青藏严寒环境下水工混凝土材料多尺度冻融破坏机理研究

This study focuses on the mechanism of freeze-thaw damage in concrete used in hydraulic engineering. Under continuum mechanics and multiscale analyses, firstly, a seepage model for dual porosity media is proposed, as well as its numerical scheme, which can simulate the transport and exchange behaviors of moisture in concrete in mesoscale. Secondly, based on generalized self-consistent method and Lematire-Chaboche damage model, a freeze-thaw damage model for concrete is proposed, which is further validated by laboratory test. Thirdly, with computed tomography technique, three dimensional finite element modeling technique, and random aggregate modeling technique considered, a multiscale damage model for concrete with damage characteristics in mesoscale taken into account is proposed. And the representative volume element is determined via Monte Carlo simulation. In the end, interactive technique of numerical simulation is applied to carry out the coupled analysis on multiscale freeze-thaw damage between concrete infrastructure in macroscale and concrete material in mesoscale. The field monitoring and durability analysis are conducted on freeze-thaw damage on concrete infrastructures, validating the proposed multiscale numerical methodology. The findings in this study will provide scientific explanations on freeze-thaw damage of concrete on hydraulic infrastructures and also provide theoretical foundation for design hydraulic concrete with better resistance on freeze-thaw damage.

本项目以青藏地区的水工混凝土冻融破坏机理为研究对象。在连续介质力学和多尺度分析框架下，首先建立水分在混凝土细观层面迁移的双重孔隙渗流模型及其数值求解格式，从而模拟细观层面水分的输运和交换行为。其次利用广义自洽方法，lematire—chaboche损伤模型和冻融试验建立并验证由于冻融导致的细骨料混凝土损伤模型。再次通过结合CT技术，三维有限元建模技术和随机骨料建模技术建立考虑细观破坏特性的混凝土材料多尺度损伤模型，并通过模特卡罗模拟方式获得冻融行为影响下混凝土材料的损伤体积代表元尺寸。最终采用数值仿真交互技术来实现宏观混凝土结构与细观混凝土材料之间的多尺度冻融损伤耦合分析，进一步对于某大坝工程进行冻融耐久性分析和现场监测来验证多尺度计算方法的正确性和有效性。研究成果将为揭示混凝土材料冻融破坏机理提供科学的解释，并为设计更加抗冻的混凝土材料提供理论支撑。

水工混凝土的冻融破坏现象直接关系到大型水工结构建筑物的安全性和耐久性。由于受到高寒气候的影响，在青藏高原地区水工混凝土的冻融破坏问题更为严重。通过大量的统计与调查分析发现，大量的坝体冻融病害问题已经严重的危害青藏高原地区混凝土坝的安全性和耐久性。因此，青藏高原地区水工混凝土的冻融破坏机理研究势在必行。本项目采用CT扫描成像技术，复合材料细观力学理论分析方法，结合冻融循环试验，利用多尺度仿真技术进行青藏高原严寒地区的水工混凝土的冻融破坏机理研究，其研究的主要内容、重要成果包括：.（1）借助于电子显微镜技术和CT扫描技术，在连续介质力学的多尺度分析框架下，建立了水分在混凝土细观迁移的双孔隙渗流仿真模型。提出能够解释冻融导致的混凝土细观孔隙水分相变引起的混凝土宏观强度衰减规律的细观解析模型以及混凝土冻融循环破坏的多尺度损伤计算模型，实现了借助CT扫描图像重构空隙与渗流关系的三维模型。.（2）通过不同掺量抗冻剂的水工混凝土冻融循环试验以及冻融后的单/三轴试验研究，得到了冻融条件下混凝土内部孔隙行为研究的重要试验数据和规律，进一步揭示了抗冻剂在混凝土受冻损伤过程中的作用机理，量化受冻后的混凝土力学性能差异，为抗冻剂在寒区水工混凝土冻融损伤对策中提供理论依据，为继续开展此方面的研究积累了重要的试验数据和研究理论基础。.（3）基于非线性介质等效多尺度分析方法，通过混凝土材料试件的细观破坏行为研究，获得宏观混凝土材料在冻融条件下的特征应变，并将不同冻融循环次数下的特征应变衰减规律进行回归，获得水工混凝土材料在冻融破坏条件下体积代表元（Representative Volume Element，简称RVE）的损伤本构模型及相应的数值求解格式，为进一步研究大型混凝土水工结构的冻融破坏多尺度有限元模拟和仿真提供支撑平台。.本项目的研究成果将为了解水工混凝土的冻融破坏机理和混凝土坝冻融安全性评定提供理论依据。