复杂环境条件下混凝土开裂风险的多尺度仿真分析

本研究立足于氯盐侵蚀、碳化与荷载耦合作用等复杂环境条件下结构混凝土的开裂问题，在微米、毫米和米3个尺度上系统建立混凝土数值仿真分析模型；考虑复杂环境条件对混凝土微观结构的影响，模拟混凝土微观结构的演化过程；采用水化动力学、损伤力学与断裂力学研究微米、毫米和米3个尺度上的混凝土材料的力学特征，建立现代混凝土力学强度、温度场和湿度场等各项宏观特性与混凝土微观结构之间的联系；运用数值仿真方法，结合试验研究，分析结构混凝土全寿命期间的服役性能，并基于概率理论预测结构混凝土的开裂破坏。本项目采用理论分析、数值仿真和试验验证相结合的方式揭示复杂环境条件下混凝土服役性能退化的时变规律，评估各种复杂环境条件对混凝土开裂破坏的影响，根据工程情况提前预测结构混凝土的开裂风险，将极大的促进结构混凝土耐久性的研究，同时也具有非常重要的物理意义与广泛的工程应用价值.

为了从本质上研究复杂环境条件下结构混凝土的开裂问题，本研究在微米、毫米、米级3个尺度上构建了混凝土宏观服役性能预测模型。经过3年的研究，本课题已经全面完成了预定的研究目标。发表或录用论文21篇，其中SCI检索论文4 篇，EI 检索论文13 篇， EI录用论文2篇。并获得中国实用新型专利授权2项。培养博士生3人，硕士生5人，其中博士生毕业1人，硕士生毕业3人。在本项目的研究期间，项目负责人顺利晋升为副教授。本课题所取得的创新性研究成果有：（1）对已有水泥水化模型进行了修正，考虑温度、湿度等因素对水泥水化进程的影响，提出了一个改进的基于微观信息的水泥水化模型。基于水泥水化度、水泥水化产物、孔隙率、自由水等信息，分析混凝土水化过程的微观结构时变演化规律；（2）结合水泥水化过程的微观结构信息，构建了混凝土时变特性的多尺度分析框架，建立了混凝土微观结构与宏观服役性能之间的联系；（3）将温度、湿度、Cl-与CO2对混凝土水化反应中的影响及其在混凝土中扩散传输过程相结合，以混凝土微观结构为媒介，分析温度场、湿度场、Cl-扩散场与CO2扩散场等各场之间的相互作用，结合荷载作用，建立了复杂环境条件下混凝土时变性能多场作用分析框架；（4）将研究成果应用与工程隧道混凝土中隔墙与二次衬砌混凝土结构，在实际工程中考虑多因素的共同作用，在多尺度上分析了施工过程中混凝土结构的温度、湿度与应力应变时变规律；并结合工程实际，对施工过程进行优化。