考虑损伤状态的桥梁混凝土构件氯离子传输过程多尺度数值模拟

The durability performance has become one of the important issues which can greatly affect the service life of concrete components of bridges. Current researches on this topic, especially the numerical simulation researches, have not paid enough attention to the influence of the damaged conditions such as the stress and crack on the durability performance of concrete components, which is far from the reality in practical engineering. By focusing on the pore structure of the concrete material, this project will mainly study the chloride transport process in the stressed or cracked concrete component at micro, meso and macro scales. Both of experimental and numerical simulation researches will be conducted in this project. In the aspect of experimental work, the standard RCM experiment will be used to evaluate the chloride migration process in the concrete under different levels of tensile or compressive stress. In the aspect of numerical simulation, the evolution process of the pore structure of the concrete under external loading or cracking will be studied based on the digital microstructure of the concrete. The homogenization method will be used to make a connection among the numerical simulation at micro, meso and macro scales. The major purpose of this project is to provide a new numerical simulation method and practical analytical model with wide applicability of the chloride transport process in the damaged concrete component.

耐久性能已经成为影响桥梁混凝土构件使用寿命的一个重要因素。现有针对该课题的研究，尤其是数值模拟研究对构件所处的诸如应力及开裂的损伤状态对耐久性能的影响考虑不足，与工程的实际情况相去甚远。本项目将围绕孔结构这一核心概念，在微观、细观和宏观三个尺度上研究氯离子在受力或开裂混凝土中的传输过程。项目拟采用试验及模拟相结合的方法开展研究。试验方面，采用标准RCM试验考察在不同拉压应力水平下的氯离子迁移过程。模拟方面，通过混凝土的微观结构考察孔结构在受力及开裂状态下的变化过程。通过均质化方法为微-细-宏三个尺度上的数值模拟建立联系。本项目将为氯离子在损伤状态下的混凝土构件中的传输过程提供新的数值模拟方法及具有广泛适用性的实用计算模型。

耐久性能已经成为影响桥梁混凝土构件使用寿命的一个重要因素。现有针对该课题的研究，尤其是数值模拟研究对构件所处的诸如应力及开裂的损伤状态对耐久性能的影响考虑不足。本项目在微观、细观和宏观三个尺度上研究氯离子在受力或开裂混凝土中的传输过程，内容涉及：（1）格构式模型的改进；（2）微观尺度上应力状态对水泥浆体微观结构影响的数值模拟研究；（3）压应力状态下混凝土中氯离子传输的试验研究；（4）损伤状态下混凝土构件中氯离子传输的数值模拟研究。.首先，通过模拟立方体和棱柱体的标准抗压试验，确定了格构式模型中合理的受压破坏准则，并将格构式模型进一步发展，使其可以模拟物质的传输过程。.其次，为进行细观尺度上的分析，提出了分别采用Bezier曲线和三维重构技术获取二维和三维骨料形状以及混凝土细观模型的新方法。.再次，针对微观尺度上应力状态对水泥浆体微观结构的影响，利用Hymostruc软件模拟了水泥的水化过程，建立了基于像素的水泥浆体微观结构。采用格构式模型，对水泥浆体的微观结构进行了力学分析，获得微裂缝的形态和发展过程。.接着，对标准RCM试验进行了改进，设计了压应力施加装置。对C30和C40两种混凝土试件进行了两种应力水平下的RCM试验。.最后，分别在“微观—细观”和“细观—宏观”上开展了损伤状态下混凝土构件中氯离子传输过程的数值模拟研究。通过均质化方法获得了细观和宏观尺度上的等效氯离子扩散系数。.通过本课题的研究，将混凝土耐久性数值模拟的研究从细观向微观方向发展并进一步探讨水泥基材料损伤状态与耐久性能之间的相互作用。研究过程中开发了相应的计算程序，可为将来的类似研究提供计算工具和分析平台。