作者：钱春香
出版社：东南大学出版社
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混凝土结构材料的损伤特性及其本构模型试读：
前言
钢筋混凝土结构是目前世界上使用最为广泛的结构形式。在可预见的未来，钢筋与混凝土依然是工程建设中最主要的结构材料，其耐久性仍将是国内外学术界与工程界关注的重大科技问题。要准确掌握耐久性损伤引起的结构性能变化规律，就必须正确认识混凝土结构材料的腐蚀特性及其所导致的力学性能退化规律，并建立内蕴损伤变量的本构关系。因此开展混凝土结构材料耐久性损伤的系统研究，不仅为既有结构的维修加固决策提供科学依据，也将为混凝土结构耐久性设计提供科学依据，对国家基础设施建设有着十分重要的理论和现实意义。
作者及其课题组成员在国家重点基础研究发展计划（973计划）项目（No:2009CB623203）和国家自然科学基金项目（No:51008276）的资助下，对不同腐蚀环境下混凝土结构材料的损伤特性及本构模型开展了大量理论分析、数值模拟及试验研究工作，取得了一系列成果，本书是对作者近年研究工作的总结。
全书共5章。
第1章：从混凝土结构所处的不同环境入手，系统阐述了混凝土结构所受的各类耐久性损伤，并阐明了耐久性损伤引起的本构模型变化对于工程结构分析的重要性，最后对国内外研究现状进行了综述。
第2章：围绕混凝土碱硅酸反应（ASR）膨胀这一中心问题，提出了基于力学和化学因素的ASR膨胀计算模型，揭示了ASR膨胀及其对混凝土力学性能的影响，建立了ASR混凝土单轴受压下的应力—应变全曲线，并由膨胀率出发实现了ASR混凝土单轴受压本构关系的数值模拟。
第3章：围绕溶蚀—力学耦合作用下混凝土材料的力学特性，分析了水泥基材料的溶蚀机理，确定了适合表征现场混凝土结构溶蚀损伤程度的方法，实现了水泥基材料中钙离子溶出的数值模拟，建立了宏观上描述溶蚀混凝土单轴压缩的本构方程与溶蚀—力学耦合作用下混凝土弹塑性损伤本构模型。
第4章：针对硫酸盐腐蚀环境，确定了干湿循环—硫酸盐侵蚀耦合作用后混凝土损伤评价指标，定义了与承载力相关联的损伤度，揭示了硫酸盐侵蚀混凝土微结构损伤及其力学性能演化规律，建立了基于试验数据与扰动状态理论的硫酸盐侵蚀混凝土受压本构关系，提出了基于细观力学的硫酸盐侵蚀混凝土受压本构关系的数值模拟方法。
第5章：紧紧围绕不同腐蚀条件下混凝土内钢筋不均匀锈蚀特征的科学表征及其本构关系这一中心问题，建立了钢筋不均匀锈蚀性状的科学表征方法，揭示了不同腐蚀条件下混凝土中钢筋的不均匀锈蚀几何特征，探明了不同锈蚀特征对钢筋拉伸性能的影响，实现了锈蚀钢筋拉伸全过程的细观数值模拟与本构关系预测。
本书编写分工如下：钱春香——第1章；庄园、钱春香——第2章；黄蓓、钱春香——第3章；聂彦锋、钱春香——第4章；徐亦冬、钱春香——第5章。全书由东南大学钱春香、浙江大学宁波理工学院徐亦冬负责审阅、统稿，并对各章节做了部分修改。参编人员均为本人指导的博士研究生，编写的内容为其在东南大学攻读博士学位期间所做的工作。
感谢科技部、国家自然科学基金委员会等单位对本书研究工作的资助，感谢国家出版基金对本书出版的资助，最后要特别感谢孙伟院士对作者研究工作的大力支持，并为本书作序予以鼓励。
由于混凝土结构材料耐久性损伤所涉及的问题较为复杂，尚有许多问题有待进一步研究，加之本书作者水平有限，书中难免存在不足之处，敬请读者不吝赐教。东南大学钱春香二〇一四年十月第1章绪论1.1引言
钢筋混凝土结构是目前世界上使用最为广泛的结构形式。在可预见的未来，钢筋与混凝土依然是基本工程建设中最主要的结构材料，其耐久性和使用寿命仍将是国内外学术界关注的重大科技问题。
混凝土结构耐久性是指混凝土结构及其构件在可预见的工作环境及材料内部因素的作用下，在预期的使用年限内抵抗大气影响、化学侵蚀和其他劣化过程中，不需要花费大量资金维修，也能保持其安全性、适用性和外观要求的功能。在实际工程环境中，混凝土结构常见的耐久性破坏因素有钢筋锈蚀、碱—集料反应、溶蚀、硫酸盐侵蚀、冻融循环等。
据统计，世界各国的腐蚀损失平均占国民生产总值（GDP）的[1]2%～4%，其中与钢筋锈蚀相关的可达40%。美国所有的结构破坏中钢筋腐蚀破坏可占55%左右，每年钢筋锈蚀成本超过1500亿美元；日本目前大约有21.4%的钢筋混凝土结构损害是因钢筋锈蚀引起的，其引以为豪的新干线使用不到10年，就出现大面积混凝土开裂、剥蚀现象。在我国，钢筋锈蚀引起的混凝土结构耐久性问题也十分严重，漫长海岸线上的海港码头、仍大量使用除冰盐的北方地区以及冶金与化工等工业建筑等，都存在发生钢筋锈蚀的危险。浙江大学结构工程研究所自2004年起在浙江省范围内选择了金华、宁波、湖州、嘉兴、杭州、绍兴以及台州等地现役37座公路桥梁及厂房结构进行了耐久性调查，结果表明，许多结构在达到其设计使用年限之前，就出现了钢筋锈蚀、保护层锈胀剥落，更严重的甚至出现锈蚀钢筋外露等[2]现象，严重地影响到了结构的安全性。
在大坝结构中，比较典型的碱—集料反应破坏实例有加拿大博[3]赫尔洛依斯水电站，该站1928年起建，1960年全部建成。1940年就发现该电站南部坝体出现裂缝而渗漏，其后在进水系统和办公大楼均发现开裂和变形，1972年发现其上游两座吊桥因碱—集料反应而严重开裂和变形。根据Durand的资料，在魁北克水利局属的480个大坝[4]中有30%受碱—集料反应的破坏；巴西东北部的Moxoto坝，建于1972～1977年，自1980年以后，相继观察发现混凝土发生开裂，特别是一些较薄的混凝土部位，对变质的混凝土钻芯取样分析检测，观察到整个试样普遍出现碱—集料反应，有些出现开裂，有些则无，有些开裂到颗粒的深部，几乎所有的试样都能观察到深暗色的反应环和数量变化的碱—硅凝胶；位于法国南部阿尔卑斯山脉中的桑本坝，兴建于20世纪30年代，建成后运行50年开始出现了碱—集料反应的膨胀开裂，后复经12年膨胀反应持续发展，该坝不堪服役，泄[5]洪闸门启闭受阻，大坝渗流加剧，坝体出现畸形变形。
前苏联的A.A．贝科夫在1926年的研究论文中指出：任何以波特兰水泥制成的混凝土建筑物，都必然要经受石灰的溶出作用，并在一[6]定期限内丧失全部胶凝性而遭受破坏。根据国家电力监管委员会大坝安全监察中心对国内运行多年的多座大坝的调研中发现，我国的丰满、佛子岭、新安江、响洪甸、磨子潭、梅山、古田溪、陈村、云峰等混凝土坝，都存在着不同程度的溶蚀腐蚀。每年从坝体混凝土中溶出的离子含量（主要是钙离子）就高达9t；从坝基帷幕中溶出的离子含量达6.48 t，即每年从整个大坝混凝土中溶出的离子总量高达15.48 t。美国农垦局在20世纪40年代开始，对大坝混凝土溶蚀腐蚀进行了研究，初步探讨了混凝土溶蚀对抗压强度的影响，研究认为1912年美国的科罗拉多（Colorado）拱坝的报废、1924年鼓后池（Drum [79]After Bay）拱坝的报废，均主要与溶蚀破坏有关。[10]
美国公路委员会于1965年首次公布了由于硫酸盐侵蚀导致混凝土破坏的实例，接着在加利福尼亚州发现由于硫酸盐侵蚀造成混凝[11,12]土基础的破坏。英国建筑研究院的调查报告同样发布了近100座建筑物由于硫酸盐的侵蚀造成破坏。日本新干线在使用不到10年便[13]出现了混凝土开裂和剥落现象，硫酸盐侵蚀同样是重要原因。我国同样存在硫酸盐侵蚀造成严重损失的现象。我国盐渍土分布较为广泛的西部地区所建桥梁、建筑和电线杆塔等由于遭受硫酸盐的严重侵[14]蚀而破坏，造成了巨大的经济损失。近年来的武广客运专线和石太客运专线等铁路工程同样遇到了混凝土硫酸盐侵蚀破坏的问题[15]。对于正在使用并遭受硫酸盐侵蚀的跨海大桥、海工结构、港工结构等同时处于干湿循环状态下，侵蚀作用更为严重。
材料的本构关系作为抽象化理想物质本构行为的数学力学表达，是构筑固体力学理论体系的三大基石之一，一直是学术与工程技术界关注的焦点之一。为了确定所考察物质在外来因素作用下待求的全部相应量（含位移、应变和应力分量），必须同时满足三大方程（即平衡方程、几何方程和本构方程）。要正确评估既有混凝土构件承载力的下降程度，准确掌握耐久性损伤引起的结构性能变化规律，就必须正确认识混凝土结构材料的腐蚀特性及其所导致的力学性能退化规律，探明耐久性损伤对其本构关系的影响，建立内蕴锈蚀损伤变量的[16]本构关系，才能完整地反映其真实的力学行为。我国《混凝土结构耐久性设计规范》（GB/T 50476-2008）中对结构耐久性做了如下定义：在设计确定的环境作用和维修、使用条件下，结构构件在设计[17]使用年限内保持其适用性和安全性的能力。必须指出的是，混凝土结构耐久性是基于材料耐久性的进一步深化，耐久性问题实际上是环境与荷载耦合作用引起的适用性和安全性问题，因此适时开展混凝土结构材料腐蚀特性及其本构关系的系统研究，将为混凝土结构耐久性评估、寿命预测及计算机仿真提供理论指导，对国家基础设施建设有着十分重要的理论和现实意义，具有广阔的应用前景。1.2国内外研究现状1.2.1 混凝土碱硅酸反应（ASR）损伤
碱硅酸反应（Alkali Silica Reaction, ASR）是碱—集料反应的一2种，是指混凝土孔隙溶液中的碱性物质与活性骨料中的活性SiO发生反应，生成吸水膨胀的碱硅凝胶，导致混凝土开裂破坏；混凝土表面往往产生网状无序裂缝，孔隙中有碱硅凝胶。
ASR是一个化学、力学和热学耦合的复杂反应过程，与介质环境的碱度、温湿度、骨料的活性和粒径，以及反应时间等因素关系密切。作为影响ASR的重要参数，骨料粒径一直是ASR研究的一个热点，在实际工程结构中，选用粒径、级配合理的骨料可以有效地预防、降低ASR造成的危害。早在1940年，Stanton首次发现碱骨料反应时就提出，该反应引起的膨胀取决于系统中活性骨料的粒径。1974年，[18]S.Diamond通过试验研究也认为活性骨料粒径与膨胀关系密切。但是直至今日，人们对于活性骨料粒径对ASR及其产生膨胀影响的看法仍然存在分歧。有的学者认为ASR膨胀随活性骨料粒径的增加而减小[19,20][21,22]，有的学者则认为ASR膨胀随活性骨料粒径的增加而增加，而另有学者则提出活性骨料粒径和ASR膨胀存在“最不利尺寸”效应[23-25]
，即活性骨料达到某一粒径或者粒径范围时试件的膨胀达到最大，大于或者小于此粒径，膨胀均有所减小。[26]
针对混凝土材料ASR膨胀的计算模型比较多，比如UFO模型、[27][28][29]Nielsen模型、Sellier/Poyset 模型、Pesavento 模型、Suwito/[30,31][32][33][34]Xi模型、Bažant模型、Moranville、Comi模型、[35]Lemarchand模型等。这类模型的一个显著特点是，简化处理宏观的膨胀过程及混凝土力学性能的损伤，从化学反应动力学出发，重点研究各种化学离子以及形成的产物在基体、骨料中的扩散过程。从模型研究的侧重点来看，这类模型通常也可称为化学模型，通常选取简化体系中的代表性体积单元（Relative Elementary Volume, REV）作为研究对象。
对ASR作用下混凝土的应力状态分析，具有十分重要的意义。但遗憾的是，在这方面的研究开展得较少也较晚。直到20世纪末，才[36]有针对ASR混凝土单轴受压本构关系的文献报道。Pantazopoulou针对普通骨料混凝土和完全采用活性骨料取代的混凝土在相同养护条件下的单轴受压应力—应变全曲线进行了研究，结果表明在经受ASR的侵蚀之后，混凝土的峰值应力由40 MPa下降到27 MPa，峰值应变-6-6[37]则由1500 × 10增加到1800 × 10。Giaccio采用0.42的水灰比，研究了掺有天然活性细骨料、低活性粗骨料和高活性粗骨料的混凝土试件在经ASR侵蚀后的力学性能变化。试验结果表明，ASR的作用使混凝土的峰值应力下降了约25%，峰值应变显著增大，其中掺有高活性粗骨料的混凝土峰值应变甚至增加了一倍以上。在ASR的作用下，掺有活性粗骨料的试件，250d抗压强度由47.4 MPa下降到30 MPa, 250d弹性模量则由37.8GPa降低到25.1GPa；掺有天然活性细骨料的试件，250d抗压强度和弹性模量则分别为37.8 MPa和13.1GPa。1.2.2 混凝土溶蚀损伤
水泥基材料处于软水或其他介质环境作用下，发生溶蚀，实际上是水泥水化产物氢氧化钙在孔隙溶液与外部环境的物质的量浓度梯度下不断流失，从而引起C-S-H凝胶、钙矾石不断脱钙溶出，导致孔隙溶液中钙离子物质的量浓度逐步下降，pH值不断减小，并逐渐使水化产物失去胶凝性的一种腐蚀现象。[38]
Faucon对水泥基材料受软水腐蚀的物理化学机理做了比较详细的论述，认为溶蚀过程实际上是溶解与扩散两种机制的耦合作用，是水泥基材料由于渗漏而产生的一种内在的本质性的病害。水泥基材料受软水溶蚀的过程受局部化学平衡控制，而钙离子的溶出过程受扩[39]散控制。Mainguy认为，由于细骨料及界面过渡区的影响，砂浆中钙离子的溶出量比水泥浆少，可以用其中水泥石的质量分数作为折减[40]系数，并通过数值模拟验证了这种做法是可行的。Le Bellégo使用酚酞与离子探针法分别对水泥石的溶蚀深度进行了测量，试验表明，溶蚀深度与溶蚀时间的平方根呈良好的线性关系，可以用菲克定律来描述。这也证实了钙离子的溶出过程是受离子扩散控制的。
钙离子的溶出是一个十分缓慢的过程，试验研究周期较长，而且影响因素众多，所以通过试验对钙离子溶出的过程进行评估是非常困难的，而且由于水泥基材料的孔结构受钙离子溶出的影响，其力学性能很快就变成非线性，所以不能仅仅依靠试验对水泥基材料性能劣化做出可靠的预测。因此，很多学者基于不同理论提出了各种模型，采[41]用数值方法模拟了钙离子的溶出过程，常见的模型有Gérard模型、[42,43][44]Detlf Kuhl模型、Kenichiro Naka-rai模型等。
除了溶蚀腐蚀的时间，水泥基材料的水灰比、水泥种类、掺合料、材料本身的密实度，以及孔隙、裂缝等内部因素都会对溶蚀腐蚀过程[45]产生影响。Maltais研究认为，对水泥基材料溶蚀动力学特性影响最大的因素是水灰比，降低材料的水灰比能增加材料的密实度，从而有效地提高材料的抗溶蚀性能。当水灰比一定时，材料含砂量越大，钙离子的溶出量越小；当含砂量一定时，水灰比越小，钙离子的溶出[46]量也越小。Kamali的试验也证明了这一观点。
一些环境因素如水体环境、外部温度、水压力等对水泥基材料溶蚀过程也有影响。水体的化学成分，特别是其中氢氧化钙的物质的量浓度与其他影响氢氧化钙溶解度的物质的物质的量浓度，以及溶液的[46]更新速度都对溶蚀有很大影响。Kamali使用3种不同的介质对水泥43石进行溶蚀试验，试验表明：NHNO溶液中19d的溶蚀深度比在纯水中浸泡114d大4.5倍，比在饱和石灰水中浸泡114d大5倍。不同的水力梯度对水泥基材料的溶蚀也会造成不同程度的影响，当水泥基材料在溶蚀过程中不受水压力或所受水压力较小时，此时的溶蚀称为接触溶蚀；反之，当水泥基材料在溶蚀过程中受水压力较大时就会发生渗透溶蚀。水泥基材料与介质的接触面积越大溶蚀越厉害；而水泥基材料的渗透性溶蚀，很大程度上受水压力大小的影响，一般而言，随着水压力的增加，水泥基材料的渗透性增大，溶蚀程度也随之增大。1.2.3 混凝土硫酸盐侵蚀损伤
自从1892年Michalis首次发现硫酸盐对混凝土产生侵蚀作用的“水泥杆菌”（钙矾石）后，国内外学者对硫酸盐侵蚀进行了卓有成效[6]的试验研究。前苏联B.M．莫斯克文在20世纪初对硫酸盐侵蚀开展研究，并将硫酸盐侵蚀划分为三大腐蚀理论中的第Ⅲ类腐蚀，美国学[5]者米勒同样在含有硫酸盐的土壤中进行混凝土的抗硫酸盐侵蚀试验；我国自20世纪50年代起，对水泥基材料抗硫酸盐侵蚀试验方法、影响因素和破坏机理进行探索研究，取得了丰富的成果。
目前，关于水泥基材料受硫酸盐侵蚀损伤程度评价指标的选取并没有统一的规定，而是按照不同研究目的选取不同的评价指标对试验结果进行分析评价。从已有的评级指标看，可分为三种类型：力学性能类评价指标、外观物理性能类评价指标和介质扩散或内部结构变化类评价指标。
力学性能类评价指标主要包括抗压强度、抗折强度和劈拉强度等。我国《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082-2009）主要以“强度抗蚀系数”来评价混凝土的抗侵蚀能力。日本工业标准JIS方法中同样以抗压抗蚀系数、抗折抗蚀系数作[47][48]为混凝土抗硫酸盐侵蚀能力的评价指标。Ahmed和Sotiriadis试验研究均应用力学性能类指标来比较不同水泥基材料的抗硫酸盐侵蚀能力。
外观物理性能类评价指标包括膨胀率、质量变化率和外观形貌的变化。ASTM C452和ASTM 1012中规定某个龄期段内所测量的膨胀率作为水泥基材料抗硫酸盐侵蚀能力的评价指标，而我国《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082-2009）并没有具体规定采用膨胀率衡量混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力，建议观察混凝土表面破损情况。在试验研究中，大多数国外学者选取膨胀率作为评[49][50]价指标研究水泥基材料的抗硫酸盐侵蚀性能，Ranjani和Martin应用该指标试验研究了掺入矿物掺合料后混凝土在不同硫酸盐侵蚀环境[51]中的变化趋势；而国内学者选取质量变化率作为评价指标。
介质扩散或内部结构变化类评价指标是指硫酸盐离子的渗透系[52]数、扩散系数和超声波速（动弹性模量）等。Tumidajski等借鉴快速氯离子渗透试验的电化学方法，测得硫酸盐离子的扩散系数来评价[53]混凝土抗硫酸盐侵蚀性能。陈建康课题组采用超声波波速研究硫酸盐侵蚀水泥基材料的损伤劣化过程及特点。
目前，关于混凝土硫酸盐侵蚀的单轴受压本构关系研究文献较[54,55]少。梁咏宁、袁迎曙基于室内快速硫酸盐侵蚀试验方法，研究了不同侵蚀时期混凝土的应力—应变全曲线。结果表明侵蚀后混凝土的无量纲化的应力—应变曲线可以应用混凝土规范中所建议的应力—应变曲线方程进行拟合，方程中的参数与腐蚀后混凝土的峰值应力密切相关；峰值应力、弹性模量随着侵蚀时间的持续呈现先增大后减小的趋势，峰值应变却先降低后增大；同时通过数学回归分析建立峰值应变、弹性模量、拐点应力等与腐蚀程度之间的数学关系，它们[56]之间以线性关系为主。陈朝晖采用长期浸泡的试验方法，得到了不同浸泡时间的硫酸盐侵蚀混凝土的应力—应变全曲线。所得到的试验结论与上述结论有所不同，受硫酸盐溶液长期浸泡的混凝土的弹性模量、峰值应力和残余变形能力降低，并没有出现弹性模量和峰值应力先增加后降低的现象，可能在于长期浸泡时间间隔太长（数月）。随着腐蚀程度的加深，加载过程中掉渣和剥落现象越普遍，主裂缝相[57]对于其他裂缝的发展较为显著。李杰课题组通过试验与数值模拟相结合的办法得到受侵蚀混凝土的本构关系。针对硫酸盐侵蚀的非均匀性，首先对试件截面进行分区；然后，利用Fick第二定律和假设腐蚀介质对砂浆和界面过渡区的蚀强率与腐蚀溶液浓度成正比，通过试验结果和模拟结果的对比得到蚀强率，将得到的蚀强率对硫酸盐腐蚀后砂浆和界面过渡区的细观本构关系进行修正；最后，通过MIMICS技术将CT扫描得到的受侵蚀混凝土信息进行三维重构，对每个区的力学性能进行均匀化处理，应用有限元软件ABAQUS进行计算得到硫酸盐侵蚀本构关系。1.2.4 钢筋锈蚀损伤
引起混凝土结构中钢筋锈蚀的因素主要有氯盐、碳化以及杂散电流，此外在特定环境与荷载作用下还有发生应力腐蚀的可能。[58,59]D.A.Koleva从微观尺度上对混凝土—钢筋界面的微结构与孔隙网络进行了探索，并对水泥基材料中钢筋锈蚀的电化学机理进行了阐[60]述；M.Saremi采用电化学测试技术，研究了模拟混凝土孔溶液中[61]氯离子引起的钢筋去极化机理；董荣珍采用背散射电子成像及拉曼光谱微观测试手段，分析了钢筋—混凝土界面处锈蚀产物的分布[62]状态及成分。针对锈蚀钢筋的力学性能，Abdullah A.Al-musallam采用恒电流通电的方法加速混凝土构件内钢筋的锈蚀，采用锈蚀质量损失率对钢筋锈蚀程度进行表征，对锈蚀钢筋力学性能进行了研究，[63]结果表明当锈蚀率大于12%时，钢筋将呈现脆性断裂；Y.G.Du对钢筋的种类与直径对锈后钢筋力学性能的影响进行了探讨；袁迎曙[64]分析比较了人工气候与恒电流通电两种锈蚀环境下钢筋各项力学性能指标的变化，发现两种环境引起的钢筋表面锈蚀特征、锈蚀钢筋[65][66]名义强度和延伸率均有明显的差异；范颖芳与安琳则针对锈蚀钢筋蚀坑几何参数对钢筋力学性能的影响进行了探索。Zhang [67]Weiping对锈蚀钢筋的静载和动载性能进行了系统研究，与静力性能相比，锈蚀对钢筋疲劳性能影响更为显著。
国内外学者针对金属类材料的弹塑性本构关系开展了一系列研究，涵盖应力状态、应变状态、应力—应变关系和破坏机理等方面的内容，其中应力—应变关系（即本构模型）的建立是研究的重点。为完整描述弹塑性反应，除需确定描述弹性状态的物性参数外，还需确定材料进入塑性状态后的新参数与有关判据，如屈服极限与屈服准则、强化参数与强化法则、加载准则与流动法则等。其本构模型应当包含弹性阶段、屈服阶段与强化阶段等不同情况下的数学表达式，常见的本构模型包括：① 理想弹性—塑性模型；② 弹性—线性强化模型；③ 弹性—幂次强化模型；④ Ramberg—Osgood 模型等。[68]Man-Soo通过试验与有限元分析，给出了获取大应变条件下钢筋拉伸真实应力—应变曲线的方法，重点探讨了颈缩之后数据的形成。[69]Kim针对经典Ramberg-Osgood本构模型在硬化阶段误差较大的问题，对其进行解析，推导出适合于不锈钢的应力—应变全曲线方程，但该方程是一个关于应力σ的隐式方程，不便于应用。[70]K.Abdella则在Kim全曲线方程的基础上，将其表达为应力σ的显式方程，并与试验数据进行对比，结果表明该模型与实测数据非常符合。[71]K.Abdella在上述显式方程的基础上引入温度影响系数，给出了不[72]锈钢受高温时的应力—应变全曲线方程。张伟平从三种途径获取共267根锈蚀钢筋试件（156根试验室外加电流锈蚀钢筋试件，35根大气环境自然裸露锈蚀钢筋试件，76根实际工程老构件中锈蚀钢筋试件），通过拉伸试验，研究了锈蚀钢筋力学性能变化规律。指出随着锈蚀的发展，钢筋屈服强度、极限强度、极限应变均发生退化，屈服平台缩短直至消失。同时收集国内外已有锈蚀钢筋力学性能试验数据，建立了相应的数据库，经过统计、分析、比较后，得出了锈蚀钢筋弹性模量、屈服强度、极限强度、极限应变等力学性能特征值的回归公式和屈服平台消失时的临界截面锈蚀率。最后建立了不同环境条件下内蕴锈蚀质量损失率参数的钢筋应力—应变关系数学模型。吴[73]庆通过对模拟人工气候环境和恒电流加速锈蚀的钢筋混凝土构件破型，将所得的56根锈蚀钢筋进行拉伸试验，研究表明随着锈蚀程度的增加，应力—应变曲线将发生明显变化，钢筋的屈服点和应力峰值降低且对应的应变减小，屈服平台逐渐变短，极限延伸率减小，颈缩现象变得越不明显，并建立了与锈蚀率相关的钢筋本构关系模[74]型。汪训流基于Esmaeily-Xiao模型，分别引入钢筋的屈服点、硬化起点、应力峰值点等指标，建立了较为通用的钢筋本构关系模型。1.3本书内容体系
本书共分为以下5个章节，各章标题及主要研究内容如下。1.3.1 绪论
第1章从混凝土结构所处的不同环境入手，系统阐述了混凝土结构所受的各类耐久性损伤，并阐明了耐久性损伤引起的本构模型变化对于工程结构分析的重要性，最后对国内外研究现状进行了综述。1.3.2 碱硅酸反应（ASR）混凝土的损伤及其本构模型
第2章围绕混凝土ASR膨胀这一中心问题，系统开展了ASR膨胀及ASR混凝土单轴受压状态下应力—应变关系的试验研究和数值模拟，具体内容包括：
① 混凝土ASR膨胀是一个化学和力学共同作用的过程，应当同时考虑化学反应和凝胶的物理膨胀在整个过程中的作用，从这个角度出发，将模型研究的重点定位于碱硅凝胶的产量和凝胶的物理膨胀。从ASR膨胀的化学机理和膨胀机理出发，抓住ASR破坏的三个主要过程，结合文献分析，对复杂的ASR机理进行简化处理、合理归纳，使其适合本文的研究思路；基于有效碱研究现状，对其定义进行改进，使其更准确，更便于在计算模拟中应用；基于此，采用Fick第二定律和固相反应理论，可以建立反应物消耗量和碱硅凝胶产量的关系，这是化学反应过程计算模型的关键所在。充分考虑凝胶膨胀导致基体砂浆中产生的裂缝，将混凝土材料视为由骨料、裂缝区域和外围砂浆区域组成的三相复合材料，通过砂浆区域的抗拉强度和混凝土破坏准则，可以分别用弹性理论和弹塑性理论对此复合球问题进行求解。
② 开展ASR膨胀试验研究，研究粗骨料粒径对ASR膨胀的影响；为了定性表征ASR混凝土的损伤，以膨胀率为指标，衡量混凝土弹性模量和强度的变化趋势。采用SEM/EDS对骨料内部有效碱的分布进行测试，测试结果可用于对化学模型所做假设条件的合理性进行验证；基于ASR膨胀的试验研究，对本文提出的ASR膨胀模型的适用性进行验证。
③ 基于3个不同的强度等级，研究ASR混凝土的应力—应变全曲线；为了直观反映ASR对混凝土造成的损伤，采用动弹性模量作为衡量ASR损伤的指标；通过对比溶蚀侵蚀下混凝土的本构关系，研究损伤路径对混凝土损伤的影响；通过对试验数据的对比分析，建立ASR混凝土的本构方程及其参数拟合方程，考虑到贴近实际应用，选取28d立方体抗压强度和膨胀率这两个工程中容易获得的参数作为本构方程的主要参数。
④ 将混凝土视为由骨料、过渡区（Interfacial Transition Zone，简称ITZ）、砂浆组成的三相复合材料，建立二维圆形骨料的随机分布模型，从ASR膨胀角度出发，研究ASR对混凝土各组分材料性能的影响，并通过有限元法模拟ASR混凝土单轴受压状态下的应力—应变全曲线。模型计算的关键是ASR混凝土组分材料参数的确定，由于ASR混凝土的特殊性，很难通过试验确定ASR不同阶段组分的材料参数。本文以试验超声波传播速度为基础，建立混凝土弹性模量与ASR膨胀的关系，获取ASR不同膨胀率对应的混凝土弹性模量，并以此为参数，采用三相复合球模型进行反演计算，最终确定ASR混凝土不同膨胀率对应的砂浆和ITZ的力学参数，以用于对ASR混凝土应力—应变关系的数值进行模拟。1.3.3 溶蚀混凝土的损伤及其本构模型
第3章围绕溶蚀混凝土材料的力学特性，开展了大量溶蚀混凝土的损伤表征、微观结构分析、单轴与三轴受压本构关系及细观力学试验研究，具体内容包括：
① 研究采用加速溶蚀试验方法，研究水泥基材料中钙离子溶出的经时变化规律；采用宏观和微观表征方法表征水泥基材料的溶蚀过程，找出溶蚀过程中与钙离子迁移相关的表征参数。最终确定无损水泥基材料本构方程中的损伤参数。
② 采用宏观、微观的分析手段，研究溶蚀侵蚀对水泥基材料结构、组成的影响，分析水泥基材料的溶蚀机理。
③ 将孔隙溶液中钙离子浓度作为研究水泥基材料溶蚀损伤的关键指标。采用数值模拟的方法，研究溶蚀过程（不均匀溶蚀、均匀溶蚀）水泥基材料孔隙溶液中钙离子浓度随时间、位置的变化情况。
④ 在溶蚀侵蚀环境下，水泥基材料性能的劣化并不是某一种因素作用的结果，而是在溶蚀损伤、力学损伤、弹塑性变形等多种因素共同作用下产生的。研究建立了溶蚀—荷载耦合作用下水泥基材料的弹塑性损伤耦合模型。
⑤ 对均匀溶蚀水泥基材料进行细观力学试验，根据Mazars损伤模型，结合细观力学性能及孔隙溶液pH值变化，建立了溶蚀损伤水泥基材料单轴受压损伤本构方程。1.3.4 硫酸盐侵蚀混凝土的损伤及其本构模型
第4章围绕硫酸盐侵蚀作用后混凝土材料的力学特性，开展了硫酸盐侵蚀混凝土评价指标、微结构力学性能演化规律和应力—应变曲线特征等的研究，具体内容包括：
① 应用粗糙集理论中的知识约简方法，对常用的膨胀率、质量变化率、超声波波速、回弹值和侵蚀深度等评价指标的重要性进行分析，依次按重要性系数的大小进行对比，选取合适的评价指标。然后从重要性分析结果中提出决策规则，挖掘各个评价指标之间的相关性和组合关系，以对硫酸盐侵蚀混凝土损伤程度进行综合评价。最后对所得到的决策规则进行泛化处理，将得到的结论应用于受侵蚀混凝土损伤程度的预测及评价。
② 针对目前硫酸盐侵蚀的试验制度无法统一的现状，认为以侵蚀时间或干湿循环周期研究水泥基材料的抗硫酸盐侵蚀性能存在不足。本质上，无论什么情况下的硫酸盐侵蚀，造成的结果就是对水泥基材料的损伤，应该定义一个合适的损伤度研究水泥基材料的抗硫酸盐侵蚀性能和各个损伤度下的承载力、变形和耐久性等。根据粗糙集理论对各个评价指标重要性分析的结果，并结合该指标的测量难易程度、检测手段（无损或半破损等）和适应性及与强度衰减相关联程度等方面的考虑，定义超声波波速相对变化率为损伤度。将该参数描述的损伤度贯穿于全文，研究不同损伤度下的受侵蚀混凝土的本构关系。
③ 开展普通混凝土和高强混凝土受硫酸盐侵蚀后的应力—应变全曲线试验研究；通过对比碱骨料反应和溶蚀后混凝土的本构关系，研究损伤路径对混凝土损伤的影响；为了解决不同损伤路径可能造成相同或者相近的应力—应变全曲线，即相同的图像化本构关系问题，利用所定义的损伤度这个无量纲单位，并结合实际工程常用的混凝土强度等级标准值，通过最小二乘法，建立含有上述两个参数的本构方程，更有利于实际工程应用和解决存在的问题。
④ 根据扰动状态理论模拟工程材料本构关系的方法，首先分析两种扰动状态模型对硫酸盐侵蚀本构关系的影响，选取恰当的且参数易于测定的两种状态模型；在应变为参数的扰动函数基础上，利用超声波对裂缝扩展的敏感性，建立以超声波波速为参数的扰动函数演化方程，构建扰动状态下的、实用性的硫酸盐侵蚀混凝土的本构关系；最后将所得到的方程进行验证。
⑤ 将硫酸盐侵蚀后的混凝土视为骨料、侵蚀的界面过渡区与砂浆及未侵蚀的界面过渡区与砂浆的多相复合材料，结合硫酸根离子浓度区域分布特征和XCT扫描结果，对硫酸盐侵蚀混凝土进行分区，体现硫酸盐侵蚀的非均匀性；通过纳米压痕和显微硬度测试微结构力学性能随硫酸盐侵蚀损伤度的演化规律，建立受侵蚀界面过渡区相和砂浆相之间相关力学性能之间的关系；从定义的损伤度出发，应用所建立的硫酸盐侵蚀后各相材料之间的力学性能关系及对泊松比等参数的影响，采用多相复合球模型进行反演计算确定分区后砂浆和界面过渡区的弹性模量和强度等参数，选取合适的细观结构的损伤本构方程，对硫酸盐侵蚀混凝土进行受压本构关系进行数值模拟，通过细观结构演化分析其受压损伤破坏的机理和特点。1.3.5 不同腐蚀条件下混凝土内钢筋的锈蚀特征及其本构模型
第5章围绕不同腐蚀条件下混凝土中钢筋不均匀锈蚀特性的科学表征及其本构关系这一中心问题，开展了钢筋不均匀锈蚀性状、表征方法及宏细观本构模型的研究，具体内容包括：
① 将钢筋的锈蚀作为一个具有时变性、非线性、随机性和自相似性的复杂系统，采用体视学与分形理论表征锈蚀钢筋的蚀坑平面形态，采用粗糙度技术与时间序列方法表征与预测钢筋蚀坑深度，通过对钢筋表面腐蚀形貌图像和蚀坑分布曲线的解析，探讨不同表征方法的可行性，并提出一种兼顾钢筋不均匀锈蚀损伤细观特征描述和宏观力学分析所需要的锈蚀损伤变量。
② 在前述钢筋锈蚀表征方法的研究基础上，考虑氯盐、杂散电流与碳化三种环境因素及其与拉应力耦合对钢筋的锈蚀作用。利用AB值参数揭示钢筋锈蚀形貌的差异，研究钢筋锈蚀形貌多重分形特征值与试样腐蚀形态间的关系；基于数理统计方法揭示蚀坑的分布与演变规律，并对锈蚀钢筋表面粗糙度进行解析。通过现代测试手段，对不同锈蚀特征钢筋的宏观与微观断口进行分析。最后对不同腐蚀条件下钢筋的特征锈蚀参数进行对比分析，并进行机理分析。
③ 通过有限元模拟探讨不同锈蚀特征对钢筋力学性能的影响，结合实测数据重点研究锈蚀对钢筋弹性模量、屈服强度、强化规律等的影响，建立内蕴锈蚀损伤变量的锈蚀钢筋宏观本构模型。
④ 在详细阐述含孔洞材料细观损伤模型的基础上，将其引入锈蚀钢筋拉伸过程的有限元数值模拟，结合实测数据探寻模型参数与锈蚀损伤变量之间的关系，研究数值分析方法模拟锈蚀钢筋拉伸损伤失效过程的系统性、深入性与普适性。第2章碱硅酸反应（ASR）混凝土的损伤及其本构模型
本章的研究内容主要包括两大部分：混凝土ASR膨胀的试验研究和数值计算，以及ASR混凝土单轴受压本构关系的试验研究和数值计算。首先， ASR膨胀的数值计算模型主要由两部分构成，即基于扩散或固相反应理论的ASR化学反应过程计算模型和基于弹性理论或弹塑性理论的凝胶膨胀过程计算模型，模型建立的关键是凝胶产量的确定和开裂区半径的求解。其次， ASR膨胀的试验研究主要包括粗骨料粒径对混凝土ASR膨胀的影响，ASR膨胀对混凝土力学性能的影响，以及通过试验数据对模型计算有效性的验证。第三，ASR混凝土单轴受压本构关系试验中，主要研究了ASR对不同强度等级混凝土单轴受压应力—应变全曲线的影响，并通过弹性模量衰减衡量了ASR对混凝土造成的损伤。在此基础之上，通过拟合，提出了ASR混凝土单轴受压的本构方程。最后，建立混凝土二维细观结构模型，从ASR膨胀率出发，建立弹性模量与ASR膨胀率的关系，通过三球复合模型的反演计算，获取细观单元的材料参数，采用有限单元法完成对ASR混凝土应力—应变关系的数值模拟。2.1有效碱及ASR化学反应过程计算模型
混凝土的ASR是一个复杂的化学与力学耦合过程，单独的化学描述或单独的力学描述都很难准确地反映ASR膨胀的真实特性。因此，要想对混凝土ASR膨胀进行准确的数值分析，就必须对ASR的化学过程和膨胀过程都有较为准确、合理的认识与描述。为了实现这一目标，则需要根据混凝土材料自身的组成结构特点，从ASR化学反应过程和膨胀过程的机理出发，利用适用于各个阶段的数学模型和力学模型，合理地描述化学反应过程和力学膨胀过程，以及最终的宏观膨胀。基于这一思想，本节从混凝土材料的多孔特性入手，首先介绍了混凝土材料中的迁移与扩散特点，并对现有的ASR化学反应机理和膨胀机理进行探讨分析，提出数值分析混凝土ASR的核心是碱硅凝胶的产量，而碱硅凝胶产量研究的关键是活性骨料和有效碱的消耗；接着对影响ASR扩散过程的关键参数——有效碱进行重新定义；在此基础之上，分别基于扩散理论和固相反应理论建立了ASR的化学模型。2.1.1 混凝土ASR机理的提出2.1.1.1 混凝土材料中的迁移与扩散
材料的各种性能与其内部结构之间有着密切的依存关系，材料内部组成和结构的不同往往会导致材料表现出不同的性能，适当改变材料的组成结构可以对材料进行改性，可以说现代材料科学的核心就是结构与性能的关系。混凝土材料也是如此，在研究混凝土材料的各种性能（如强度、耐久性、收缩、徐变、膨胀等）时也必须从混凝土内[75]部结构来认识其内在因素和变化规律。混凝土ASR是一个复杂的化学—力学耦合过程，反应过程中的水分迁移、碱的扩散过程、产物碱硅凝胶的膨胀都与混凝土内部微观结构存在着密切关系，因此需要首先对混凝土材料的微观结构有所认识。[76]
Bear曾给出了多孔材料比较完善的定义：多孔介质材料是含有固相的多相体系，其他相可以是液相或者气相，固相部分称为固体骨架，其他部分成为空隙；固相遍布整个多孔材料体系，具有较大的比表面积；而空隙中的许多孔洞则是相互连通的。对于三相体系的多孔介质材料体系的示意图如图2.1所示，体系中的三相各不相同。
混凝土作为一种复合材料，其内部结构十分复杂，具有高度不均匀性；混凝土通常是气相、液相、固相三者兼有的复合材料。其基本结构由固相（粗、细骨料及水泥水化产物）、液相（孔溶液）和气相（空气或气体混合物）组成，参见图2.2。显然，混凝土材料也是一种典型的多孔材料。从宏观来看，可将混凝土视为由骨料颗粒分散在水泥浆基体中所组成的两相材料。通过微观测试，则显示出混凝土内部结构的复杂性，不仅属于固相的骨料和水泥浆体是不均匀随机分布的，还存在着毛细管、孔隙及其中所含的水和气体以及微裂缝等内在缺陷，这些组分的存在对混凝土的性能均起着不可忽视的作用。而在硬化混凝土的结构中，水泥浆体与骨料结合的界面还存在过渡区（ITZ），典型的ITZ厚度范围在10～50μm之间，与水化水泥浆体、骨[77]料三部分组成了硬化混凝土结构。图2.1 三相多孔材料示意图图2.2 混凝土组成结构示意图
混凝土是一种典型的多孔材料，孔隙则是这一体系的重要组成部分。作为混凝土的重要组成部分，水泥的水化所需要的水通常不超过水泥质量的20%，其余的水在硬化混凝土中形成孔隙，包括毛细孔和凝胶孔。其中的毛细孔是水分迁移的通道。这些迁移的水分中可能含有侵蚀性化合物，也可能溶解某些水泥水化产物，在温度低于零度时能在孔隙中结冰，可以说，在混凝土中迁移的水是对混凝土诸多破坏因素的载体。
从物理意义上来说，渗透性是在水压力下水通过材料的流动速度，水通过多孔材料的流动速度服从Darcy定律，混凝土的渗透性与渗透系数关系密切，渗透系数很大程度上取决于孔隙率，而除了孔隙率，水在孔隙中的流动畅通程度还取决于孔径的大小、孔的联通程度和孔隙的曲折程度，而作为混凝土耐久性影响最大单一因素的水灰比则是影响孔隙率的重要参数。硬化水泥浆体渗透系数与孔隙率的关系[78][79]和混凝土渗透系数与水灰比的关系示意图分别参见图2.3和图2.4所示。图2.3 硬化水泥浆体渗透性与孔隙率的关系图2.4 混凝土渗透性与水灰比的关系
大部分混凝土都含有毛细孔水，混凝土内部的湿度很大程度上决定着任何试图渗入混凝土的化学物质的状态和速度，化学迁移将毫无疑问地由孔溶液和化学物质的相互作用控制。例如硫酸盐由于化学侵蚀使混凝土损伤严重，碱由于和活性骨料的相互作用形成膨胀性的碱硅凝胶而使混凝土产生膨胀甚至开裂。
通常来说，化学腐蚀发生的关键是参与化学腐蚀的各种离子能够进入到混凝土内部，而化学离子在混凝土内部的存在通常有两种形式：一种情况是混凝土拌制时原材料的带入，例如氯盐侵蚀来源于拌合水和外加剂中含有的氯离子，而ASR中，碱可来自水泥熟料和外加剂的碱、活性骨料中的无定形的二氧化硅等；另一种情况是混凝土所处的环境中有腐蚀离子的存在，例如当混凝土服役结构处于海水环境、码头港口、除冰盐等环境中时，氯离子可逐渐侵入混凝土并最终造成对整体结构的损伤。对于ASR来说，可以较多地考虑第一种情况的影响，从骨料来说，碱活性岩石种类繁多（硅质石灰岩、流纹岩、安山岩、蛋白岩、凝灰岩等），分布广泛，且不易识别，重要的是很多大型工程所处位置的骨料本身即是具有碱活性的岩石，有研究表[80]明，骨料中含5%活性二氧化硅就足以产生严重的膨胀开裂；而作为现代混凝土重要组成部分的水泥和外加剂，由于生产原料和工艺的原因，其中也含有引发ASR的碱来源。当然，现在有很多活性骨料检测标准，这些标准为了快速测定骨料的活性与否，往往采用高温高碱溶液进行加速养护，在考虑这种情况时，外部环境的高碱浓度则是混凝土内部碱的重要来源。本文的所有试验基于快速养护试验制度，因此考虑的是外界养护环境中碱充足的情况。
外部环境的碱扩散进入混凝土还不足以引起ASR，当环境总的碱进入孔隙溶液后并与骨料中的活性二氧化硅反应才可发生ASR。显然，碱的传输过程在整个ASR破坏过程中尤为重要，但遗憾的是，目前关于碱传输方面的研究还比较少，在这方面可参考氯离子在混凝土中的传输过程。针对氯离子在混凝土中的传输，国内外开展了大量的研究，当混凝土结构暴露在有氯离子的环境中时，如海洋、码头、抛洒除冰盐的路桥，外部氯离子向混凝土保护层扩展，这一过程通常可用Fick第二定律进行描述，例如，美国曾对某停车场修理站进行了氯离子浓度测定，结果表明采用Fick第二定律描述的氯离子渗透过程与其实际[81]渗透过程非常吻合。2.1.1.2 混凝土ASR化学机理22
水泥中的碱NaO和KO在水泥水化的过程中，逐渐溶解于孔隙++溶液，并以离子的形态存在（Na+OH-, K+OH-），这些离子一般来说并不会参与水泥的水化并形成水化产物，而是在孔隙溶液中逐渐积累；而CaO在水泥水化过程中参与水化反应并形成C-S-H凝胶和22Ca（OH），相对来说C-S-H凝胶较为稳定，而Ca（OH）溶解在孔2++隙溶液中以离子状态存在（Ca+2OH-），但是高浓度的（Na+OH-）+2和（K+OH-）却阻碍了Ca（OH）的溶解。
硅酸盐晶体结构通常由很多个硅氧四面体在三维空间中规则排列4+而组成。硅氧四面体中心含有一个四价硅离子Si，四面体的四个角分别是一个氧离子；许多这样的四面体又通过顶角的氧离子相连接，每个氧离子为两个四面体所共有，即每个氧离子与两个硅离子相结合。实际上，二氧化硅晶体是由硅和氧按1∶2的比例所组成的立体网[82]2状结构的晶体。因此，通常用SiO来表示二氧化硅的组成。通常来说二氧化硅晶体是稳定无活性的，甚至可以不与大多数强酸和强碱反应。而无定形硅酸盐晶体则由多个硅氧四面体在三维空间排列构成，但是排列却是无序的。由于空间体的无序排列，因此晶体网格呈现开放式的网格结构，结构上存在着大量的缺陷和孔洞。这种弱结晶二氧化硅矿物处于热力学亚稳态，其相对开放、无序的结构和较大的内外比表面积，使水和水泥中的碱易于侵入而产生晶格破坏。当水存在时，硅表面的不饱和电荷在OH-的中和作用下发生水解，解聚过程可以表示为：
在解聚的过程中，硅氧四面体的所有键都参加反应，最终形成硅4烷醇Si（OH），在硅烷醇结构中，硅原子仍处于四面体的中心，而OH-则分别位于四面体的四个顶点。有学者指出，在NaOH存在的情+++况下，H会被Na取代，因为Na与氧的结合键能更强，更容易水++化。当体系中只有Na存在时，在二氧化硅表面硅烷醇与OH-和Na发生如下反应：2
SiO表面的OH-逐渐被消耗，如果此时又有额外的NaOH加入体2系，那么SiO内部的硅氧键将继续断裂。在碱性溶液中，由于OH-的2存在，SiO非常容易溶解，过量OH-通过化学吸附作用聚集于硅原子表面，将硅离子的配位数增加到大于4，从而降低了氧和硅的结合能[83]2力。由于无定形SiO结构中的缺陷，氧之间存在足够的空间容纳额2外的OH-，因此其内部的硅氧键逐渐失去稳定，导致SiO发生溶解并在骨料表面形成胶体。当溶液的pH值较高时，硅烷醇逐渐转化成多22种离子，从而导致SiO的持续溶解。在溶液中的SiO浓度不高的情况434下，出现多种硅酸盐单体共存的局面，包括Si（OH）、HSiO-、22HSiO-4，而各种单体的比例随pH值的变化而变化。当碱浓度较高2[84]22时，以HSiO-4为主。Dron通过试验研究SiO结构的溶解过程，结34果发现，当pH值降低到11.2时，HSiO-开始大量出现。溶液中的阳2+离子对凝胶的性质产生重要影响，当溶液中存在大量的Ca时，反应+2+式（2.2）中的Na将被Ca取代，凝胶此时将迅速转变成单独的C-S-2+H相，这种凝胶对结构是无害的；如果孔溶液中Ca含量低，而只有++K或者Na，那么反应按照式（2.1）进行，此时的凝胶表现出很大的黏性，在吸附大量的水之后将产生极大的膨胀。2.1.1.3 混凝土ASR膨胀机理[85,86][87]
针对混凝土ASR的膨胀机理，各国学者（Glasser, Power, [88][89][90,91][92,93][94][95]Han-sen, Prezzi, Chatterji, Dron，文梓芸, Tsuneki, [96]Shi）开展了大量的研究，其中比较具有代表性的包括吸水肿胀理论、渗透压理论、双电层理论。
吸水肿胀理论：其主要观点是ASR生成的凝胶具有高度亲水性，当水分存在时，这种凝胶可以通过吸收足够的水分而产生较高的压力导致混凝土的膨胀。
渗透压理论：该理论首先由Hansen提出。Hansen以蛋白石为活性原料，研究ASR机理。他认为活性骨料周围水泥水化产物起到半透++膜的作用，这层半透膜可以允许Na、OH-、K向骨料内部扩散，却阻碍了骨料内部离子向外的扩散，两侧的不对称扩散造成了渗透压，当渗透压作用足够大时，发生破坏。Glasser对此却有不同看法，他认为ASR膨胀破坏的现象归因于碱硅凝胶本身的物理化学现象，渗透压在ASR膨胀破坏的过程中基本不起作用。
双电层理论：双电层理论由Prezzi提出。她认为固体与液体接触时，固相的表面将不可避免地产生大量的电荷，因此界面处于充电状态。电荷的存在同时改变了固相和液相的性质。对于ASR来说，孔隙2溶液与表面带有大量电荷的活性骨料发生反应，反应促进了SiO的持续溶解，其溶解的速度主要取决于孔隙溶液的性质。在活性骨料表面+逐渐产生一个双电层，用于平衡骨料表面的负电荷。双电层由Na、+2+K、Ca和一些阴离子组成，但是双电层内处于电荷平衡状态。孔隙溶液中的各种硅酸盐离子的存在首先形成悬浮状的胶体系统，在形成的胶体系统中，如果双电层内平衡离子的价位越高或者离子浓度越高，那么形成双电层的厚度越小，当水存在时，其对水的排斥力也越小。ASTM C 1260试验表明，砂浆的膨胀与碱硅凝胶的组成关系密切。2eq2eq当碱硅凝胶中含有大量的NaO，且CaO/NaO保持较低时，砂浆的膨胀很大。2.1.1.4 本章模型机理描述
从2.1.1.1和2.1.1.2节可知，ASR化学及其膨胀的机理还无法准确描述清楚，现有的研究也存在着不同的观点。显然，机理的不同显著影响着对ASR膨胀的理论研究。现将各种理论的差异搁置，我们发现，虽然存在各种不同的观点，但是ASR膨胀破坏过程主要包含三个方面：
① 水、化学离子向活性骨料的扩散导致硅氧四面体结构解体；
② 碱硅凝胶的形成；
③ 凝胶的膨胀及混凝土的破坏。
就本章而言，旨在建立混凝土ASR膨胀的计算模型。显然，精确地模拟上述任何一个过程都有很大的难度，因此需要对整个过程的模拟进行简化处理。在不对ASR机理产生异议的前提下，我们将研究对象的重点定位于碱硅凝胶的产量和最终的膨胀。由2.1.1.3节可知，碱222硅凝胶的组成包括SiO、NaO和KO（以氧化物的形式表示），作为222反应物的SiO、NaO（或KO），如果知道它们在凝胶体系中的比例，且知道任意一种反应物的消耗量，那么根据质量守恒原理及反应平衡条件，就可以推测反应生成物凝胶的产量。基于这个思路，下文将以22碱硅凝胶的生成量为目标，将SiO和NaO的消耗量作为研究重点。
现对ASR整个膨胀过程简化处理为如下的过程：+[97]
① Na和OH-向活性骨料的扩散，导致Si-O键的断裂：Cong等++人的研究结果表明，在ASR过程中，Na和K表现出相似的性质，[98]KOH的反应速度比NaOH稍快；Hou XQ等人的试验也证实了此观++点。因此在本章中，我们认为Na和K的作用是等效的。
② 在钙离子的作用下，碱硅凝胶形成：形成的凝胶首先沉积于活性骨料周围ITZ的孔隙中，产生的膨胀力作用于周围浆体表面产生压力，如图2.5所示。碱的扩散是整个过程的关键步骤，控制着反应的快慢。+图2.5 Na向活性骨料的扩散2.1.2 混凝土ASR的有效碱2.1.2.1 有效碱的定义
作为ASR发生的必备三要素之一，碱含量是影响ASR及其引起的力学行为的重要参数之一。例如，试验室内为了实现加速试验，除了提高反应温度外，提高碱含量也是重要的手段。如ASTM C 1260中采
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