混凝土材料濕熱耦合變形研究進展

劉純林,盛 凱,石司琴,陳德鵬

(1.安徽工業大學建筑工程學院,馬鞍山 243002;2.安徽工業大學綠色建材研究所,馬鞍山 243002)

混凝土材料濕熱耦合變形研究進展

劉純林1,2,盛 凱1,石司琴1,陳德鵬1,2

(1.安徽工業大學建筑工程學院,馬鞍山 243002;2.安徽工業大學綠色建材研究所,馬鞍山 243002)

文章從混凝土濕熱變形、混凝土濕熱耦合傳輸模型及混凝土濕熱耦合模擬計算方法等方面進行回顧和總結,詳盡分析了混凝土材料濕熱耦合變形研究的現狀和存在的問題。由于在生產建設與混凝土結構服役期內,混凝土材料與結構受到的季節或晝夜溫濕度變化可以用周期性的環境溫濕度變化來描述,混凝土變形開裂機理也應考慮“濕熱應力疲勞效應”及其損傷演化進行研究。

混凝土; 濕熱耦合變形; 傳輸模型; 數值模擬; 濕熱應力疲勞效應

目前對混凝土結構耐久性的研究成果大多數是在材料方面取得的,主要包括混凝土的碳化、鋼筋銹蝕、堿-骨料反應和凍融破壞等的研究,以及化學、物理、生化過程和環境侵蝕分析。隨著水泥和混凝土工業的新發展,混凝土從澆筑開始產生的體積變化引起的開裂破壞是上述影響因素所不能概括的[1],實際上就是混凝土的體積變形(體積穩定性)問題。混凝土的體積變化難免會造成混凝土及其結構的變形開裂,使混凝土的滲透性大幅增加,使混凝土的碳化、化學侵蝕、鋼筋銹蝕等耐久性能劣化過程更容易進行,對混凝土耐久性極為不利[2]。目前,“體積穩定性是影響混凝土耐久性的主要因素之一”的觀念已經在混凝土研究領域引起了足夠的重視。據統計,對于實際使用中的混凝土結構,混凝土收縮變形引起的裂縫占總裂縫的80%[3],混凝土材料自身的變形性能對于混凝土結構的變形開裂至關重要。分析各種收縮變形的產生原因不難發現,混凝土的多種變形都與水分損失、溫度變化密切相關,是材料內部及表面溫濕度狀態的反映,主要原因在于環境或混凝土內部溫濕度變化產生的內部應力。國際著名混凝土專家Bazant教授很早就曾明確指出混凝土收縮是一種濕熱變形(hygrothermal deformation)[4]。而且,混凝土的溫度變形和干濕變形通常是同時發生的,混凝土內部的溫度場和濕度場也是相互影響、相互作用的[5]。可見,混凝土材料體積變形有其濕、熱變化本質并存在耦合作用。

該文將從混凝土材料濕熱耦合變形研究、混凝土濕熱耦合變形數值模型及數值模擬計算方法等方面對混凝土濕熱耦合變形的理論與數值模擬研究成果進行較為全面的分析與總結,并進一步探討實際使用環境中混凝土結構材料濕熱耦合變形研究中存在的問題及以后的研究思路,以期為混凝土材料體積變形、混凝土結構耐久性設計評估等相關后續研究提供參考。

1 混凝土濕熱變形

在混凝土濕熱傳輸及濕熱耦合變形研究方面,相關研究主要見于混凝土發生火災或受高溫性能的科技文獻[6-8],而對于正常使用溫度下的濕熱耦合效應研究報道不多,且很少有文獻研究濕熱傳輸之后深入到濕熱應力及耦合變形的研究。Qin等[9]對多層建筑材料的濕熱耦合傳輸進行了數值模擬。Grasberger和Meschke[10]對混凝土結構耐久性研究中,利用非飽和多孔介質力學原理,結合損傷模型和傳濕機理對混凝土干縮、非等溫傳濕和開裂對干燥過程的影響進行了研究。以多孔介質濕熱耦合作用的材料變形為直接目的的研究亦可見于非混凝土材料的相關工作,比如Nascimento等[11]假定固體收縮值等同于水蒸發的體積,而且整個濕熱傳輸過程中熱物參數及熱、質遷移系數恒定,提出了三維瞬態材料模型,并利用有限體積法計算了陶瓷材料干燥過程的熱濕遷移過程及收縮。國內關于混凝土濕熱耦合傳輸及濕熱應力的研究,除筆者的相關工作之外,主要見于劉光廷等的研究[12,13],他們對混凝土濕熱擴散特性、等溫傳濕過程進行試驗,并對濕熱傳導耦合分析及耦合計算中的參數擬合開展了研究。羅素蓉等[14]對高強高性能混凝土早期溫濕度場隨齡期發展的分布情況及混凝土的收縮進行了理論分析,并通過有編制限元程序分析了外界溫濕度變化及不同養護條件下混凝土的溫度應力和干燥收縮應力。唐春安等[15]對混凝土溫濕耦合效應研究的綜述認為:進行非均勻材料的溫濕耦合研究更能有效反映混凝土中的溫度和濕度變化規律,考慮混凝土溫度和濕度隨裂縫發展過程更能合理反映混凝土在環境變化中的溫濕耦合特性。

以前對于混凝土材料與結構變形性能的研究與預測,多是開展不同因素對混凝土變形性能影響的實際試驗,通過對試驗結果分析及理論抽象,提出了一些理論模型或經驗公式,通常并不能很好的在實際工程結構變形預測中有效應用。隨著計算機技術和計算方法的發展,復雜的原理分析實際工程問題可以采用離散化的數值計算方法并借助計算機得到滿意的解答。數值模擬技術是現代工程學形成和發展的重要動力之一,而具有鞏固理論基礎和廣泛應用效力的有限元法是主要模擬手段。

2 混凝土濕熱耦合傳輸模型

傳輸模型應該是濕擴散、熱傳導、以及濕熱耦合傳輸等相關模型,目前對混凝土濕熱耦合傳輸模型的研究不是很多,且很少有文獻研究濕熱傳輸之后深入到濕熱應力及耦合變形的研究。研究者們相繼對混凝土濕熱擴散特性、等溫傳濕過程進行試驗,并對濕熱傳導耦合分析及耦合計算中的參數擬合開展了研究。

混凝土中的濕擴散通常可根據Fick擴散定律進行描述[12,13,16]。陳德鵬等[17]根據水泥基材料的多孔介質特點和內部孔隙尺寸分布特征,結合多孔介質中的濕傳輸機理,認為水泥基材料的濕傳輸研究必須考慮Knudsen擴散的影響,并推導建立了Knudsen擴散影響系數的理論計算公式,通過Knudsen擴散影響系數修正Fick擴散模型中的濕擴散系數,仍然可以使用Fick擴散模型描述混凝土中的濕擴散。王珩等[18]采用PCI法吸水試驗得到的吸水系數來代替濕擴散系數,對高強混凝土受火后濕擴散特性、高強混凝土濕擴散與火災爆裂關系進行研究。

Fourier定律描述了導熱熱流與溫度梯度之間的本構關系,是導熱基本定律。混凝土可以看作固、液、氣三相體系,和骨料相比,不同環境條件下(尤其是不同溫度)水泥石的熱傳輸變化更加復雜,在混凝土材料熱傳輸變化中起主導作用。混凝土中的熱傳輸不單單是一種物態物質能量的傳輸,其熱量傳遞方式包括結構實體的導熱及穿過微小孔隙的導熱與對流(高溫時還有輻射)。通常仍采用Fourier定律來描述混凝土中的熱傳輸,但模型中的導熱系數已經考慮了內部對流等的影響,稱為表觀導熱系數(或名義導熱系數)。唐世斌等[31]對混凝土熱傳導與熱應力的細觀特性及熱開裂過程進行了研究,其結果表明,細觀非均勻特性對混凝土導熱性能的影響并不明顯,但對其力學性能的影響作用卻不能忽視,骨料顆粒對混凝土的熱學和力學性能都有顯著的影響作用;并且溫度梯度引起的混凝土開裂位置、裂紋擴展方向以及擴展速率與熱傳導系數密切相關。

Grasberger和Meschke[10]對混凝土結構耐久性研究中,利用非飽和多孔介質力學原理,結合損傷模型和傳濕機理對混凝土干縮、非等溫傳濕和開裂對干燥過程的影響進行了研究。Majorana[19]提出了考慮混凝土相對濕度與溫度耦合變化的結構干縮應力的計算模式。Isgor等在研究混凝土結構中的碳化過程時,考慮了熱、濕傳遞并建立了有限元模型[20]。陳德鵬等[21]根據混凝土的多孔介質特點和多孔介質濕熱傳輸理論,在眾多研究者相關研究的基礎上建立了考慮混凝土內部混凝土內部存在熱源(熱匯)或濕源(濕匯)以及水分發生相變的混凝土濕熱耦合傳輸模型,并提出了一種模擬計算混凝土濕熱耦合變形的解析-有限元結合解法。高鵬等[22]從傳熱傳濕的機理出發,結合水工混凝土特點,建立了以溫度和含水量為基本變量,含內熱源和內濕源的大壩混凝土濕熱耦合傳導模型,實現了基于交替變量的伽遼金(Galerkin)法的混凝土濕熱傳導耦合模型的有限元求解。該方法可用于大壩混凝土濕熱耦合傳導過程的仿真計算與分析,為混凝土壩采用保溫保濕的方式來防止混凝土裂縫提供科學依據。陳德鵬[23]基于多物理場耦合的混凝土濕熱變形進行了數值模擬,根據多物理場耦合作用和多孔介質濕熱傳輸原理,建立了混凝土濕-熱-力多物理場模型,并利用COMSOL數值仿真軟件和提出的混凝土濕膨脹系數,在人機交互環境下,實現濕-熱-力耦合數值求解;其中多物理場傳輸模型中包括濕擴散模型、熱傳輸模型和力學平衡方程。

3 混凝土濕熱耦合變形數值模擬計算方法

在濕熱耦合數值模擬計算途徑、方法等方面,Luikov是最先開始從理論和實驗上詳細研究多孔材料的熱和濕傳輸過程的學者之一,眾多科研工作者已經公認混凝土是一種典型的多孔介質,并對將多孔介質的傳熱傳質原理應用于混凝土濕熱耦合傳輸及變形等的數值模擬計算進行了探索[24,25]。國內外也已經有基于多孔介質傳熱傳質原理對混凝土的濕熱傳輸及變形進行研究的先例:Cerny和Rovnanikova[24]根據自身及其他建筑物理領域學者的相關研究實踐,對混凝土中水、水蒸氣、熱量及化學物質等的傳輸原理、模型等進行較為系統的介紹,并對部分相關變量的現場測試方法,混凝土傳輸過程計算機模擬在混凝土結構設計、應用技術及耐久性的應用進行了簡要介紹;以Bazant[25]、Gawin[26]、Meschke[10]等為代表的眾多研究者對混凝土應力及變形的研究也都建立在多孔介質傳熱傳質理論的基礎上;劉光廷等[12,13]對混凝土溫度場和濕度場的計算模擬研究也是基于混凝土的多孔介質特性而開展的。

陳德鵬等[27,28]對混凝土濕熱耦合變形機理及數值模擬方法等進行理論研究與分析:基于多孔介質濕熱傳輸理論,提出了模擬計算混凝土濕熱耦合變形的解析-有限元結合法,該方法的計算過程包括“溫濕度分布的解析法求解”、“濕度分布向濕度應力轉換的公式計算”和“濕熱耦合變形的有限元分析”三部分;通過混合編程自行編制開發了混凝土濕熱耦合變形數值模擬計算程序軟件(CTMSoft);對實際工程結構混凝土一年時間內的變形也進行了初步模擬分析,能夠實現對一定環境溫濕度條件下服役期混凝土濕熱傳輸及耦合變形進行滿足工程精度要求的數值模擬。

4 實際使用環境中溫濕度變化的周期性特點及思考

混凝土結構建設及服役期間,總是要受到使用環境的溫濕度變化的影響,對于工業與民用建筑還存在著室內外溫濕度差異,使混凝土構件內外表面存在溫濕度差,內部產生溫濕度梯度,進而造成混凝土結構內部應力和變形開裂的產生,尤其是大體積、大面積(如機場跑道、路面和剛性防水屋面)和超長結構混凝土的變形開裂更易發生,對混凝土正常使用和耐久性影響很大。季節或晝夜溫濕度變化可以用周期性的環境溫濕度變化來描述[26],與非周期性作用相比,周期性溫濕度變化對材料及結構作用效應發生了變化,變形開裂機理也將不同。

在周期性溫濕度作用對混凝土材料濕熱行為影響的研究方面,為數不多的研究工作多見于建筑物理領域。Andrade等[29]對自然和人工氣候條件下混凝土內部相對濕度進行了一年的研究,結果表明晝夜溫度循環、年(季節)溫度循環、極端溫度和雨季長短是影響混凝土濕熱耦合行為的主要因素,并指出相對濕度不適宜表征循環氣候條件下的混凝土濕含量。Gawin等[26]研究了不同環境條件下(包括太陽輻射和降雨)的混凝土材料的濕熱耦合傳輸行為,并對濕熱行為誘導的應力進行了數值模擬研究。國內關于周期性溫濕度作用對混凝土材料濕熱行為影響的研究,目前僅見于馬文彬等[30]對自然氣候條件下混凝土內部溫濕度響應規律的研究,其結果表明,自然氣候條件下混凝土內部的溫濕度響應主要表現為滯后效應,內部溫度受外部晝夜溫度變化影響大,內部濕度受外部晝夜濕度變化影響小;自然氣候年溫、濕度變化比晝夜變化對混凝土內部溫濕度影響更大。

為對實際溫濕度變化環境中混凝土結構變形進行合理預測,對工程裂縫進行預防控制,進一步提高混凝土結構的安全性和耐久性,必須考慮混凝土結構實際使用環境中的溫濕度類周期性變化特點,利用損傷力學原理研究周期性溫濕度作用下的混凝土濕熱耦合變形開裂機理;數值模擬中必須考慮混凝土的細觀多孔介質特性和混凝土內部濕熱傳輸的多物相性及其耦合作用效應。開展周期性溫濕度變化作用下混凝土內部溫濕度分布、濕熱耦合變形計算的新方法及混凝土材料的濕熱耦合變形開裂研究,建立混凝土材料溫濕度應力-應變關系模型,揭示周期性溫濕度作用下混凝土材料變形開裂機理,才能為解決大體積和大面積混凝土工程裂縫、增強結構耐久性提供理論支撐;對于實際混凝土工程結構服役期的變形開裂研究,還必須考慮溫、濕度和使用荷載作用之間的相互影響及耦合作用,考慮濕-熱-力耦合作用效應,才能對實際工程結構混凝土在服役期使用荷載及環境條件下變形開裂行為和作用機理進行分析。

5 結 語

綜上所述,基于多孔介質傳熱傳質理論對混凝土的傳輸、變形及耐久性能進行研究已經是目前混凝土研究的主要熱點之一,但多集中在混凝土發生火災或受高溫性能的研究上,而對于正常使用溫度下的混凝土濕熱耦合效應研究報道不多,且極少有文獻研究濕熱傳輸之后深入到濕熱應力及耦合變形的研究,國內外尚無周期性溫濕度作用下混凝土濕熱耦合變形開裂行為的試驗及數值模擬計算的研究實踐。對于周期性變化溫濕度作用下混凝土濕熱耦合變形研究,仍有很多重要的基礎性和關鍵性的問題沒有得到解決。因此,在進行混凝土濕熱耦合變形研究時考慮周期性溫度變化以及由此產生的濕熱應力疲勞效應的影響是未來的發展趨勢。

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Advances in Hygro-thermal Deformation of Concrete Material

LIU Chun-lin1,2,SHENG Kai1,SHI Si-qin1,CHEN De-peng1,2
(1.School of Civil Engineering,Anhui University of Technology,Maanshan 243002,China;
2.Institute of Building Materials,Anhui University of Technology,Maanshan 243002,China)

This paper conducts the review and summary about the concrete from the thermal and drying shrinkage deformation,the coupled heat and moisture transfer model and the coupling simulation method and other aspects, which detailed analysis of the situation on coupled heat and moisture deformation of concrete material and existing problems.Due to the production and construction and concrete structure in service period,seasonal or diurnal temperature-humidity changing of concrete materials and structures can be described by the periodically changing of temperature and humidity.Consideration should also be given to"fatigue effect of heat and moisture stress"when study the deformation evolution and the damage mechanism of concrete crack.

concrete; hygro-thermal deformation; transfer model; numerical simulation; fatigue effect of hygro-thermal stress

2014-06-26.

國家自然科學金項目(51108002)和安徽省高等學校省級自然科學研究重點項目(KJ2011A049).

劉純林(1976-),講師.E-mail:chunlinliu@163.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.05.009