基于水化反应特性的混凝土材料性能演变宏细观机制

基于水化反应特性的混凝土材料性能演变宏细观机制

温度应力和温控防裂是大体积混凝土结构安全的关键问题。多数情况下,需要选择确定合适的、满足强度要求的材料配合比,并进行仿真计算分析,合理地安排大体积混凝土的施工进度并制定冷却方案以满足温控防裂要求。

由于常规计算分析简化了水化过程,在预测混凝土的热学和力学性态变化过程中会出现偏差,导致大体积混凝土在实际浇筑过程中仍然常常出现不可预料的裂缝,影响结构的安全耐久性和工作性能。因此,有必要考虑结构内部温度、水化热生成速率以及强度增长速率直接的联系,以一种更合理的方式模拟大体积混凝土结构的温度和应力发展特征。

目前,建立通用的混凝土水化反应的化学-热-力耦合模型是研究混凝土性能演变领域的热点。在前人工作的基础上,本文研究开发了一种新的化学-热-力耦合的混凝土水化度模型,并将该模型应用于有限元分析中。

论文对一系列不同水灰比混凝土试件的水化特性进行了数值分析,并与实验温度曲线进行对比,结果表明,本文的水化模型计算结果精度相对较高。本文借助蒙特卡洛方法生成随机多边形的细观网格,并在此基础上开展了细观有限元分析。

为了连接宏细观两个尺度的热学特性,并确定它们的差异,本文采用多尺度

框架的均匀方法进行参数研究;结合混凝土宏观实验结果,预测了不同体积分数

和骨料级配的混凝土试件细观热-化学耦合行为。结果表明,骨料的冷却效应、总体积分数以及级配组成在混凝土的化学物理演化过程中发挥了重要作用。

混凝土中粗集料的存在会引起水化程度的不均匀分布,导致温度梯度的产生,并减缓水泥强度的增长。特别是在骨料聚集的局部区域,上述现象尤为明显。

为深入了解实际大体积混凝土结构在施工过程中的热-力耦合现象,本文从

化学反应动力学的观点出发,对常规温度及应力计算模型与耦合模型进行了对比数值研究。在混凝土拱坝有限元分析中分别采用化学-热-力耦合模型和常规模型模拟了施工过程中坝体的温度场与应力场。

结果表明,采用常规方法和耦合方法计算的温度和应力场的结果均有较大差异。对比实际工程,化学-热-力学模型的预测结果与实际更相符。

结合混凝土细观力学的随机骨料模型,本文将混凝土性能演变模型引入到损伤特性研究中。试件材料计算参数采用混凝土水化度模型得到,该模型以混凝土内部化学反应程度作为中间变量,耦合了化学-热-力特性,可直观反映早龄期混凝土水化中材料性能的演变过程。

损伤特性的模拟采用水化度损伤模型,该模型的损伤参数可随混凝土内部化学反应发展程度变化。结果表明:不同试件因具有不同的细观结构,所得到的应力-应变关系曲线和试件损伤开裂状态存在一定差异;本文采用的水化度损伤模型能直观反映早龄期混凝土试件在单轴拉伸试验中微裂缝萌生、扩展直至贯通的全过程。

该模型可为早龄期混凝土结构的拉伸损伤断裂过程分析提供有力的数值分析工具。最后,从结构计算角度,本文采用有限元分析方法研究超硫酸化水泥在大体积混凝土结构中的适用性。

在本文计算模型基础上,结合超硫酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的水化热演化速率和水化的实验数据,研究了超硫酸盐水泥的水化特性。结果表明,从温度控制和裂缝预防的角度来看,超硫酸盐水泥更适合大体积混凝土结构。

本文的研究可从数值计算角度为材料设计提供参考。