基於細觀尺度的鋼筋混凝土構件耐久性能數值模擬

《基於細觀尺度的鋼筋混凝土構件耐久性能數值模擬》是依託同濟大學，由陳艾榮擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於細觀尺度的鋼筋混凝土構件耐久性能數值模擬
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：陳艾榮
• 依託單位：同濟大學

中文摘要

鋼筋混凝土結構的耐久性數值模擬已經成為目前國內外的研究熱點，但絕大多數研究仍然建立在混凝土均質材料的假定基礎之上。這一尺度上的研究無法考慮骨料對混凝土耐久性退化過程的影響。為了將混凝土耐久性數值模擬研究從巨觀尺度往細觀尺度上發展，首先必須建立實用的隨機骨料模擬方法，並在此基礎上，構建考慮鋼筋的混凝土細觀模型。在細觀模型研究所提供的平台下，研究水分傳輸、氯離子傳輸、混凝土碳化、鹼-骨料反應等常見耐久性退化過程在細觀尺度上的發展過程和特點。定量描述骨料對這些過程的影響，並根據分析結果，對骨料級配、形態等參數提出最佳化意見。課題還將在細觀尺度上研究混凝土力學性能與耐久性能的耦合機理，為巨觀尺度上相應的耐久性設計理論提供依據。

結題摘要

長期以來，混凝土材料由於其低廉的造價被廣泛的套用在橋樑等基礎設施的建設當中，取得了良好的經濟效益。但其耐久性能的退化往往成為後期養護運營過程中亟待解決的問題之一。本項目在細觀尺度上開展針對鋼筋混凝土結構的耐久性數值模擬研究，內容涉及：（1）混凝土細觀模型的構建；（2）混凝土耐久性退化過程在細觀尺度上的表現；（3）混凝土力學性能與耐久性能在細觀尺度上的耦合關係。 首先，編寫了ParticleSimu程式，支持二維圓形、橢圓、多邊形、Bezier曲線和三維球形、橢球形、多面體、圓柱體、膠囊等多種骨料形狀，並可實現圓柱體和立方體混凝土試件的模擬。 其次，開展了細觀尺度上的水分傳輸研究。採用中子成像技術獲取水分含量的分布雲圖，明確骨料對水分傳輸路徑的扭曲效應以及由此造成的水分含量分布的空間變異性。研究結論對細觀尺度上的氯離子擴散和混凝土碳化研究有重要的借鑑意義。 再次，開展了細觀尺度上的氯離子擴散和混凝土碳化過程。將擴散鋒面和碳化鋒面的空間變異性轉化為一個安全係數，用以對平均擴散深度和碳化深度的修正。研究了骨料長寬比、形狀、級配、用量等關鍵參數對擴散鋒面和碳化鋒面空間變異性的影響。 然後，編寫了基於格構式方法的Lamfa程式用於模擬混凝土材料的開裂過程。推導了鋼筋鏽蝕的時變銹脹力模型並模擬了由此引發的混凝土開裂、保護層剝落等過程。研究了鋼筋直徑、鋼筋間距、鋼筋位置、骨料參數等對混凝土開裂過程和保護層損傷程度的影響。 最後，建立了開裂狀態下的氯離子擴散等退化過程的數值模擬方法。通過一套格線建立了用於物質傳輸模擬的實體單元和用於材料開裂模擬的格構單元。通過失效的格構單元修正其連線的實體單元的物質傳輸係數以體現混凝土損傷狀態對物質傳輸過程的影響。 通過研究，將目前的基於巨觀尺度的混凝土構件的耐久性數值模擬研究向細觀方向發展，並推動其在實際工程中的套用。