周期性温湿度作用下混凝土材料湿热耦合变形开裂研究

本项目立足于大面积、大体积混凝土材料在环境温湿度作用下的变形开裂理论、数值模拟方法的创新，对混凝土材料变形开裂性能进行研究。采用理论分析、模拟试验与数值计算相结合的方法，从混凝土的多孔介质特点出发，根据多孔介质力学、损伤力学相关原理，深入研究周期性变化温湿度作用下混凝土材料的体积变形行为及边界受限时的开裂机理：系统分析湿扩散系数、比热容、导热系数、弹性模量等因素对混凝土材料湿热耦合变形行为的影响，提出混凝土内部温湿度分布、湿热耦合变形计算新方法，建立混凝土材料温湿度应力－应变关系模型；继而开展混凝土板在周期性温湿度变化作用下的内部损伤演化分析、变形开裂试验等，揭示周期性温湿度作用下混凝土材料变形开裂机理。本项目研究将为混凝土材料变形开裂机理分析、数值模拟提供新的途径，对解决大体积和大面积混凝土工程裂缝、增强结构耐久性具有重要的实际意义，同时对混凝土计算材料学的发展也有重要的科学意义。

混凝土材料自身收缩变形引起的混凝土裂缝占较大比例，稳定的体积变形是高强高性能混凝土或中低强度混凝土高性能化的重要标志之一。混凝土的收缩开裂问题难以解决的原因之一在于未能抓住“服役期混凝土在环境温湿度及结构荷载耦合作用下的类疲劳损伤效应”这一解决混凝土结构实际使用环境条件下混凝土变形开裂的本质问题。本项目旨在开展混凝土材料的湿热耦合变形开裂研究，揭示周期性温湿度作用下混凝土材料变形开裂机理。围绕周期性温湿度作用下混凝土湿热耦合变形开裂，在已有研究成果基础上，着重开展了混凝土湿热传输、温湿度场、温湿度应力、湿热耦合变形和湿热应力疲劳损伤演化基本理论和计算模拟的应用基础研究，主要包括：基于多孔介质湿热传输原理的混凝土湿热传输模型；温湿度耦合作用下混凝土湿热传输原理及耦合模型；周期性温湿度作用下混凝土湿热耦合传输及变形数值模拟；周期性温湿度作用下的混凝土湿热合变形及材料损伤演化理论初步研究；混凝土在周期性温湿度作用下的开裂过程、机理的初步研究。预期计划中的试验部分未能全部完成，随着项目研究的深入和试验条件等的改善，将继续开展相关研究，以期取得系统全面的研究结果。当前相关研究的主要结果如下：.（1）根据水泥石内部典型孔分布情况，认为在分析水泥石内部湿热传输时必须考虑湿度的Knudsen扩散，并分析了考虑Knudsen扩散的内部湿传输机理，建立了相应的湿传输模型；.（2）参考热膨胀系数的定义，考虑到实际应用的方便性，初步提出了混凝土湿膨胀系数的概念、定义和理论计算公式的推导；.（3）基于多孔介质湿热传输原理和水泥石湿热传输模型，研究了混凝土材料湿热耦合变形数值模拟方法，并通过算例分析进行了验证；.（4）结合实际环境温湿度变化特点，提出了周期性温湿度作用的类疲劳效应、混凝土在周期性温湿度环境和约束条件的变形开裂机理。. 本项目提出了混凝土体积变形数值模拟的新途径，提出了混凝土湿膨胀系数的概念、定义和理论计算公式，提出了温湿度应力损伤概念和周期性温湿度作用的类疲劳效应，为解决大体积和大面积混凝土工程裂缝、增强结构耐久性提供理论支撑，对混凝土变形开裂机理和混凝土计算材料学的研究与发展有重要的科学意义。