基于细观尺度的混凝土湿度、干缩变形特性及干缩开裂机理研究

本课题从混凝土细观层次出发，采用实验研究与数值计算相结合的手段，主要拟对混凝土宏、细观湿度和干缩特性的参数实验介定；混凝土宏、细观湿度场、干缩变形和干缩应力的计算理论与方法；材料损伤与混凝土湿度、干缩特性以及干缩开裂之间的耦合作用机理；平面二维和空间三维混凝土宏、细观干缩开裂模型建立、细观和宏观开裂过程模拟和开裂机理分析；干缩开裂的预防和处理措施等几个方面的问题进行系统研究。通过本项目的研究，建立考虑龄期、温度和湿度变化历程的混凝土湿度场、干缩变形和干缩应力仿真计算理论体系，明确细观干缩与宏观干缩变形之间的内在联系和相互转换关系；解决混凝土的湿度、干缩变形和干缩应力真实性态仿真问题，弄清混凝土干缩开裂的内在成因、机理以及干缩开裂由细观裂纹演变成宏观裂缝的真实过程，同时建立基于细观损伤力学的混凝土湿度、干缩变形和干缩应力的数值模拟理论体系，为工程干缩裂缝的解决提供理论支撑。

本课题在以往研究工作的基础上，从理论分析和工程应用的角度进行了大量的基础理论与工程应用研究，主要成果总结如下：.（1）开发了混凝土平面和空间三维随机多相骨料模型生成程序(RAMcut)，可随机生成不同级配、任意形状骨料(圆形、多边形)的混凝土骨料、砂浆和粘结面三相组合模型，且可自动进行网格剖分，直接可用于有限元计算分析。.（2）开发了平面和空间三维湿度场与干缩应力非线性仿真计算程序(Moisture-SMSC），利用实验数据校核了程序的正确性；对比分析了不同湿度特性参数如湿度扩散系数、表面湿度转移系数、干缩变形与湿度的相互关系等对混凝土湿度扩展规律和干缩应力的影响，提出了合理选取相关敏感性参数的有效方法与途径；研究了考虑自干燥影响的混凝土湿度场及干缩应力场的分布规律和变化机理，对普通混凝土和高性能混凝土的湿度场和干缩应力场进行了对比。.（3）利用开发的仿真计算程序（Moisture-SMSC），对混凝土细观层次的湿度及干缩变形特性进行了研究，分析了细观层面下混凝土骨料对内部湿度分布规律及干缩应力规律的影响，提出干缩应力的计算分析需要考虑混凝土三相材料（骨料、砂浆和粘结带）特性各不相同的影响; 同时提出了混凝土湿度扩展和干缩应力仿真分析必须要考虑材料损伤带来的影响，提出了相关的损伤力学模型。.（4）开发了基于非连续变形理论的裂缝模拟技术，结合空间三维混凝土湿度场及干缩应力有限元仿真计算程序(Moisture-SMSC），对比分析了骨料与砂浆的粘结面取不同力学参数对干缩应力的影响，初步实现了干缩应力作用下表面细观裂缝出现、并随着湿度场变化逐渐扩展过程的数值模拟，进一步对混凝土空间三维细观开裂扩展机理进行了分析，更完善的开裂模型研究和相关的验证实验工作正在进行当中。.(5) 开发了基于AZTEC和ParMetis库的重叠性区域分解方法，有效的减小并行通信负载，使有限元所有步骤都实现并行化，具有可扩展性强、求解方式灵活高效等特点，并且会大大减少结构计算并行编程的工作量。为实现混凝土细观层面超大规模仿真计算分析、混凝土非线性湿度场、干缩应力快速仿真分析以及裂缝扩展模拟的精细仿真计算提供可能。.（6）结合姜塘湖退水闸这一实际工程项目，研究了其施工期湿度扩展规律及干缩开裂风险，提出了有效预防措施，为工程防裂提供了理论依据。