混凝土凍融損傷的水熱力三場耦合研究

《混凝土凍融損傷的水熱力三場耦合研究》是依託浙江大學，由段安擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：混凝土凍融損傷的水熱力三場耦合研究
• 依託單位：浙江大學
• 項目負責人：段安
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

凍融破壞是當今世界混凝土結構劣化的最主要原因之一，開展混凝土凍融損傷的微觀機理研究，具有重大的實際意義。本項目將從新的視角探索混凝土凍融過程中的微觀動態發展，把混凝土視為一種多孔多相體系，結合理論分析、數值模擬和驗證試驗對混凝土凍融損傷的水熱力三場耦合作用進行深入研究。主要內容包括：探索混凝土內部孔隙水結冰規律和孔隙壓力成因；研究多孔體系內水、汽、熱遷移規律；分析凍融損傷下混凝土的非線性特徵；建立混凝土凍融損傷的水分場、溫度場、應力場三場真正耦合作用的理論框架；通過數值建模，實現混凝土凍融過程的三維彈塑性模擬，預測混凝土試件/構件/結構在凍融環境下混凝土內部的應力應變，溫度分布，孔隙壓力和裂縫開展。本項目旨在揭示混凝土凍融破壞微觀機理，並為寒冷地區混凝土工程的凍融耐久性設計、維護和修復等環節提供理論依據。

結題摘要

凍融破壞是當今世界混凝土結構劣化的最主要原因之一，混凝土凍融損傷的微觀機理研究則一直是該領域的研究難點。針對這一問題本項目開展了如下研究：1、分析了混凝土凍結過程和孔隙壓力成因，其中考慮了不同濃度下鹽溶液對冰點降低的影響；對於水分場，建立了多孔體系內水份遷移規律；對於溫度場，建立了考慮相變潛熱的熱量傳輸表達式；對於應力場，建立了多孔骨架的有效應力和孔隙平均壓力之間的關係；基於此，推導了混凝土凍融過程的水熱力三場耦合的微分控制方程；運用有限元法，實現了混凝土凍融過程的三維數值模擬，最後預測出混凝土試件在不同凍融環境下混凝土內部的應力應變，溫度分布和結冰量。2、為研究凍融循環作用下混凝土損傷演化的隨機特性，本項目進一步採用了機率的方法來研究混凝土凍融破壞過程。假設混凝土試件截面由無數個微單元組成，每個微單元的壽命滿足三參數威布爾分布；接著推導了離散及連續形式的凍融損傷演化的均值及方差表達式；最後開展相關凍融試驗對此隨機損傷模型的參數進行了標定。3、為進一步研究凍融損傷對混凝土構件性能的影響，本項目還開展了凍融環境下尺寸100mm×150mm×700mm的鋼筋混凝土梁抗彎性能試驗研究。試驗觀測了試驗梁表面剝落情況，記錄了質量損失與動彈模變化、並監測了混凝土應變、荷載—撓度曲線及極限承載力等。試驗結果表明，隨著凍融循環次數的增加，試驗梁表面逐步發生剝落，截面積減小，裂縫發展變快，受壓區高度明顯增大，割線剛度退化明顯，極限承載力下降。基於以上研究，項目共發表SCI論文4篇，EI論文3篇，取得實用新型專利1項，培養博士和碩士各1名。