混凝土冻融损伤的水热力三场耦合研究

冻融破坏是当今世界混凝土结构劣化的最主要原因之一，开展混凝土冻融损伤的微观机理研究，具有重大的实际意义。本项目将从新的视角探索混凝土冻融过程中的微观动态发展，把混凝土视为一种多孔多相体系，结合理论分析、数值模拟和验证试验对混凝土冻融损伤的水热力三场耦合作用进行深入研究。主要内容包括：探索混凝土内部孔隙水结冰规律和孔隙压力成因；研究多孔体系内水、汽、热迁移规律；分析冻融损伤下混凝土的非线性特征；建立混凝土冻融损伤的水分场、温度场、应力场三场真正耦合作用的理论框架；通过数值建模，实现混凝土冻融过程的三维弹塑性模拟，预测混凝土试件/构件/结构在冻融环境下混凝土内部的应力应变，温度分布，孔隙压力和裂缝开展。本项目旨在揭示混凝土冻融破坏微观机理，并为寒冷地区混凝土工程的冻融耐久性设计、维护和修复等环节提供理论依据。

冻融破坏是当今世界混凝土结构劣化的最主要原因之一，混凝土冻融损伤的微观机理研究则一直是该领域的研究难点。针对这一问题本项目开展了如下研究：1）分析了混凝土冻结过程和孔隙压力成因，其中考虑了不同浓度下盐溶液对冰点降低的影响；对于水分场，建立了多孔体系内水份迁移规律；对于温度场，建立了考虑相变潜热的热量传输表达式；对于应力场，建立了多孔骨架的有效应力和孔隙平均压力之间的关系；基于此，推导了混凝土冻融过程的水热力三场耦合的微分控制方程；运用有限元法，实现了混凝土冻融过程的三维数值模拟，最后预测出混凝土试件在不同冻融环境下混凝土内部的应力应变，温度分布和结冰量。2）为研究冻融循环作用下混凝土损伤演化的随机特性，本项目进一步采用了概率的方法来研究混凝土冻融破坏过程。假设混凝土试件截面由无数个微单元组成，每个微单元的寿命满足三参数威布尔分布；接着推导了离散及连续形式的冻融损伤演化的均值及方差表达式；最后开展相关冻融试验对此随机损伤模型的参数进行了标定。3）为进一步研究冻融损伤对混凝土构件性能的影响，本项目还开展了冻融环境下尺寸100mm×150mm×700mm的钢筋混凝土梁抗弯性能试验研究。试验观测了试验梁表面剥落情况，记录了质量损失与动弹模变化、并监测了混凝土应变、荷载—挠度曲线及极限承载力等。试验结果表明，随着冻融循环次数的增加，试验梁表面逐步发生剥落，截面积减小，裂缝发展变快，受压区高度明显增大，割线刚度退化明显，极限承载力下降。基于以上研究，项目共发表SCI论文4篇，EI论文3篇，取得实用新型专利1项，培养博士和硕士各1名。