基于细观尺度的钢筋混凝土构件耐久性能数值模拟

The numerical simulation of RC structure durability performance has become the study focus all over the world. However, most of the current research is based on the assumption of homogeneous concrete. The research on this scale cannot consider the influence of aggregate on the durability deteoriation process. In order to extend the present study from macro-scale to meso-scale, the simulation method of random aggregate structure (RAS) should be firstly developed. Based on RAS, the meso-scale model of concrete considering the steel can be established. With the help of meso-scale platform, the water transport, chloride transport, concrete carbonation, alkali aggregate reaction (AAR) and some other common durability deteoriation processes can be simulated on meso-scale. And the influence of aggregate on these processes can be identified quantitatively. Some optimization advice can be proposed based on the simulation results. Furthermore, this project will study the coupled mechanism between mechanical performance and durability performance of concrete on meso-scale, in order to support the durability design theory on macro-scale

钢筋混凝土结构的耐久性数值模拟已经成为目前国内外的研究热点，但绝大多数研究仍然建立在混凝土均质材料的假定基础之上。这一尺度上的研究无法考虑骨料对混凝土耐久性退化过程的影响。为了将混凝土耐久性数值模拟研究从宏观尺度往细观尺度上发展，首先必须建立实用的随机骨料模拟方法，并在此基础上，构建考虑钢筋的混凝土细观模型。在细观模型研究所提供的平台下，研究水分传输、氯离子传输、混凝土碳化、碱-骨料反应等常见耐久性退化过程在细观尺度上的发展过程和特点。定量描述骨料对这些过程的影响，并根据分析结果，对骨料级配、形态等参数提出优化意见。课题还将在细观尺度上研究混凝土力学性能与耐久性能的耦合机理，为宏观尺度上相应的耐久性设计理论提供依据。

长期以来，混凝土材料由于其低廉的造价被广泛的应用在桥梁等基础设施的建设当中，取得了良好的经济效益。但其耐久性能的退化往往成为后期养护运营过程中亟待解决的问题之一。本项目在细观尺度上开展针对钢筋混凝土结构的耐久性数值模拟研究，内容涉及：（1）混凝土细观模型的构建；（2）混凝土耐久性退化过程在细观尺度上的表现；（3）混凝土力学性能与耐久性能在细观尺度上的耦合关系。.首先，编写了ParticleSimu程序，支持二维圆形、椭圆、多边形、Bezier曲线和三维球形、椭球形、多面体、圆柱体、胶囊等多种骨料形状，并可实现圆柱体和立方体混凝土试件的模拟。.其次，开展了细观尺度上的水分传输研究。采用中子成像技术获取水分含量的分布云图，明确骨料对水分传输路径的扭曲效应以及由此造成的水分含量分布的空间变异性。研究结论对细观尺度上的氯离子扩散和混凝土碳化研究有重要的借鉴意义。.再次，开展了细观尺度上的氯离子扩散和混凝土碳化过程。将扩散锋面和碳化锋面的空间变异性转化为一个安全系数，用以对平均扩散深度和碳化深度的修正。研究了骨料长宽比、形状、级配、用量等关键参数对扩散锋面和碳化锋面空间变异性的影响。.然后，编写了基于格构式方法的Lamfa程序用于模拟混凝土材料的开裂过程。推导了钢筋锈蚀的时变锈胀力模型并模拟了由此引发的混凝土开裂、保护层剥落等过程。研究了钢筋直径、钢筋间距、钢筋位置、骨料参数等对混凝土开裂过程和保护层损伤程度的影响。.最后，建立了开裂状态下的氯离子扩散等退化过程的数值模拟方法。通过一套网格建立了用于物质传输模拟的实体单元和用于材料开裂模拟的格构单元。通过失效的格构单元修正其连接的实体单元的物质传输系数以体现混凝土损伤状态对物质传输过程的影响。.通过研究，将目前的基于宏观尺度的混凝土构件的耐久性数值模拟研究向细观方向发展，并推动其在实际工程中的应用。