多场耦合作用下的混凝土微观尺度裂纹扩展机制研究

Concrete is a kind of highly heterogeneous compound material at micro level, the propagation of inner microcrack can lead to the deterioration of concrete. On one hand, the microstructure of concrete evolves with the changes of time and external environment. This evolution controls a series of complex processes such as the crack initiation, crack arrest, crack bridging and so on. On the other hand, the concrete is affected by the external environment and hydration in the process of propagation of microcrack. Therefore, the process is presented as the function of stress field, chemical field and temperature field coupling. Because the complexity of microcrack propagation under multi-field coupling effects, there are few intensive researches about the mechanism of microcracks propagation at home and abroad. This project, combine withed CT scan and hydration model, will reconstruct the 3D microstructure of concrete at varied curing ages. Based on the method of multi-field coupling and nonlinear fracture mechanics model, this project will present the whole process of generation and propagation of cracks by the numerical multi-field coupling method. Besides, it will also further study the mechanism of microcracks propagation under different microstructure and external conditions. This project will not only deepen the understanding about the physical mechanism of microcracks propagation, but also play a great role in promoting the study about durability and temperature cracks of mass concrete.

混凝土在微观尺度下是高度非均质复合材料，内部微裂纹的扩展引起混凝土结构与材料的破坏。一方面，混凝土材料的微结构随着时间以及外界环境变化而逐渐演化，并控制着微裂纹发生起裂、止裂以及裂纹桥接等一系列复杂过程；另一方面，微裂纹在扩展过程中，受外界环境和自身水化过程影响，表现为应力场、化学场和温度场等多场耦合作用。由于多场耦合作用下微裂纹扩展的复杂性，目前国内外对于混凝土微裂纹扩展机制尚无深入研究。本项目拟结合CT扫描、水化模型等技术，重构不同龄期下混凝土材料的三维微观结构；基于多场耦合分析方法和非线性断裂力学模型，采用数值方法统一描述多场耦合作用下混凝土微裂纹的形核、扩展的全过程，深入研究混凝土微裂纹在不同微结构和外界环境下的扩展机理。该项目的研究不仅可以深化对混凝土材料微裂纹扩展的物理机制的认识，而且对于混凝土材料的耐久性和大体积混凝土温度裂缝的研究具有十分重要的推动作用。

混凝土在水化硬化和服役期间受到温湿度变化、外界环境作用等，其微观结构是不断变化的，因此存在复杂的应力场、化学场、温度场等多场耦合作用。一方面，在水化过程中，由于温湿度在混凝土中分布不均匀，导致水化反应在局部区域也不均匀，直接导致混凝土的力学增长不均匀，特别是掺入粉煤灰、石粉等材料的长龄期混凝土，其水化过程更加复杂，更加不均匀，因为多场耦合作用导致的微裂纹开裂风险更大。另一方面，在混凝土服役过程中，因为冻融循环的因素的影响，水分在微裂纹中反复结冰，形成较大的内应力，其微裂纹会出现反复冻胀而扩展的过程，严重危害结构安全。本项目从混凝土早期强度增长和后期服役两个角度出发，研究了多场耦合作用下的混凝土裂纹扩展机理，研究成果可为混凝土的配合比设计、抗裂设计、耐久性提升提供理论基础，对于混凝土材料的耐久性和大体积混凝土温度裂缝的研究具有十分重要的推动作用。