碱硅酸反应(Alkalisilicareaction，ASR)是混凝土耐久性研究中的一个重要课题。混凝土浇筑后，水泥、外加剂、矿物掺合料中的碱逐步释放到孔隙溶液中，并与骨料中的活性物质发生化学反应，生成碱硅凝胶，在水分充足的情况下，碱硅凝胶表现出极强的膨胀能力，在混凝土内部产生裂缝，严重时会导致混凝土开裂破坏。ASR对混凝土影响的宏观表现包括两个方面:(1)ASR引起的混凝土膨胀变形:试验研究表明，碱和骨料粒径是ASR膨胀的重要影响因素。但现有“有效碱”的定义忽略了“参与反应的碱”与“体系提供的碱”二者之间的差异，而由于试验原料和方法上的差异，骨料粒径对ASR膨胀的影响也尚无统一结论。在ASR膨胀的模型预测方面，人们在对ASR化学反应过程进行模型描述的同时，却忽略了凝胶膨胀导致的裂缝所引起的混凝土各组分内应力状态的变化，从而影响了对最终膨胀的准确预测。(2)ASR造成的混凝土力学性能衰减:试验研究表明，ASR对混凝土抗压强度、抗拉强度和弹性模量有重要的影响，但目前针对ASR混凝土本构关系的试验研究和模型研究却都很少。而单向应力状态下混凝土的应力-应变关系，是混凝土结构设计和复杂应力状态下混凝土应力分析的研究基础和重要参数。对于ASR混凝土来说，凝胶膨胀导致的裂缝会引起混凝土刚度和强度的降低，并最终影响到结构的稳定性。从上述两个方面看，继续开展ASR膨胀研究，以及ASR混凝土单轴应力状态下应力-应变关系的研究有着重要的意义。在ASR混凝土破坏的整个过程中，ASR膨胀是连接反应过程与宏观物理破坏的纽带，因此，本文将ASR膨胀作为论文研究的中心问题。　　 围绕混凝土ASR膨胀这一中心问题，本文系统开展了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。论文的研究内容、结论及创新性主要体现在以下几个方面:　　 (1)对有效碱定义的修正，并基于此提出ASR化学反应过程的计算模型。　　 在ASR膨胀计算的基本理论方面，通过对混凝土材料化学侵蚀的本质和研究方法的分析总结，明确了参与ASR的各种离子在砂浆及骨料内的迁移与扩散，是影响混凝土ASR的关键因素。混凝土是一种多孔材料，内部的离子扩散过程可采用扩散理论进行分析。混凝土ASR膨胀的核心过程可以概括为:水和各种化学离子向活性骨料的扩散及其引起的硅氧四面体结构解体，化学反应作用下碱硅凝胶的形成，和凝胶的吸水膨胀及其引起的混凝土变形。　　 在对有效碱定义的修正方面，对现有有效碱定义的缺陷进行了系统分析，指出传统的有效碱定义忽略了“参与反应的碱”和“体系为反应提供的碱”这两者之间的差异，将其定义为能够到达活性骨料，并与活性物质发生ASR的碱更为合理，并更方便其在ASR膨胀模拟计算中的应用。这些为混凝土ASR膨胀的数值模拟提供了理论依据。　　 在ASR化学反应过程的计算模型方面，以ASR化学过程中有效碱和活性SiO2的消耗为研究目标，分别基于Fick第二定律和固相反应理论对ASR的化学反应过程进行描述，获得ASR化学反应过程中有效碱和活性SiO2消耗量的表达式，并通过凝胶组分的Na2O/SiO2和摩尔体积将其转为凝胶的最终体积。通过对已发表文献的统计分析，确定凝胶Na2O/SiO2小于0.5，摩尔体积为21.5cm3/mol。　　 (2)结合ASR化学反应过程的计算模型，采用力学理论描述碱硅凝胶的物理膨胀过程，提出考虑裂缝存在的混凝土ASR膨胀变形的数值计算模型，具有创新性。开展混凝土ASR膨胀的试验研究，并对数值模型的准确性进行验证。　　 在ASR膨胀的数值模拟方面，认为膨胀的动力来源于反应生成的碱硅凝胶，凝胶的体积通过ASR化学反应过程的计算模型获得。提出由于凝胶膨胀引起的砂浆开裂在ASR膨胀过程中的作用不可忽视，并从复合材料力学的角度将混凝土看成由骨料、开裂区砂浆、未开裂砂浆组成的三相材料，混凝土ASR膨胀通过外圈未开裂砂浆的变形表示。在此基础上，建立了基于扩散和弹性力学的ASR膨胀模型，以及基于固相反应和弹塑性力学的ASR膨胀模型，模型的关键是开裂区砂浆半径的确定。　　 在ASR膨胀的试验研究方面，研究了粗骨料粒径对ASR膨胀的影响，并以膨胀率为衡量指标研究ASR对混凝土弹性模量、抗压强度和基体孔隙率的影响。结果表明，混凝土ASR膨胀随着粗骨料粒径的增加而降低;活性骨料粒径越小，在达到相同膨胀率时，ASR混凝土弹性模量和抗压强度的衰减越严重;活性骨料粒径越大，ASR对基体孔隙率的影响越小。ASR膨胀试验结果与计算结果的对比表明，基于扩散和弹性理论的膨胀计算模型，在20d龄期之前，可以很好的模拟ASR膨胀;而基于固相反应和弹塑性力学的膨胀计算结果与试验结果具有良好的相关性，可以更好的反应出ASR膨胀随龄期的变化。　　 (3)系统开展ASR混凝土单轴受压应力-应变全曲线的试验研究，并基于试验数据，建立了ASR混凝土单轴受压下的本构方程及其参数拟合方程，具有创新性;从混凝土ASR膨胀出发，建立基于细观力学的ASR混凝土单轴受压应力-应变关系的数值模型。　　 在ASR混凝土单轴受压试验研究方面，针对0.23、0.35和0.53三个水灰比的系列试验结果表明，ASR作用下混凝土的弹性模量逐渐衰减，峰值应力降低，峰值应变逐渐增大;当活性骨料粒径和掺量相同时，动弹性模量衰减程度随水灰比的降低而减小;当混凝水灰比相同，活性骨料掺量一致时，动弹性模量衰减程度随骨料粒径的增加而减小。结合课题组溶蚀试验研究数据，对比研究了损伤路径对混凝土损伤的影响，结果表明，不同初始强度的混凝土在各自服役环境中经过不同的损伤之后均达到相同的强度，此时这两种“受损混凝土”的性能并不一样，说明了本研究开展的必要性　　 在ASR混凝土单轴受压本构方程方面，基于过镇海模型和CEB/FIP模型，通过对混凝土峰值应力和峰值应变等参数的系统分析与拟合，建立了以28d立方体抗压强度和膨胀率为主要参数的ASR混凝土单轴受压本构方程及其参数拟合方程，方程拟合结果与试验结果及文献数据吻合良好。　　 在ASR混凝土单轴受压应力-应变全曲线的数值模拟方面，将混凝土视为由骨料、ITZ、砂浆组成的三相复合材料，建立圆形骨料二维随机分布模型，采用双折线本构模型描述细观单元的损伤过程。以试验数据为基础，从ASR膨胀对弹性模量的影响出发，建立混凝土弹性模量与ASR膨胀率的关系，获取ASR混凝土不同膨胀率对应的弹性模量，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，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。数值模拟获得的结果可以很好的反应混凝土在不同ASR阶段的应力-应变全曲线的特征。数值计算结果与试验结果具有一定的误差，但在允许范围之内。