湿热耦合机制下混凝土早龄期收缩变形多尺度预测模型研究

The serviceability and durability of buildings are strongly influenced by the cracks of concrete at early ages. The shrinkage deformation is generally considered as one of most important factors which results in cracks of early-age concrete. So far, the variation law of shrinkage deformation hasn't been solved absolutely. The shrinkage deformation of early-age concrete is closely related to the internal relative humidity and microscopic pore structure, which are greatly influenced by the coupling effect of temperature and humidity. This study aims to achieve these goals as follows. First, a microscopic pore structure model of cement paste is built based on experiment and existing research results. Sencond, a coupled hygro-thermal transportation model of early-age concrete under nonisothermal and saturated-unsaturated condition is established based on heat-mass transfer theory of porous media. Meanwhile, a finite element program for studying the internal relative humidity of concrete is developed. At last, a multiscale prediction model of shrinkage deformation for early-age concrete is given using the effective stress principle and multiscale theory, and a method is proposed to determine the shrinkage deformation in typical component and with typical influence factors. The spatial deformation gradient characteristics is shown in the prediction model of shrinkage deformation of early-age concrete developed in this study, which better describes the actual deformation of concrete structure. Besides, the present model has a better prediction precision by relating the internal state variables of concrete with its macroscopic properties. The achievements of this study can provide a basis for the cracking risk evaluation and cracking control of early-age concrete.

混凝土早龄期裂缝严重影响建筑物正常使用和耐久性。混凝土早龄期收缩变形是早期开裂重要原因，但有关混凝土早龄期收缩变形定量描述和变化规律研究至今还不成熟。混凝土早期收缩变形与其内部湿度、微观孔结构密切相关，而温度、湿度耦合作用对其内部湿度、微观孔结构有重要影响。课题拟通过试验研究并结合国内外研究成果，建立水泥浆体微观孔结构模型；通过理论分析和数值模拟，基于多孔介质传热传质理论，建立混凝土早龄期非等温饱和-非饱和湿热耦合传输分析方法，编制有限元程序研究混凝土内部湿度发展变化规律；采用等效应力原理和多尺度理论，建立混凝土早龄期收缩变形多尺度预测模型，提出典型类型构件典型影响因素下收缩变形取用方法。课题提出建立的混凝土早龄期收缩预测模型具有空间变形梯度特征，更符合混凝土结构实际变形；联系了混凝土内部状态变量和宏观性能，可望具有更高预测精度。研究成果可为混凝土早龄期开裂风险评价、裂缝控制提供基础条件。

砼结构施工期开裂是土木工程通病，裂缝严重影响建筑物正常使用和耐久性，其中砼早龄期收缩变形是早期开裂重要原因。但有关砼早龄期收缩变形研究还不完善、不充分，提出的预测模型预测结果差异较大。本课题经过3年持续不断深入研究，取得如下成果：.（1）开展了水泥浆体及复合水泥浆体早龄期水化和微观结构发展变化规律试验研究，基于低场核磁共振技术提出了水泥基材料早龄期水化和孔结构分布的表征方法，建立了包含水胶比、矿物掺和料种类及掺量、龄期等影响因素的水化反应速率模型和孔径分布模型；.（2）开展了砼温湿耦合试验研究，结合理论分析，提出了考虑微观结构特征的砼早龄期水化-温度-湿度耦合机理，建立了砼早龄期水化-温度-湿度多场耦合模型，并基于ANSYS软件编制了多场耦合仿真分析程序；.（3）开展了砼宏观性能微观表征研究，基于微观力学和复合材料理论等，建立了水泥基材料早龄期收缩模型，并进行了影响参数敏感性分析，为砼结构早龄期裂缝控制提供了技术参数。.（4）在基金资助下参加了2014水工结构与水力装备战略研究暨青年学者学术交流会、第十四届全国砼岩石断裂、损伤与强度学术年会等，分别作了关于本课题研究成果和进展的学术报告并获“青年优秀论文奖”；参加了2014在香港举行的RILEM中国分会成立庆典暨Advanced Materials for Sustainable Infrastructure Development国际学术会议、2015在北京举行的第14届国际水泥化学大会、2016在南京举行的第三届与微观结构相关的水泥基复合材料耐久性国际会议等国际学术会议。. (5)发表学术论文6篇，其中SCI收录4篇，EI收录1篇，获授权发明专利5项，实用新型专利2项，计算机软件著作权5项；以项目研究为依托，毕业硕士研究生6名，在培养博士研究生2名、硕士研究生4名；获2016河南省科技进步二等奖1项，排名5。.研究成果已在常州及徐州地铁、南通九圩港船闸、上海淀山湖大型拱桥、上海金汇港大闸改造等工程中得到成功应用，其中金汇港大闸改造工程获2016年大禹优质工程奖，对土木工程行业的科技进步具有推动作用。