立起不同尺度水泥基材料的氯离子扩散系数预测模型,然后考虑再生混凝土内部冻融损伤对其氯离子扩散的影响,最终建立冻融损伤再生混凝土的氯离子扩散系数多尺度预测模型。
2.根据权利要求1所述的构建方法,其特征在于包括以下步骤:<1>建立水泥净浆氯离子扩散系数预测模型;
<2>建立新砂浆氯离子扩散系数预测模型;
<3>建立再生混凝土氯离子扩散系数多尺度预测模型;
<4>建立冻融损伤再生混凝土的氯离子扩散系数模型。
3.根据权利要求2所述的构建方法,其特征在于步骤<1>按以下操作进行:结合广义自洽法和Moil-Tanaka法,建立硬化水泥净浆氯离子扩散系数预测模型为:式(1)中,φ,的表达式为:
式(2)中,DhCSH为水泥中高密度C-S-H凝胶层的扩散系数;DlCSH为水泥中低密度C-S-H凝胶层的扩散系数;Vα为硬化水泥浆体中高密度C-S-H凝胶层占总水泥体积的体积分数;Vβ为硬化水泥浆体中未水化水泥颗粒与高密度C-S-H凝胶层的体积分数之和;
根据基体-夹杂模型有DhCSH的表达式为:
其中:
式(3)~(5)中, 为通过试验和数值计算得到的氯离子在高密度C-S-H凝胶层中的扩散系数; VhCSH分别是CH、AF、高密度的C-S-H凝胶层基体在高密度C-S-H凝胶层中的体积分数;αh、βh为中间变量;
根据多相材料夹杂的Mori-Tanaka法有DlCSH的表达式为:其中:
ζ=Vcap(Dcap-D′lCSH) (11)
式(6)~(11)中D′lCSH为水泥水化产物(如CH、AF)和低密度C-S-H凝胶层基体均匀夹杂后的等效介质层的有效扩散系数; 为通过试验和数值计算得到的氯离子在低密度C-S-H凝胶层中的扩散系数; Vcap、VlCSH分别是CH、AF、毛细孔、低密度的C-S-H凝胶层基体在低密度C-S-H凝胶层中的体积分数;Dcap为毛细孔的有效扩散系数;αl、βl、x、ζ为中间变量;
硬化水泥浆体各种水化产物的体积分数分别为VCH、VAF、VCSH(VlCSH和VhCSH)、未水化的水泥颗粒的体积分数为VU,毛细孔的体积分数为Vcap,则有:VCH+VAF+VlCSH+VhCSH+VU+Vcap=1 (12)且有:
式(2)中Vα、Vβ的表达式分别为:
综合式(1)~(15),可得以各体积参数为变量的水泥净浆氯离子扩散系数预测模型为:式(16)中, Dcap为试验和数值计算得出的实测值;假定饱和水泥浆体的质量为
1g,根据普通硅酸盐水泥化学反应方程式,得到净浆中各体积分数的预测模型,为:式(17)~(22)中,n-水泥浆体的初始水灰比;t-龄期;ρc、ρlCSH、ρhCSH-水泥的密度、低密
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度C-S-H凝胶的密度、高密度C-S-H凝胶的密度,取ρlCSH=1.44g/cm 、ρhCSH=1.75g/cm ,ρc根据实际选用的水泥材料测定;p1、p2、p3、p4-C3S、C2S、C3A、C4AF在水泥熟料中的质量分数。
4.根据权利要求3所述的构建方法,其特征在于:所述氯离子在高密度C-S-H凝胶层中的扩散系数 氯离子在低密度C-S-H凝胶层中的扩散系数毛细孔的有效扩散系数Dcap取Dcap=2.03×10-9m2/s,高密度C-S-H凝胶的密度ρhCSH=1.75g/cm3、低密度C-S-H凝胶的密度ρlCSH=1.44g/cm3。
5.根据权利要求2所述的构建方法,其特征在于步骤<2>按以下操作进行:采用广义自洽法进行预测,建立新砂浆氯离子扩散系数预测模型为:式(23)中ξ,ζ为中间变量,有:
式(24)中DHCP为步骤1预测得到的硬化水泥浆体的氯离子扩散系数;DITZ为新砂浆中细骨料与硬化水泥浆体之间的界面过渡区ITZ的氯离子扩散系数;VA为新砂浆中细骨料的体积分数;VITZ为新砂浆中细骨料与硬化水泥浆体之间的界面过渡区ITZ的体积分数,取值范围为5%-30%;
其中,以水泥为基体的新砂浆的DITZ的表达式为:
DITZ=117.563DHCP·hITZ-0.8772 (25)式(25)中hITZ为新砂浆中界面过渡区的厚度。
6.根据权利要求5所述的构建方法,其特征在于:所述新砂浆中界面过渡区的厚度hITZ取hITZ=25μm。
7.根据权利要求2所述的构建方法,其特征在于步骤<3>按以下操作进行:将再生混凝土简化看作多尺度的复合球体,根据多孔材料渗透理论,参考广义自洽法和Moil-Tanaka法,得到再生混凝土的氯离子扩散系数多尺度预测模型为:式(26)中,DNM为步骤2预测得到的新砂浆的氯离子扩散系数;φ1为天然骨料、老ITZ、老砂浆、新ITZ的体积分数之和,即φ1=φOA+φOITZ+φOM+φNITZ;φNM为新砂浆的体积分数;D4为再生骨料和新界面的的组合扩散系数;
将再生骨料嵌入新界面中,根据复合球体的有效扩散系数计算公式得D4的表达式为:式(27)中,DNITZ为新界面的扩散系数,其计算式见式(28);φ2为天然骨料、老ITZ、老砂浆的体积分数之和,即φ2=φOA+φOITZ+φOM;φNITZ再生混凝土中新砂浆的体积分数;D3为再生骨料的扩散系数;其余符号表示意义同上;
DNITZ=117.563DNM·hNITZ-0.8772 (28)式(28)中,hNITZ为再生混凝土中新界面过渡区的厚度;
根据复合球体的有效扩散系数计算公式可得D3的表达式为:式中(29),DOM为老砂浆的扩散系数;φ3为原始天然骨料、老ITZ的体积分数之和,即φ2=φOA+φOITZ;φOM再生骨料表面附着老砂浆的体积分数;D2为天然骨料与老界面的组合的扩散系数;其余符号表示意义同上;
根据复合球体的有效扩散系数计算公式可得D2的表达式为:式(30)中,DOITZ为老界面的扩散系数,其计算式见式(31);φOM为再生混凝土中老砂浆的体积分数;φOITZ老砂浆的体积分数;DOA为天然骨料的扩散系数;其余符号表示意义同上;
DOITZ=117.563DOM·hOITZ-0.8772 (31)式(31)中,hOITZ为再生混凝土中新界面过渡区的厚度;
式(26)~(30)中,φNITZ取值范围为0.5%-2.0%,其余各组分的体积分数随再生骨料的体积分数φRCA而变化,各体积分数的相关计算公式为:式(32)中,y为再生骨料中附着老砂浆的体积分数,取值范围为30%-45%;其余符号表示意义同上。
8.根据权利要求7所述的构建方法,其特征在于:所述再生混凝土中新界面过渡区的厚度hNITZ取hNITZ=45μm,老砂浆的扩散系数DOM取DOM=6.9DNM,天然骨料的扩散系数DOA取DOA=
0.210-12m2/s,再生混凝土中新界面过渡区的厚度hOITZ取hOITZ=55μm,φNITZ取0.75%,再生骨料中附着老砂浆的体积分数y取为34.7%。
9.根据权利要求2所述的构建方法,其特征在于步骤<4>按以下操作进行:根据冻融损伤理论,考虑氯离子扩散与冻融损伤的相关性,建立冻融损伤再生混凝土氯离子扩散系数预测模型为:式(33)中,DRC为再生混凝土的氯离子扩散系数; 为再生混凝土冻融破坏后的氯离子扩散系数,取 k1为冻融损伤度;k1的表达式为:其中,d为试件厚度;n为冻融循环次数。
10.权利要求1所述构建方法在冻融损伤再生混凝土配合比设计方面的应用,其特征在于将冻融损伤再生混凝土的氯离子扩散系数多尺度预测模型和混凝土寿命预测理论相结合,得出在不同环境使用等级下,满足不同使用年限要求的再生混凝土的配合比。