ECC混凝土自由收縮分析

摘要：利用有限元分析方法對ECC混凝土進行自由收縮分析，考慮尺寸和鋼筋參量對ECC強度的影響，分析結果表明：相同鋼筋摻量情況下，隨著混凝土強度增加，混凝土內部濕度越大，相同時間內濕度降低量最小；相同混凝土強度下，隨著鋼筋增量的增加，混凝土內部濕度越大，相同時間內濕度降低量最小。綜合來看，混凝土強度對混凝土濕度場影響大于鋼筋摻量。

關鍵詞：有限元ECC混凝土濕度強度

AnalysisofFreeShrinkageofECCConcrete

ZHANGYingjiaZHANGZhenya*WUZexu

SchoolofArchitectureandTransportationEngineering，NingboUniversityofTechnology，Ningbo，ZhejiangProvince，315211China

Abstract：Inthispaper，freeshrinkageanalysisofECCconcreteiscarriedoutbyFiniteElementAnalysismethod，theinfluenceofsizeandreinforcementparametersonECCstrengthareconsidered.Analysisresultsshow：Underthesameamountofsteelreinforcement，withtheincrease ofconcretestrength，thegreaterthehumidityinsidetheconcrete，thesmallesthumiditydecreaseinthesametime;Underthesameconcretestrength，withtheincreaseofsteelreinforcementincrement，theinternalhumidityofconcreteincreases，andthedecreaseinhumidityisthesmallestwithinthesametime.Onthewhole，theinfluenceofconcretestrengthontheconcretemoisturefieldisgreaterthanthatofsteelreinforcement.

KeyWords：FiniteElement;ECCconcrete;Humidity;Strength

混凝土是多孔復合材料，含有更多的水分，隨時間、空間的變化，水分不斷減少，從而會影響混凝土內部的孔隙度和濕度[1-3]。由于混凝土內外材料的擴散系數不同，導致在混凝土內部形成濕度變化梯度，其混凝土收縮變形與應力都是濕度梯度的直接影響結果[4-7]。混凝土濕度場是一個復雜且非線性瞬態場，直接想通過理論求解相當困難，所以常常借助數值求解[8-10]。

本文針對ECC混凝土自由收縮性能進行分析，分析模型是2000mm×60mm×20mm，通過改變鋼筋摻量與ECC強度，共計9個分析工況。本文主要研究的問題是混凝土濕度場分析與收縮變形行為。下面分別從建模過程及結果分析兩方面詳細介紹。

1有限元模型建立

1.1.1有限元網格

考慮原本結構與其邊界條件的對稱性，對ECC自由收縮分析模型采用軸對稱建模。圖1所示試件的有限元網格。

模型X方向為長度方向、Y方向為寬度方向、Z方向為高度方向，模型關于XZ平面、YZ平面對稱。結構有限元模型故此采用正六面體拓撲網格劃分，單元類型為六面體八節點，網格數目為15000。

1.1.2材料屬性

ECC彈性模量為40GPa，泊松比0.28。不同強度等級混凝土與鋼筋摻量的濕擴散系數如表1所示。

表中，h為濕度；C30_2%則表示ECC材料強度為C30，鋼筋摻量為2%，其他意義相同；表中濕擴散系數單位為1×10-6m2/d。

從表1可知，對不同的鋼筋摻量以及混凝土材料強度，其濕度的擴散系數則不同，可見濕度的擴散系數和濕度是正相關。在Abaqus軟件中，需要建立濕度傳導系數與溫度變化的函數，說明該材料屬性，如圖2所示。

1.1.3邊界條件

在求解時，首先建立2個邊界條件—位移邊界條件和濕度擴散界面邊界條件；外加初始的一個條件。

設置位移邊界條件：X方向、Y方向、Z方向都采用全約束邊界條件。

表面濕度擴散邊界條件假設環境濕度60%，其表面的擴散系數為32×10-3m/d。則試件的5個面能與空氣界面濕度交換，讓底面是絕對濕度邊界條件（假定其試件完全放置在底面上，完全與空氣隔絕）。Abaqus中設置界面如圖3所示。

初始條件設置為ECC混凝土的初始濕度為100%。

1.1.4求解設置

求解類型為熱-力耦合求解，采用瞬態求解格式。求解時長為30d。設置界面如圖4所示。

1.1ECC混凝土自由收縮分析結果

圖5所示結果為2000mm×60mm×20mm材料試件，強度為C30和鋼筋的摻量為3%在不同齡期的收縮位移的分布云圖。

由圖5可以看出，材料ECC混凝土的收縮變形主要沿著X方向，這可能是與X方向尺寸大于其他兩個方向的尺寸有關。例如：ECC強度等級為C40、C50以及鋼筋摻量為4%和5%時，其收縮規律基本相似，此處不再贅述。

圖6所示材料為C30強度、3%鋼筋摻量下試件尺寸2000mm×60mm×20mm不同齡期的濕度場分布云圖。

由圖6可以看出，材料ECC混凝土濕度場分布規律為：外表面的濕度和空氣濕度基本相同，另外濕度緩慢向內增大的變化規律；同時，沿著X的方向其濕度場分布比較均勻，在Y、Z的方向上濕度梯度比較凸顯；隨著齡期時間的逐漸增加，則ECC混凝土材料最大的濕度值緩慢降低，且濕度的變化速率有所下降。

為了方便理論分析材料ECC混凝土的濕度場隨時間變化規律，分別在模型內表面（點1）、中間層（點2）、外表面（點3）上設置三個觀測點，分析ECC混凝土內部濕度場隨育齡時間變化。

由圖7可知，混凝土外表面濕度最小，且隨時間變化量最大，隨著深度增加，混凝土濕度變化量逐漸降低，內表面濕度最大。伴隨時間逐漸增加，則混凝土的濕度改變速率緩慢降低。其他不同情況存在與之類似的規律。

為了對比分析不同鋼筋摻量、ECC強度對混凝土濕度場影響，圖8至圖11為不同條件下混凝土內部濕度變化規律對比圖。

2結論

• 相同鋼筋摻量情況下，隨著混凝土強度增加，混凝土內部濕度越大，相同時間內濕度降低量最小，
• 相同混凝土強度下，隨著鋼筋增量的增加，混凝土內部濕度越大，相同時間內濕度降低量最小，
• 綜合來看，混凝土強度對混凝土濕度場影響大于鋼筋摻量。

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