超低温及其冻融循环下混凝土水热耦合传输机制与温度变形行为

Cryogenic temperature is one of the extreme application conditions of concrete, which has great influence on each properties of concrete. Therefore, it is of great scientific significance of exploring the thermal deformation of cryogenic concrete and its related scientific problems on practical applications of concrete in cryogenic conditions. Firstly, a cryogenic curing box with an automatic temperature (0～-190℃) control system is designed. A novel method to test thermal strain of concrete at cryogenic temperatures is proposed and the corresponding testing device is designed. Secondly, the temperature gradient and temperature field of concrete in different sizes are investigated. Based on the water and heat transter theory of porous materials, a coupled water-heat transfer model for cryogenic concrete is established. This model will be used to simulate the process of water-heat transfer and to help explain their coupling effects. Consequently, the coupled water-heat transfer mechanism of concrete at cryogenic temperatures is ascertained. Thirdly, the evolution of microstructure within concrete under the conditions of cryogenic temperature and its cryogenic freeze-thaw cycles is to be discovered using testing methods such as cryogenic SEM and thermoporometry. The thermal strains of concrete and its influential factors under cryogeinc temperature and its freeze-thaw cycles are to be investigated. The relationship between the water-heat transfer process mechanism and temperature deformation under the condition of cryogenic temperature and its freeze-thaw cycles is discussed. Therefore, the coupled water-heat deformation mechanisms at cryogenic temperatures and during cryogenic freeze-thaw cycles can be proposed. The research achievements above will provide scientific guidance for solving scientific problems and key techniques of practical applications of concrete under the extreme cryogenic conditions.

超低温是混凝土材料应用最极端环境条件之一，其对混凝土各项性能影响十分显著，探索超低温下混凝土温度变形行为及其相关关键科学问题对进一步认识超低温特种环境下混凝土特性和指导工程应用具有重要的科学意义。本项目首先设计0～-190℃自动控温超低温养护箱、超低温混凝土变形性能测试方法与装置；研究不同尺度下混凝土内部温度梯度及温度场分布；运用多孔介质水热传输理论，建立超低温下混凝土水热耦合传输模型，并模拟分析水热传输过程及其耦合效应，探明超低温下混凝土水热耦合传输机制；采用冷冻扫描电镜、热孔计法等手段，揭示超低温及其冻融循环作用下混凝土孔结构及微观结构演变规律；研究超低温及其冻融循环下混凝土温度变形行为规律及影响因素；探明超低温及冻融循环下混凝土水热传输过程与温度变形关系，从而阐明超低温及其冻融循环下混凝土水热耦合变形机理。研究成果可为解决混凝土在超低温极端环境下应用的科学问题与关键技术提供科学指导。

超低温是混凝土材料应用最极端环境条件之一，其对混凝土各项性能影响十分显著，探索超低温下混凝土温度变形行为及其相关关键科学问题对进一步认识超低温特种环境下混凝土特性和工程应用具有重要的科学意义。. 本项目围绕超低温下混凝土的水热耦合传输机制及超低温下温度变形这个研究目标，设计了150L的自动温控20℃— -190℃深冷低温箱，以光纤光栅为基础，提出了0℃— -190℃的超低温温度变形测试方法，并设计制作了适应于混凝土材料的超低温变形测试装置；研究不同条件下，混凝土内部温度场的分布规律，并得到了不同超低温区段下混凝土的比热容、热膨胀系数、弹性模量等参数；结合有限元模拟技术，研究了超低温下混凝土内部水热影响机制，建立了超低温及其冻融环境下混凝土水热耦合传输理论模型。根据孔隙水的水热传输理论推导，建立了热孔计法表征孔结构的计算模型，并以此方法探明了超低温下混凝土内部微孔结构的演变特征，同时探明了超低温及其冻融环境下混凝土内部微孔结构破坏的主要影响因素。. 采用FBG光纤光栅传感器对超低温下混凝土的温度变形行为进行实时监测，探明了混凝土材料的超低温温度变形行为特点：在降温过程中，混凝土变形表现为收缩-膨胀-收缩的特征，在升温过程中，其表现为膨胀-收缩-膨胀的变形特点，进一步研究了其变形行为的主要影响因素，并采用有限元分析理论，建立了升降温过程中混凝土内部热应变模型。研究超低温及其冻融循环作用下混凝土材料温度梯度及温度场的分布规律，建立了升降温过程中的热量传递方程，探明了超低温驱动混凝土内部孔隙水迁移的机理，提出孔隙水迁移存在的两种形式，一是内部孔隙水迁移，二是由低温泵吸作用产生的与外界的水分交换。分析了降温阶段孔隙水结冰过程及升温阶段孔隙冰融化过程，提出了超低温驱动水泥基材料内部孔隙水相变的机理。最终，建立了超低温下混凝土温度变形-温度关系，探明了水热耦合作用下混凝土的超低温变形机制。