混凝土材料湿热耦合变形研究进展

刘纯林,盛 凯,石司琴,陈德鹏

(1.安徽工业大学建筑工程学院,马鞍山 243002;2.安徽工业大学绿色建材研究所,马鞍山 243002)

混凝土材料湿热耦合变形研究进展

刘纯林1,2,盛 凯1,石司琴1,陈德鹏1,2

(1.安徽工业大学建筑工程学院,马鞍山 243002;2.安徽工业大学绿色建材研究所,马鞍山 243002)

文章从混凝土湿热变形、混凝土湿热耦合传输模型及混凝土湿热耦合模拟计算方法等方面进行回顾和总结,详尽分析了混凝土材料湿热耦合变形研究的现状和存在的问题。由于在生产建设与混凝土结构服役期内,混凝土材料与结构受到的季节或昼夜温湿度变化可以用周期性的环境温湿度变化来描述,混凝土变形开裂机理也应考虑“湿热应力疲劳效应”及其损伤演化进行研究。

混凝土; 湿热耦合变形; 传输模型; 数值模拟; 湿热应力疲劳效应

目前对混凝土结构耐久性的研究成果大多数是在材料方面取得的,主要包括混凝土的碳化、钢筋锈蚀、碱-骨料反应和冻融破坏等的研究,以及化学、物理、生化过程和环境侵蚀分析。随着水泥和混凝土工业的新发展,混凝土从浇筑开始产生的体积变化引起的开裂破坏是上述影响因素所不能概括的[1],实际上就是混凝土的体积变形(体积稳定性)问题。混凝土的体积变化难免会造成混凝土及其结构的变形开裂,使混凝土的渗透性大幅增加,使混凝土的碳化、化学侵蚀、钢筋锈蚀等耐久性能劣化过程更容易进行,对混凝土耐久性极为不利[2]。目前,“体积稳定性是影响混凝土耐久性的主要因素之一”的观念已经在混凝土研究领域引起了足够的重视。据统计,对于实际使用中的混凝土结构,混凝土收缩变形引起的裂缝占总裂缝的80%[3],混凝土材料自身的变形性能对于混凝土结构的变形开裂至关重要。分析各种收缩变形的产生原因不难发现,混凝土的多种变形都与水分损失、温度变化密切相关,是材料内部及表面温湿度状态的反映,主要原因在于环境或混凝土内部温湿度变化产生的内部应力。国际著名混凝土专家Bazant教授很早就曾明确指出混凝土收缩是一种湿热变形(hygrothermal deformation)[4]。而且,混凝土的温度变形和干湿变形通常是同时发生的,混凝土内部的温度场和湿度场也是相互影响、相互作用的[5]。可见,混凝土材料体积变形有其湿、热变化本质并存在耦合作用。

该文将从混凝土材料湿热耦合变形研究、混凝土湿热耦合变形数值模型及数值模拟计算方法等方面对混凝土湿热耦合变形的理论与数值模拟研究成果进行较为全面的分析与总结,并进一步探讨实际使用环境中混凝土结构材料湿热耦合变形研究中存在的问题及以后的研究思路,以期为混凝土材料体积变形、混凝土结构耐久性设计评估等相关后续研究提供参考。

1 混凝土湿热变形

在混凝土湿热传输及湿热耦合变形研究方面,相关研究主要见于混凝土发生火灾或受高温性能的科技文献[6-8],而对于正常使用温度下的湿热耦合效应研究报道不多,且很少有文献研究湿热传输之后深入到湿热应力及耦合变形的研究。Qin等[9]对多层建筑材料的湿热耦合传输进行了数值模拟。Grasberger和Meschke[10]对混凝土结构耐久性研究中,利用非饱和多孔介质力学原理,结合损伤模型和传湿机理对混凝土干缩、非等温传湿和开裂对干燥过程的影响进行了研究。以多孔介质湿热耦合作用的材料变形为直接目的的研究亦可见于非混凝土材料的相关工作,比如Nascimento等[11]假定固体收缩值等同于水蒸发的体积,而且整个湿热传输过程中热物参数及热、质迁移系数恒定,提出了三维瞬态材料模型,并利用有限体积法计算了陶瓷材料干燥过程的热湿迁移过程及收缩。国内关于混凝土湿热耦合传输及湿热应力的研究,除笔者的相关工作之外,主要见于刘光廷等的研究[12,13],他们对混凝土湿热扩散特性、等温传湿过程进行试验,并对湿热传导耦合分析及耦合计算中的参数拟合开展了研究。罗素蓉等[14]对高强高性能混凝土早期温湿度场随龄期发展的分布情况及混凝土的收缩进行了理论分析,并通过有编制限元程序分析了外界温湿度变化及不同养护条件下混凝土的温度应力和干燥收缩应力。唐春安等[15]对混凝土温湿耦合效应研究的综述认为:进行非均匀材料的温湿耦合研究更能有效反映混凝土中的温度和湿度变化规律,考虑混凝土温度和湿度随裂缝发展过程更能合理反映混凝土在环境变化中的温湿耦合特性。

以前对于混凝土材料与结构变形性能的研究与预测,多是开展不同因素对混凝土变形性能影响的实际试验,通过对试验结果分析及理论抽象,提出了一些理论模型或经验公式,通常并不能很好的在实际工程结构变形预测中有效应用。随着计算机技术和计算方法的发展,复杂的原理分析实际工程问题可以采用离散化的数值计算方法并借助计算机得到满意的解答。数值模拟技术是现代工程学形成和发展的重要动力之一,而具有巩固理论基础和广泛应用效力的有限元法是主要模拟手段。

2 混凝土湿热耦合传输模型

传输模型应该是湿扩散、热传导、以及湿热耦合传输等相关模型,目前对混凝土湿热耦合传输模型的研究不是很多,且很少有文献研究湿热传输之后深入到湿热应力及耦合变形的研究。研究者们相继对混凝土湿热扩散特性、等温传湿过程进行试验,并对湿热传导耦合分析及耦合计算中的参数拟合开展了研究。

混凝土中的湿扩散通常可根据Fick扩散定律进行描述[12,13,16]。陈德鹏等[17]根据水泥基材料的多孔介质特点和内部孔隙尺寸分布特征,结合多孔介质中的湿传输机理,认为水泥基材料的湿传输研究必须考虑Knudsen扩散的影响,并推导建立了Knudsen扩散影响系数的理论计算公式,通过Knudsen扩散影响系数修正Fick扩散模型中的湿扩散系数,仍然可以使用Fick扩散模型描述混凝土中的湿扩散。王珩等[18]采用PCI法吸水试验得到的吸水系数来代替湿扩散系数,对高强混凝土受火后湿扩散特性、高强混凝土湿扩散与火灾爆裂关系进行研究。

Fourier定律描述了导热热流与温度梯度之间的本构关系,是导热基本定律。混凝土可以看作固、液、气三相体系,和骨料相比,不同环境条件下(尤其是不同温度)水泥石的热传输变化更加复杂,在混凝土材料热传输变化中起主导作用。混凝土中的热传输不单单是一种物态物质能量的传输,其热量传递方式包括结构实体的导热及穿过微小孔隙的导热与对流(高温时还有辐射)。通常仍采用Fourier定律来描述混凝土中的热传输,但模型中的导热系数已经考虑了内部对流等的影响,称为表观导热系数(或名义导热系数)。唐世斌等[31]对混凝土热传导与热应力的细观特性及热开裂过程进行了研究,其结果表明,细观非均匀特性对混凝土导热性能的影响并不明显,但对其力学性能的影响作用却不能忽视,骨料颗粒对混凝土的热学和力学性能都有显著的影响作用;并且温度梯度引起的混凝土开裂位置、裂纹扩展方向以及扩展速率与热传导系数密切相关。

Grasberger和Meschke[10]对混凝土结构耐久性研究中,利用非饱和多孔介质力学原理,结合损伤模型和传湿机理对混凝土干缩、非等温传湿和开裂对干燥过程的影响进行了研究。Majorana[19]提出了考虑混凝土相对湿度与温度耦合变化的结构干缩应力的计算模式。Isgor等在研究混凝土结构中的碳化过程时,考虑了热、湿传递并建立了有限元模型[20]。陈德鹏等[21]根据混凝土的多孔介质特点和多孔介质湿热传输理论,在众多研究者相关研究的基础上建立了考虑混凝土内部混凝土内部存在热源(热汇)或湿源(湿汇)以及水分发生相变的混凝土湿热耦合传输模型,并提出了一种模拟计算混凝土湿热耦合变形的解析-有限元结合解法。高鹏等[22]从传热传湿的机理出发,结合水工混凝土特点,建立了以温度和含水量为基本变量,含内热源和内湿源的大坝混凝土湿热耦合传导模型,实现了基于交替变量的伽辽金(Galerkin)法的混凝土湿热传导耦合模型的有限元求解。该方法可用于大坝混凝土湿热耦合传导过程的仿真计算与分析,为混凝土坝采用保温保湿的方式来防止混凝土裂缝提供科学依据。陈德鹏[23]基于多物理场耦合的混凝土湿热变形进行了数值模拟,根据多物理场耦合作用和多孔介质湿热传输原理,建立了混凝土湿-热-力多物理场模型,并利用COMSOL数值仿真软件和提出的混凝土湿膨胀系数,在人机交互环境下,实现湿-热-力耦合数值求解;其中多物理场传输模型中包括湿扩散模型、热传输模型和力学平衡方程。

3 混凝土湿热耦合变形数值模拟计算方法

在湿热耦合数值模拟计算途径、方法等方面,Luikov是最先开始从理论和实验上详细研究多孔材料的热和湿传输过程的学者之一,众多科研工作者已经公认混凝土是一种典型的多孔介质,并对将多孔介质的传热传质原理应用于混凝土湿热耦合传输及变形等的数值模拟计算进行了探索[24,25]。国内外也已经有基于多孔介质传热传质原理对混凝土的湿热传输及变形进行研究的先例:Cerny和Rovnanikova[24]根据自身及其他建筑物理领域学者的相关研究实践,对混凝土中水、水蒸气、热量及化学物质等的传输原理、模型等进行较为系统的介绍,并对部分相关变量的现场测试方法,混凝土传输过程计算机模拟在混凝土结构设计、应用技术及耐久性的应用进行了简要介绍;以Bazant[25]、Gawin[26]、Meschke[10]等为代表的众多研究者对混凝土应力及变形的研究也都建立在多孔介质传热传质理论的基础上;刘光廷等[12,13]对混凝土温度场和湿度场的计算模拟研究也是基于混凝土的多孔介质特性而开展的。

陈德鹏等[27,28]对混凝土湿热耦合变形机理及数值模拟方法等进行理论研究与分析:基于多孔介质湿热传输理论,提出了模拟计算混凝土湿热耦合变形的解析-有限元结合法,该方法的计算过程包括“温湿度分布的解析法求解”、“湿度分布向湿度应力转换的公式计算”和“湿热耦合变形的有限元分析”三部分;通过混合编程自行编制开发了混凝土湿热耦合变形数值模拟计算程序软件(CTMSoft);对实际工程结构混凝土一年时间内的变形也进行了初步模拟分析,能够实现对一定环境温湿度条件下服役期混凝土湿热传输及耦合变形进行满足工程精度要求的数值模拟。

4 实际使用环境中温湿度变化的周期性特点及思考

混凝土结构建设及服役期间,总是要受到使用环境的温湿度变化的影响,对于工业与民用建筑还存在着室内外温湿度差异,使混凝土构件内外表面存在温湿度差,内部产生温湿度梯度,进而造成混凝土结构内部应力和变形开裂的产生,尤其是大体积、大面积(如机场跑道、路面和刚性防水屋面)和超长结构混凝土的变形开裂更易发生,对混凝土正常使用和耐久性影响很大。季节或昼夜温湿度变化可以用周期性的环境温湿度变化来描述[26],与非周期性作用相比,周期性温湿度变化对材料及结构作用效应发生了变化,变形开裂机理也将不同。

在周期性温湿度作用对混凝土材料湿热行为影响的研究方面,为数不多的研究工作多见于建筑物理领域。Andrade等[29]对自然和人工气候条件下混凝土内部相对湿度进行了一年的研究,结果表明昼夜温度循环、年(季节)温度循环、极端温度和雨季长短是影响混凝土湿热耦合行为的主要因素,并指出相对湿度不适宜表征循环气候条件下的混凝土湿含量。Gawin等[26]研究了不同环境条件下(包括太阳辐射和降雨)的混凝土材料的湿热耦合传输行为,并对湿热行为诱导的应力进行了数值模拟研究。国内关于周期性温湿度作用对混凝土材料湿热行为影响的研究,目前仅见于马文彬等[30]对自然气候条件下混凝土内部温湿度响应规律的研究,其结果表明,自然气候条件下混凝土内部的温湿度响应主要表现为滞后效应,内部温度受外部昼夜温度变化影响大,内部湿度受外部昼夜湿度变化影响小;自然气候年温、湿度变化比昼夜变化对混凝土内部温湿度影响更大。

为对实际温湿度变化环境中混凝土结构变形进行合理预测,对工程裂缝进行预防控制,进一步提高混凝土结构的安全性和耐久性,必须考虑混凝土结构实际使用环境中的温湿度类周期性变化特点,利用损伤力学原理研究周期性温湿度作用下的混凝土湿热耦合变形开裂机理;数值模拟中必须考虑混凝土的细观多孔介质特性和混凝土内部湿热传输的多物相性及其耦合作用效应。开展周期性温湿度变化作用下混凝土内部温湿度分布、湿热耦合变形计算的新方法及混凝土材料的湿热耦合变形开裂研究,建立混凝土材料温湿度应力-应变关系模型,揭示周期性温湿度作用下混凝土材料变形开裂机理,才能为解决大体积和大面积混凝土工程裂缝、增强结构耐久性提供理论支撑;对于实际混凝土工程结构服役期的变形开裂研究,还必须考虑温、湿度和使用荷载作用之间的相互影响及耦合作用,考虑湿-热-力耦合作用效应,才能对实际工程结构混凝土在服役期使用荷载及环境条件下变形开裂行为和作用机理进行分析。

5 结 语

综上所述,基于多孔介质传热传质理论对混凝土的传输、变形及耐久性能进行研究已经是目前混凝土研究的主要热点之一,但多集中在混凝土发生火灾或受高温性能的研究上,而对于正常使用温度下的混凝土湿热耦合效应研究报道不多,且极少有文献研究湿热传输之后深入到湿热应力及耦合变形的研究,国内外尚无周期性温湿度作用下混凝土湿热耦合变形开裂行为的试验及数值模拟计算的研究实践。对于周期性变化温湿度作用下混凝土湿热耦合变形研究,仍有很多重要的基础性和关键性的问题没有得到解决。因此,在进行混凝土湿热耦合变形研究时考虑周期性温度变化以及由此产生的湿热应力疲劳效应的影响是未来的发展趋势。

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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.

国家自然科学金项目(51108002)和安徽省高等学校省级自然科学研究重点项目(KJ2011A049).

刘纯林(1976-),讲师.E-mail:chunlinliu@163.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.05.009