水工混凝土早龄期热膨胀系数的多尺度预测模型

Early-age cracking of concrete structures seriously affects the safety of hydraulic engineering construction in our country（such as dams and aqueducts）. Thermal deformation is one of the main causes of early-age cracking for concrete structures. And thermal expansion coefficient (TEC) is a critical parameter for determining thermal deformation. In view of the dramatic variation of TEC of concrete with age, this project aims to predict TEC of hydraulic concrete at early ages quantitively at micro level. The outline is presented as follows. Firstly, the law of the evolution of microstructure of hydraulic concrete is simulated based on the theory of hydration kinetics. Secondly, the influence rule and mechanism of the volume fractions and structural features of different phases of the microstructure of concrete on TEC are analysed theoretically based on poromechanics and thermodymanics. Thirdly, the boundary values of TEC of hydraulic concrete at early-age are demarcated numerically by multiscale method. Fourthly, the mechanism of variation of TEC with age is explored by combining the experimental study of TEC of hydraulic concrete at early-age. Finally, based on the above mechanism, the multiscale model for predicting of the evolution TEC of hydraulic concrete at early ages is developed. The main objective of this study is to interpret the nature of thermal expansion of hydraulic concrete and predict quantitively the evolution of TEC of concrete at early-age, and provide a basis for controlling the early-age cracking of concrete structures.

混凝土结构早期普遍开裂的问题严重影响着我国水利工程安全（如大坝、渡槽等）。温度变形是混凝土结构早期开裂的主要原因之一，而热膨胀系数又是计算温度变形的必需参数。本项目针对水工混凝土热膨胀系数在早龄期具有强烈的时变效应问题，从微观入手，根据水化动力学原理，定量模拟混凝土微观结构随水化进程的演变规律；结合多孔介质力学和热力学理论，研究微观结构各物相的相对体积含量及结构特征对热膨胀系数的影响机理及影响规律；基于多尺度方法，对混凝土早龄期热膨胀系数边界值进行标定；试验研究混凝土早龄期热膨胀系数的时变规律，探讨其时变机理；以机理分析为基础，建立混凝土早龄期热膨胀系数随龄期变化的多尺度预测模型。项目研究旨在揭示混凝土热膨胀的内在机制及变化机理，定量预测混凝土早龄期热膨胀系数随龄期的发展规律，为控制混凝土结构的早龄期温度裂缝提供基础和科学依据。

混凝土结构早期普遍开裂的问题严重影响着我国水利工程安全。温度变形是早期开裂的主要原因之一，而热膨胀系数是确定温度变形的必需参数。早龄期热膨胀系数随龄期变化很大，且受多种因素影响，但相关研究还不充分完善，提出的预测模型考虑因素较少，不足以反映热膨胀系数随龄期等因素的变化机理，应用也受到限制。本项目研究了混凝土的微观结构组成及特征，建立了微观结构随龄期变化的定量分析模型。采用连续介质微观力学方法分析和推导了宏观热膨胀系数和微观结构之间的关键关系式。按照纳观-微观-细观-宏观的次序，依次分析水化硅酸钙-水泥净浆-水泥砂浆-混凝土不同尺度的材料组成及微观应变场特征，建立了各尺度热膨胀系数的边界值模型。通过不同尺度的早龄期热膨胀系数试验，系统分析了早龄期不同阶段的热膨胀系数演变机理，以此为基础提出了混凝土早龄期热膨胀系数随龄期变化的多尺度预测模型。模型能够综合考虑混凝土的配合比、凝结时间、水泥化学组成、温度、湿度、粗、细骨料种类等多种因素对热膨胀系数的影响机理，且能在输入较少参数的情况下，实现混凝土在水化全过程中的热膨胀系数预测，具有较广的适用性。项目成果可为评价混凝土的早期体积变化特征，预测与控制混凝土结构的早期温度裂缝提供理论基础和技术支持。