文献精读
背景介绍
混凝土的动态特性由动态荷载作用下强度和变形的综合特性组成，其材料和结构受到各种复杂的意外荷载的影响，如地震、波浪、风、冰、车辆等，主要动态性能参数包括动态弹性模量、阻尼比、泊松比、基频等，其中，动弹性模量和阻尼比是最常用的参数。混凝土的动弹性模量越高，试件的脆性越大，抗裂性越差。混凝土的阻尼比是评价混凝土减振性能的关键参数，它对混凝土的动力响应、损伤和破坏特性有着重要的影响。因此，研究阻尼比对混凝土结构稳定性、安全性和可靠性的影响具有重要意义。一般来说，获得混凝土动态性能的测试方法分为两类：破坏性和非破坏性。破坏性方法通常基于破坏性试验，旨在确定混凝土的动态特性，主要关注弹性模量、压缩破坏应变、泊松比、阻尼率、应变率等。相反，用于识别混凝土动态特性的无损检测方法基于无损检测技术，如超声波、振动和脉冲，这些技术具有许多优点，例如非破坏性、实时执行、方便和高效。
研究出发点
研究表明，混凝土的动态特性与微观特性（即损伤和开裂）之间存在密切关系，动弹性模量和阻尼比的变化规律可以用来表征混凝土的性能演变。混凝土在动荷载作用下的微观特性具有随机性和不确定性，难以准确预测。因此，研究混凝土动力特性对混凝土结构安全可靠性的影响具有重要意义。
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中南大学Chen Ying课题组利用振动的方法研究了硫酸盐侵蚀混凝土的动态性能变化，包括动态弹性模量、泊松比、阻尼比和衰减系数，讨论了硫酸盐溶液浓度、侵蚀形式和龄期对混凝土动态性能的影响。提出了一种基于波形振幅包络曲线的混凝土阻尼比识别方法。相关论文以“Evolution of the dynamic properties of concrete in a sulfate environment”为题，于2020年发表在Construction and Building Materials上。
图文解析
（1）硫酸盐溶液浓度和侵蚀龄期对混凝土动弹性模量和泊松比的影响
当硫酸盐溶液浓度为5%时，硫酸盐侵蚀两个月后混凝土试样的动态弹性模量最大。其原因是硫酸盐离子侵入混凝土并与氢氧化钙（CH）等水化产物反应，产生大量具有膨胀性的钙矾石（AFt）和二水石膏（DG）。膨胀物质填充了一些孔隙和裂缝，增强了混凝土的密实度。因此，受到低浓度硫酸盐溶液侵蚀的混凝土的动弹性模量增加。随着硫酸盐溶液浓度的增加，混凝土表面与溶液之间的硫酸盐离子浓度梯度增大，逐渐有更多的硫酸盐离子侵入混凝土，生成膨胀性物质。一旦混凝土中的孔隙和裂缝不再容纳这些多余的膨胀物质，就会产生更大的拉应力，从而导致混凝土的损伤和微裂纹。此时，混凝土的Edl（纵向动弹性模量）和Edt（横向动弹性模量）随硫酸盐溶液浓度的增加而降低。与Edl相比，Edt的变化更为明显。硫酸盐对混凝土的损伤从表面向中心发展，因此混凝土表面微观结构和性能的变化比混凝土内部的变化更为显著。Edt和Edl分别沿混凝土表面和中心进行。一旦膨胀物质降低了混凝土的孔隙率并提高了混凝土的密实度，硫酸盐对混凝土的侵蚀就会产生积极的影响。相反，如果没有更多的内部空间容纳产生的膨胀物质，则硫酸盐侵蚀混凝土会产生负面影响。
图1 C20混凝土动弹性模量变化曲线
此外，随着硫酸盐溶液浓度的增加，受硫酸盐侵蚀的混凝土试样的泊松比先减小后增大，最终稳定，在相同的硫酸盐溶液浓度下，受硫酸盐侵蚀的混凝土泊松比随侵蚀龄期而减小。这些结果表明，硫酸盐侵蚀降低了混凝土的抗横向变形能力。
硫酸盐侵蚀下不同强度等级混凝土试件的相对动弹性模量变化规律相似，然而，相对动弹性模量的变化程度不同，与极值对应的硫酸盐浓度也不同。随着硫酸盐溶液浓度的增加，两个月内受硫酸盐侵蚀的混凝土泊松比先减小后增大。随着侵蚀龄期的增加，受硫酸盐侵蚀的C30混凝土的泊松比先减小，然后趋于恒定值。而C40的泊松比先增大后减小，这是由于不同强度等级混凝土的孔隙率和孔隙特性不同，硫酸盐侵蚀产生的膨胀物质对混凝土产生了积极或消极的影响。随着侵蚀龄期的增加，C20和C30混凝土在四个月时的泊松比趋于下降，且小于两个月时的泊松比。而C40混凝土的变化趋势正好相反，这可能是由于C40微观结构的更加致密，导致了硫酸盐侵蚀产生的膨胀物质具有积极作用。
图2 硫酸盐侵蚀下不同强度等级混凝土的相对动弹性模量
（2）硫酸盐侵蚀对混凝土阻尼比和衰减系数的影响
混凝土的阻尼能力可以用振幅衰减的包络曲线来表征，如图3所示，包络曲线的衰减率随硫酸盐溶液浓度的增加而增加。与未受硫酸盐侵蚀的混凝土（C30KB）相比，受硫酸盐溶液侵蚀的混凝土包络曲线的振幅衰减变化更加明显。特别是，对于硫酸盐溶液浓度为5%的混凝土试样，这种变化更为显著。硫酸盐溶液侵蚀混凝土的耗能能力增加。其原因可能是当混凝土受到硫酸盐侵蚀时，产生大量的微裂纹和界面。
图3 硫酸盐溶液浓度对C30混凝土Edl波形振幅衰减的影响
如图4所示，不同强度等级的混凝土（即C20、C30和C40）在四个月内受到饱和硫酸盐溶液侵蚀时，包络曲线振幅衰减的变化规律相似。然而，主要在衰减率及其范围上可以看出差异。随着混凝土强度等级的降低，包络曲线的振幅衰减变得更加明显，这是由于混凝土的性质及其抗硫酸盐侵蚀能力的差异造成的。随着混凝土强度等级的降低，硫酸盐侵蚀的混凝土容易产生更多的微裂缝、孔隙和损伤，混凝土的孔结构特征和接触点的摩擦力也会发生变化。因此，硫酸盐侵蚀混凝土的微观结构变得疏松，使得混凝土具有更大的耗能能力。
图4 饱和硫酸盐溶液侵蚀混凝土的振幅衰减包络曲线
在两个月的时间内，受硫酸盐侵蚀的混凝土的阻尼比随着硫酸盐溶液浓度的增加先增大后减小，其随混凝土强度等级的降低而增加，不同强度等级混凝土的阻尼比变化范围约为20–50%。随着硫酸盐溶液浓度的增加，混凝土强度等级越低，阻尼比增量越大。硫酸盐离子侵入混凝土并产生膨胀物质，导致混凝土损坏和裂缝。因此，微观结构变得松散，并产生许多摩擦界面。此外，许多微裂纹会扩展、闭合、滑动和延伸，这可能会导致额外的能量耗散。
图5 硫酸盐溶液浓度对混凝土阻尼比的影响
在图6中，C20混凝土的波形衰减系数随硫酸盐溶液浓度和侵蚀龄期的增加而增加。对于C30和C40混凝土，它先增大，然后减小。此外，波形的衰减系数随混凝土强度等级的增加而减小。随着侵蚀龄期和硫酸盐溶液浓度的增加，会产生额外的膨胀物质，混凝土的微观结构变得更疏松，因此，耗能能力增加。图6还表明，硫酸盐溶液浓度越高，侵蚀时间越长，对低强度等级混凝土波形衰减系数的影响越显著。混凝土强度等级越低，其抗硫酸盐侵蚀能力越差，出现的裂缝和界面越多。因此，混凝土的能量耗散能力和波形衰减系数增加。
图6 硫酸盐溶液浓度对混凝土波形衰减系数的影响
总结
（1）硫酸盐溶液浓度、侵蚀形式和侵蚀龄期对混凝土的泊松比和动弹性模量有显著影响。采用完全浸没形式，受硫酸盐侵蚀的混凝土的Edl和Edt首先随着硫酸盐溶液浓度的增加而增加，然后降低，最终稳定在一个恒定值。与Edl相比，硫酸盐溶液侵蚀混凝土的Edt变化更为明显。受硫酸盐侵蚀的C20混凝土在两个月和四个月期间的相对动弹性模量变化范围为−10%至20%。然而，C30和C40混凝土的相对动弹性模量的变化范围分别约为−15%至15%以及−2%至5%。
（2）混凝土的泊松比先减小后增大，最后趋于常数。C20、C30和C40混凝土动弹性模量最大值对应的硫酸盐溶液浓度分别为5%、5%和1%。
（3）混凝土动弹性模量的振动波形曲线可用余弦函数表示，提出了一种基于波形振幅衰减确定混凝土阻尼比的新方法。波形振幅衰减包络曲线的变化率随硫酸盐溶液浓度的增加和混凝土强度等级的降低而增加。混凝土波形的衰减系数随硫酸盐溶液浓度和侵蚀龄期的增加而增大，但随混凝土强度等级的增加而减小。此外，不同强度等级混凝土的阻尼比变化范围约为20至50%。
文献链接：
https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.118468
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