細觀尺度上考慮熱濕耦合傳輸的混凝土碳化模型

細觀尺度上考慮熱濕耦合傳輸的混凝土碳化模型

《細觀尺度上考慮熱濕耦合傳輸的混凝土碳化模型》是依託同濟大學,由黃慶華擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

  • 中文名:細觀尺度上考慮熱濕耦合傳輸的混凝土碳化模型
  • 項目類別:青年科學基金項目
  • 項目負責人:黃慶華
  • 依託單位:同濟大學
中文摘要,結題摘要,

中文摘要

在細觀尺度上,按蒙特卡羅方法隨機生成骨料單元,採用Voronoi格線劃分水泥砂漿單元,用零厚度界面單元構建界面過渡區;結合三相複合板一維熱濕耦合傳導試驗和理論反演,確定界面過渡區的幾何物理特性表征;建立水泥砂漿、界面過渡區、骨料組成的多相複合材料在時變環境作用下內部溫濕度場的理論模型;引入Papadakis混凝土碳化基本理論框架,建立能考慮熱-濕-二氧化碳氣體耦合傳輸及碳化反應過程的理論模型和數值模擬系統;並用熱濕耦合傳輸試驗、時變人工環境作用下碳化試驗進行驗證;利用該模型探討熱濕耦合作用對混凝土碳化的影響。模型能從細觀層次上對巨觀現象作機理性分析,是全壽命設計的基礎理論;能更準確預測和評估一般大氣環境中時變溫度和濕度作用下的混凝土碳化深度,為設計經濟耐久的新建結構和正確評估既有結構耐久性能提供一個理論依據。

結題摘要

通過本項目研究,發表SCI論文2篇,國際會議論文3篇,培養碩士生1名,協助培養博士生1名(目前在美國科羅拉多聯合培養),參加國際學術會議2個(3人次),完成了課題任務。 混凝土孔隙中水分傳輸驅動力為液態水的毛細孔壓力梯度或氣態水的水蒸氣分壓梯度,課題基於氣液平衡的開爾文方程,建立孔隙中水分傳輸方程。假設每一種孔的孔隙率與孔半徑的關係均符合Rayleigh-Ritz模型,基於等溫吸附曲線預測混凝土的孔徑分布。由孔隙中水分傳輸方程及孔隙分布積分建立基於孔隙結構的混凝土水分傳輸方程,其中考慮了熱濕的耦合傳輸。進行了水分傳輸試驗驗證了模型的適用性。試驗和理論分析表明:在等溫乾燥過程中微裂縫對乾燥速率的影響較大;在濕潤條件下,大毛細孔的增多會導致濕潤前沿向內移動速度的增大。 基於二維上骨料的累計分布函式獲得各骨料顆粒粒徑,隨機投放橢圓形或多邊形骨料,採用Voronoi劃分方法對水泥砂漿相進行離散化,在Papadakis碳化理論基礎上建立細觀尺度上不考慮界面過渡區的混凝土碳化隨機模型。對1000個含有橢圓形或多邊形粗骨料的混凝土截面的骨料分布密度進行分析表明,骨料形狀對碳化深度平均值的影響並不是很明顯,而粗骨料的隨機分布對碳化深度的變異性有較大影響。 製作複合構造試件,其截面骨料面積保持恆定,變化骨料邊界長度,變化骨料表面粗糙度。對三種試件分別進行不碳化和碳化後的水蒸氣滲透試驗,試驗結果表明:滲透係數首先隨著截面骨料周長的增大而增大;隨後滲透係數隨著截面骨料周長的增大反而呈現下降的趨勢;光滑骨料試件的滲透係數較大。 在粗骨料和砂漿之間的創建無厚度的界面過渡區單元,認為CO2在界面過渡區單元沿著骨料表面的縱向方向和垂直於骨料或砂漿面的橫向方向傳輸介質,縱向方向的傳輸路徑為各ITZ單元的形心之間的連線,假定粗骨料為完全無孔隙固體只需考慮與相鄰砂漿單元的傳輸,從而在基於孔隙結構的混凝土傳輸和碳化隨機模型基礎上建立帶界面過渡區的混凝土碳化隨機模型。理論模型分析表明:碳化深度隨著ITZ與砂漿CO2擴散係數之比DITZ/DM的增大而增大;碳化深度隨著ITZ厚度增大而增大。

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