基于C-S-H凝胶的混凝土徐变机理及多级预测模型研究

由于对工程结构物的性能有较大影响，徐变一直以来都是混凝土结构与材料研究的重点和难点课题之一。但由于徐变的复杂性，国内外尚未对其产生机理达成共识，特别是从微观尺度上的研究十分有限。考虑到影响混凝土宏观性能的机理大都发生在微米、纳米级别上，本项目从微观本源上探究徐变发生机理，在此基础上建立预测模型。.本项目拟从下述方面展开研究：a）纳米尺度上C-S-H凝胶体徐变的直接测量及分析方法；b）材料、环境、荷载变量对C-S-H凝胶体徐变行为的影响规律；c）以C-S-H凝胶体为最小单元的多级徐变预测模型。.本项目的研究成果将为进一步研究其他类型混凝土的徐变行为提供理论基础及先行研究方法；对探索从周期短的微观试验研究来推知大型结构物长期服务性能的研究方式具有重要意义；为铁路、公路桥梁设计规范中桥梁变形、预应力损失等的相关计算参数修订提供指导。

徐变是混凝土的固有特性，它对混凝土结构的影响效应贯穿从施工至整个服役期，是造成大跨度预应力混凝土桥梁等结构预应力损失、变形显著增加、内力重分布的一个主要原因，也是进行在役混凝土开裂损伤预估的重要参数。混凝土结构物可持续的发展战略对混凝土耐久性提出了更高要求。虽然混凝土材料的宏观性质迥异，究其本质是由微观尺度上的材料特性决定的。随着科技的发展，水泥基材料的微观表征测试及模拟，特别是在纳米尺度的研究上有了长足的进步，有助于探明材料宏观性能的相应机理、构造本构模型、表征并评价力学性能等。. 本项目应用纳米压痕技术对不同水灰比硬化后的水泥净浆进行测试，提出采用最大似然估计方法对高斯混合模型进行解卷积分析，对主要水化产物C-S-H凝胶进行分相，计算各相的压痕模量、压痕硬度、体积百分率。运用微观力学方法计算出基本组成单元凝胶颗粒的微观力学性能和堆积密度，描述凝胶颗粒在三相水化产物中的堆积方式，讨论水灰比的不同在微观尺度上的表现。结果表明：对于不同水灰比，凝胶颗粒基本力学性质较为稳定，说明凝胶颗粒是C-S-H凝胶的基本组成单元，但其不同的堆积密度形成了不同的凝胶相及其相应的力学性能。水灰比的影响主要体现在凝胶相的层面上，而不是凝胶颗粒，其决定了C-S-H凝胶相的体积百分比。本项目研发了能够控制温湿度、并连续测试数周的混凝土早龄期拉伸徐变测试装置，并能够测量直接拉伸强度和拉伸弹性模量。对测得的拉伸徐变进行模拟，采用现存模型对数据进行验证，认为现存模型不能够精确预测混凝土早龄期拉伸徐变。根据实测拉伸徐变数据对现存模型进行修正，建立了更能代表实际工程情况、用于混凝土结构物应力计算的拉伸徐变模型，提供了可用于结构物应力计算的松弛模量。同时建立基于水化度的早龄期混凝土拉伸徐变流变模型，通过热重分析得到水泥浆体的水化程度,利用特定龄期的徐变试验结果确定模型的计算参数，实现对其它龄期拉伸应变进行预测。结果表明，由于早龄期混凝土的水化程度发展较快，拉伸徐变对加载龄期非常敏感，加载龄期越早，混凝土的徐变度越大，需在模型中采用特殊参数考虑这一特征。上述研究成果将在很大程度上推动理解混凝土拉伸徐变机理、建立合理预测模型、准确预测结构物混凝土应力发展及合理评估其开裂风险。