梯度热开裂-蒸汽压-荷载耦合作用下高性能混凝土缺陷演化研究

Abstract：Being a complicated nonlinear problem influence by many factors, the damage caused by high-temperature to High Performance Concrete (HPC), has been the critical point for the improvement of material performance, enhancement of structure fire resistance, and damage assessment after disaster. The key issues of the problem are the essential rules and mechanisms of the damage and performance degradation occurred in HPC under the coupling of thermal cracking-vapor pressure -load action under high temperature gradient. In this project, the microstructure damage characteristics and defect evolution in HPC after high temperature gradient will be systematically investigated by X-ray, CT three-dimensional dynamic microscopy, scanning electron microscopy observation, mercury injection, testing pore water vapor pressure and thermal deformation test, the evolution model of thermal cracking with temperature, caused by the mismatching of thermal deformation of slurry matrix and aggregate, will be established. Meanwhile, with the help of the penetration theory and empty expansion theory, the degradation evolution model under the action of vapor pressure with different shape defects will be built. Then according to the principle of energy conservation, elastic-plastic mechanics and material science theory, the damage degradation of HPC under the coupling of thermal cracking-vapor pressure-load action will be numerically investigated by the effective meshless finite element analysis method. Finally, the high temperature damage theoretical system of HPC will be established based on comprehensive consideration of external influence and internal evolution of HPC. This project will provide experimental and theoretical basis for promoting the development of research on fire resistance and damage assessment of concrete.

高性能混凝土的高温损伤是一个多因素作用的复杂的非线性问题，是改善材料性能、提高结构抗火能力及灾后损伤评估的瓶颈与难点，而揭示其高温梯度热开裂-蒸汽压-荷载耦合作用下内部损伤缺陷和性能劣化发生的本质规律和机理是解决该难题的关键。本项目拟对高性能混凝土进行X射线CT三维动态显微观测、扫描电镜观测、压汞测试、孔隙水蒸汽压测试以及热变形测试，研究混凝土内部微结构损伤特征、缺陷演化规律；建立基于浆体基质和骨料热变形不匹配引发的热开裂随温度演化的模型；引入侵彻理论和空腔膨胀理论，建立不同形状缺陷蒸汽压作用下的劣化演化模型；基于弹塑性力学和材料科学理论，根据能量守恒原理，采用有效的无网格分析方法，对热开裂-蒸汽压-荷载耦合作用下混凝土损伤缺陷演化规律进行模拟研究；建立兼顾外界作用和材料自身演化的高性能混凝土的高温损伤理论体系，为促进混凝土抗火及其损伤评估研究的发展提供实验和理论依据。

针对高温梯度热开裂-蒸汽压-荷载耦合作用下高性能混凝土内部损伤缺陷和性能劣化发生的本质规律和机理，项目研究完成了以下工作：①已完成C40、C60、C80高性能混凝土（HPC）CT扫描分析、压汞和扫描电镜试验；建立了细观孔隙率、平均孔径、最可几孔径随温度变化的关系式；建立了总孔隙率、孔体积分形维数、温度与抗压强度的关系式；观测与分析了内部裂隙的数量、长度、宽度及形态；采用扫描电镜观测了高温后HPC微结构的变化。②已完成C60、C80HPC板的制备，高温加热的情况下HPC板内部3个深度处高温蒸汽压的测定试验及其数值分析，分析了HPC在不同加热方式下蒸汽压随温度和时间的变化关系。③完成了C40、C60、C80HPC及其组分热膨胀性能的研究，研究了在升温和降温过程中，粗骨料、素砂浆和掺纤维砂浆的膨胀率随温度的变化关系；已完成HPC板内部高温热变形的测定试验及热应变模拟分析，建立了在不同加热方式下热应变随温度和时间的变化关系。④已完成高温下HPC蒸汽压-热应力-荷载耦合过程模拟分析。结果表明：C40、C60、C80 HPC高温作用后，混凝土内部总孔隙率上升，孔径增大，平均孔径下降，孔比表面积升高，骨料与浆体界面有细微裂缝形成；无荷载高温炉加热和加均布荷载与明火耦合作用两种情况下的混凝土蒸汽压均随相应温度和时间的变化呈现先增大后减小的变化规律；HPC板在加热过程中发生了爆裂现象，而PPHPC板均未发生爆裂现象，且PPHPC相应深度测点处的蒸汽压峰值均明显小于HPC的。混凝土的膨胀率与骨料、砂浆的膨胀率并不相同，差异显著。对HPC、PPHPC板进行高温电阻炉加热试验后，得出混凝土在离受火面不同深度处的高温热应变均随着时间的推移及温度的升高而增加，在25mm处的温度及应变升高最快；通过对试验进行有限元模拟，符合试验结果；通过与实际工程相结合，突破试验限制利用模拟软件进行了一次混凝土大板高温热应力模拟试验，得出温度，位移及热应力云图，由图可知混凝土及钢筋网的位移变形趋势一致。