环境应力与水分迁移耦合诱发RAC干缩变形数值模拟及机理研究

The dry shrinkage is one of the main reasons to lead to failure of the cement-based materials. In recent years, numerical simulation on microscopic process of concrete shrinkage has become a hot research because of the too long period of experiment and too many affect factors on shrinkage. Shrinkage deformation of recycled aggregate concrete (RAC) is further exacerbated by the presence of certain characteristics of recycled concrete aggregate (RCA), which makes it more difficult to study shrinkage mechanism of RAC, and also seriously affects the process of construction waste recycling. Based on the above, this project will make depth analysis of the RAC shrinkage theory through advanced testing technology and efficient computer simulation: (1) Based on laboratory experiments, establishing forecasting mathematical model of RAC dry shrinkage considering the influence coefficient of RCA, the project commonly used admixtures, admixture and doing mechanism analysis of RAC shrinkage. (2) Establishing "capillary bundle" physical model of RAC shrinkage in the use of pressure mercury vapor and computed tomography technology, and establishing RAC shrinkage mathematical model coupling induced by ambient stress and moisture migration based on pore structure and surface tension theory, and making validation and optimization according to forecasting mathematical model of RAC shrinkage.(3) Putting forward shrinkage stress - strain constitutive equation according to RAC shrinkage mathematical model, and achieving numerical simulation of micro process of RAC shrinkage through the second development on ABAQUS, and make the necessary experimental verification.

干缩是导致水泥基材料失效的最主要原因之一。由于干缩实验周期长、影响因素多，干缩微观过程数值模拟成为了近年来研究的一个热点。再生骨料某些特性的存在进一步加剧了再生骨料混凝土（RAC）的干缩变形，也使RAC干缩机理研究更加困难，严重影响了建筑废弃物资源化利用的进程。基于上述考虑，本课题拟通过先进测试技术及高效计算机模拟等研究手段深度探索RAC干缩理论：（1）基于室内实验提出综合考虑再生骨料、工程常用外加剂、掺合料效应的RAC干缩预测数学模型，并进行RAC干缩机理研究；（2）利用压汞仪结合计算机断层扫描技术建立"毛细管束"RAC干缩物理模型，基于水分迁移、孔结构和表面张力理论建立环境应力场与水分迁移场耦合诱发RAC干缩数学模型，并通过预测模型进行验证和优化；（3）根据所建RAC干缩模型，确定干缩应力-应变本构方程，对ABAQUS进行二次开发，实现RAC干缩微观过程数值模拟，并进行必要的实验验证。

本课题通过试验、有限元计算及理论分析，研究了再生骨料混凝土（RAC）在环境应力与水分迁移耦合诱导下的干燥收缩变形，并对骨料润湿性与混凝土干燥收缩变形之间的关系及水泥基材料微裂缝自愈合生物技术进行了探索研究。主要工作如下：1.研究了再生粗骨料取代率、粉煤灰掺量、膨胀剂掺量、再生骨料混凝土强度等级、环境应力等对RAC干燥收缩的影响。通过干缩试验数据回归拟合获得干缩数学模型相关参数，提出了RAC干燥收缩数学模型。计算的结果与试验值吻合度较高，验证了模型的有效性。2.利用改进了的Washburn动态法及课题组所提的毛细管束物理模型测算了不同配比RAC材料的润湿角，通过干缩试验分析了RAC材料的吸湿性能及其对干燥收缩的影响，研究表明，吸湿性能和润湿性能是影响RAC干缩性能主要因素之一。3.测定了水分在不同环境应力、不同构件尺寸、不同配合比设计条件下的扩散系数及浓度和溶解度，基于质量扩散理论建立了不同环境应力条件下水分迁移模型，对RAC内水分迁移进行了数值模拟。计算值与实验值吻合度较高，验证了模型的有效性。4.以有限元软件ABAQUS为基础，利用所建立的RAC干缩数学模型，通过自编程序USDFLD，将场变量转化为热应变作为中间变量，从而对软件ABAQUS进行了二次开发，实现了RAC干缩过程数值模拟，并进行了必要的试验验证，计算值与实验值吻合程度较高。5.以砂岩、石英岩、大理岩、玄武岩及废弃混凝土等主要原材料为母料分别制备了五种粗骨料，在测定五种粗骨料及其所制备混凝土孔隙参数和润湿性能的基础上研究骨料类型与润湿性和混凝土收缩变形之间的关系。6.以压汞法和核磁共振法所测孔隙参数为依据，优化了毛细管束物理模型，建立了孔隙结构随机分布的再生骨料混凝土干缩物理模型，并与室内实验进行了对比，研究证明，新建模型与试验结果吻合度较高。7. 研究了微生物双重触发开关触发水泥基材料裂缝自愈合机制，为使用生物技术修复水泥基材料缺陷提供了新的思路。8.以建筑垃圾再生微粉等为主要原材料，开发了一种可以用于建筑防渗和裂缝防治的渗透结晶型浓缩剂，研究表明，该浓缩剂可使水泥基材料具有良好的自愈效果。