混凝土凍融循環(huán)的數(shù)值模擬研究背景和意義

賈世欣

摘要：在我國(guó)的基礎(chǔ)建設(shè)中，混凝土結(jié)構(gòu)是最普遍的結(jié)構(gòu)形式。眾所周知，在役混凝土都是暴露在室外，時(shí)刻遭受著風(fēng)吹日曬、環(huán)境污染、天氣變化等不利因素的影響，使得混凝土的耐久性損傷的問(wèn)題日益加重?；炷两Y(jié)構(gòu)的耐久性損傷問(wèn)題如果不予重視，將對(duì)國(guó)家的財(cái)產(chǎn)及人民的生命安全造成重大危害，而對(duì)于正在發(fā)展的中國(guó)來(lái)說(shuō)，基礎(chǔ)建設(shè)正處于高峰期，更要將混凝土耐久性的要求放在首要位置，進(jìn)而才能促使我國(guó)經(jīng)濟(jì)整體健康快速的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：模擬研究；背景；意義

1985年水電部混凝土耐久性調(diào)查總結(jié)報(bào)告中指出：水工混凝土凍融破壞在東北、華北和西北地區(qū)都普遍存在，這些大型混凝土工程的運(yùn)行一般在30年左右，嚴(yán)重的都不到20年。這些工程中，北方港口的混凝土結(jié)構(gòu)遭受的凍融破壞程度最為嚴(yán)重，破壞的結(jié)構(gòu)主要是防坡堤、胸墻、碼頭和淺橋等。采用普通混凝土的部分結(jié)構(gòu)，經(jīng)十幾年的運(yùn)行就被凍融破壞而導(dǎo)致不能再發(fā)揮作用了。位于吉林省的豐滿水電站為大型混凝土重力壩，該工程1942年建成，1943年開始發(fā)電，但在1995年的水電站大壩的首輪定檢中發(fā)現(xiàn)大壩存在凍脹開裂的問(wèn)題，混凝土的凍融破壞總面積達(dá)5萬(wàn)平方米以上，凍融的最大深度到達(dá)2米，由于凍脹還出現(xiàn)了壩頂?shù)纳咭约耙缌髅?千多方混凝土被沖毀的嚴(yán)重事故；云峰壩，運(yùn)行不到十年就出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的凍害問(wèn)題，溢流壩表面混凝土凍融破壞面積高達(dá)1000m2，占整個(gè)溢流壩面積的50%左右，混凝土平均凍融剝蝕深度達(dá)100mm以上；參窩壩建成僅三年溢流面就發(fā)生了大面積的凍融破壞。近些年來(lái)，世界各國(guó)因?yàn)閮鋈诙斐傻幕炷聊途眯該p傷的工程事故不斷發(fā)生，由此而帶來(lái)的維修費(fèi)用也急劇增加，因此，混凝土的凍融損傷問(wèn)題已經(jīng)受到了各國(guó)的重視，對(duì)混凝土抗凍性的研究對(duì)世界各國(guó)來(lái)說(shuō)具有很大的經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)意義。

目前對(duì)混凝土凍融損傷的研究大都采用試驗(yàn)的方法，但在試驗(yàn)過(guò)程中會(huì)消耗大量的人力、物力，并且耗費(fèi)的時(shí)間也會(huì)很長(zhǎng)，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生大量的建筑垃圾，而利用有限元的方法對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，就能在一定程度上彌補(bǔ)試驗(yàn)研究的缺點(diǎn)，同時(shí)能減小試驗(yàn)中的誤差，論文采用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)凍融試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，擬為今后凍融損傷的研究提供一個(gè)新的思路。

凍融循環(huán)作用下混凝土的破壞機(jī)理：由凍融引起的耐久性損傷問(wèn)題，在很久以前就引起了社會(huì)的關(guān)注，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者在較早之前就對(duì)凍融問(wèn)題進(jìn)行了較深入的研究，美國(guó)、前蘇聯(lián)、歐洲、日本等國(guó)家在20世紀(jì)40年代就開始了對(duì)混凝土凍融破壞機(jī)理的研究。目前公認(rèn)程度較高的是美國(guó)學(xué)者鮑爾斯（T.c.Powers）提出的靜水壓力假說(shuō)，在其后的研究分析中，他又和Helmuth共同提出滲透壓假說(shuō)，進(jìn)而二者建立了較完整的理論體系；隨后加拿大G.G.Litvan提出了運(yùn)動(dòng)受阻礙機(jī)制，德國(guó)MJ.Setzer提出了基于熱力學(xué)方法的sctzer模型，土耳其B.v.Enustunl論述了混凝土的冰凍感受性，豐富了混凝土凍融機(jī)理的研究；1972年Fagerlund又對(duì)Powers的理論有更進(jìn)一步的發(fā)展，對(duì)抗凍性定義做出新的理解，認(rèn)為混凝土的抗凍性是混凝土的內(nèi)在性質(zhì)、氣候條件及使用環(huán)境共同影響的。雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)混凝土凍融破壞的機(jī)理有著眾多的研究，但最終仍然沒(méi)有達(dá)到共識(shí)，具體分為以下幾類：靜水壓理論、滲透壓力假說(shuō)、蒸汽壓力假說(shuō)、微冰抽吸假說(shuō)、溫度應(yīng)力假說(shuō)。

影響混凝土抗凍性能的主要因素：影響凍融破壞的因素有很多，例如混凝土內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)、水飽和程度、受凍齡期、混凝土強(qiáng)度等。其中最主要的影響因素還是其內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)，而其孔結(jié)構(gòu)取決于混凝土的水灰比、有無(wú)外加劑和養(yǎng)護(hù)方法等。據(jù)以往資料分析，對(duì)混凝土抗凍性能有顯著影響的可分為以下幾方面：水灰比、含氣量、混凝土的飽水狀態(tài)、混凝土的受凍齡期、水泥品種、骨料的質(zhì)量、外加劑及摻和料的影響。

混凝土凍融循環(huán)數(shù)值模擬的研究現(xiàn)狀：混凝土是由各種粗細(xì)骨料組成的非均質(zhì)復(fù)合材料，傳統(tǒng)中對(duì)混凝土的研究，都是采用混凝土試驗(yàn)來(lái)確定混凝土的各種力學(xué)性能，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所采用的承載極限設(shè)計(jì)值也都是通過(guò)建立試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行試驗(yàn)得出的。在試驗(yàn)過(guò)程中會(huì)消耗大量的人力、物力，并且耗費(fèi)的時(shí)間也會(huì)很長(zhǎng)，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生大量的建筑垃圾，由于客觀條件的限制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際工程會(huì)有一定的誤差。近些年計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，給我們的生活帶來(lái)了極大的方便，計(jì)算機(jī)在很多方面逐漸的代替了人力操作，有限元法是隨著計(jì)算機(jī)發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的一種現(xiàn)代計(jì)算方法，它是一種有效的分析方法。在連續(xù)力學(xué)領(lǐng)域、動(dòng)態(tài)特性分析等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。隨后又大量的應(yīng)用在求解熱傳導(dǎo)、磁場(chǎng)、流體力學(xué)等連續(xù)性問(wèn)題。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)混凝土的數(shù)值模擬進(jìn)行了大量的深入研究，混凝土材料數(shù)值模擬發(fā)展也已經(jīng)相對(duì)成熟，可以為數(shù)值模擬提供大量的反饋信息，使得研究結(jié)果也相對(duì)準(zhǔn)確可靠。

論文利用ABAQUS對(duì)混凝土試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，此前中國(guó)學(xué)者更加詳細(xì)地考慮了熱應(yīng)力之前，通過(guò)熱粘合模型來(lái)模擬起伏力，本文提供了溫度應(yīng)力區(qū)提供了理論依據(jù)。天津大學(xué)趙代深對(duì)銅街子碾壓混凝土壩和五強(qiáng)溪溫度和應(yīng)力場(chǎng)模擬研究了其他項(xiàng)目的，模擬的全過(guò)程，提出了增量動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)，清華大學(xué)等單位，專門的開發(fā)已經(jīng)完成混凝土溫度場(chǎng)有限元程序和數(shù)值模擬的應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算的蠕變，經(jīng)常應(yīng)用，已經(jīng)在實(shí)際工程驗(yàn)證。清華大學(xué)張國(guó)新，劉教授官?gòu)d實(shí)驗(yàn)觀察，并在以下三種方法，結(jié)合研究的最終溫度場(chǎng)的影響RCC一級(jí)的聯(lián)合分配初始溫度的數(shù)值計(jì)算方法。黎收揖，楊婷婷給出了具體的參數(shù)熱，為了與實(shí)驗(yàn)相比，遺傳算法的混凝土壩的溫度場(chǎng)的基礎(chǔ)上，我們反擊的分析。曹為民，謝先坤用層疊元模型朱岳明提出雙線性過(guò)渡部分，以簡(jiǎn)化大型模擬復(fù)雜的液壓一些結(jié)構(gòu)性問(wèn)題，后澆注混凝土模擬分層溫度場(chǎng)它的用途。趙提出了應(yīng)力分析的深刻代動(dòng)態(tài)模擬。陳里紅、傅作新教授等在溫度應(yīng)力分析中考慮了混凝土的軟化性能。陳敏林提出了估算應(yīng)力方法。

數(shù)值模擬具有以下優(yōu)點(diǎn)：1.在試驗(yàn)中經(jīng)常出現(xiàn)試驗(yàn)條件變化或環(huán)境的變化是不可避免的，因此試驗(yàn)結(jié)果也會(huì)常常出現(xiàn)誤差，但是數(shù)值模擬可以根據(jù)需要設(shè)置相應(yīng)的試驗(yàn)條件及環(huán)境條件，這樣就可以避免試驗(yàn)結(jié)果隨客觀環(huán)境變化而變化的弊端，進(jìn)而能保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。2.眾所周知，混凝土試驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)，且對(duì)人的操作具有較高的要求，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生大量的建筑垃圾，試驗(yàn)環(huán)境也相當(dāng)艱苦，從事試驗(yàn)的研究人員，也會(huì)長(zhǎng)時(shí)間的吸食水泥漂浮顆粒，危害身體健康。而采用計(jì)算機(jī)模擬就可以將以上問(wèn)題避免，省時(shí)、省力且環(huán)保。3.混凝土試驗(yàn)大都研究的混凝土宏觀的力學(xué)性能，而數(shù)值模擬能研究混凝土的微觀結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，能從微觀的角度解釋混凝土的破壞機(jī)理。

關(guān)于凍融循環(huán)對(duì)混凝土的破壞作用，前人已經(jīng)做了較多的研究，但大都以試驗(yàn)的方法進(jìn)行的，而采用有限元模數(shù)值擬的較少，且不充分。論文以傳熱學(xué)、損傷力學(xué)、彈塑性力學(xué)，有限元法等知識(shí)為理論基礎(chǔ)，并對(duì)混凝土凍融循環(huán)的實(shí)際環(huán)境進(jìn)行適度的簡(jiǎn)化后，建立了混凝土凍融循環(huán)模型，并與試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比，以驗(yàn)證所建立模型的可行性，為今后混凝土凍融循環(huán)的數(shù)值模擬提供一定依據(jù)。以較小的代價(jià)，盡可能真實(shí)地模擬混凝土受壓和凍融循環(huán)試驗(yàn)是本文的目標(biāo)。（作者單位：內(nèi)蒙古自治區(qū)建材產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)院）