混凝土濕-力耦合作用研究

摘要：混凝土是當(dāng)今世界上最重要的建筑材料，而我國是世界上生產(chǎn)和使用混凝土最多的國家之一。由于混凝土生產(chǎn)使用過多，導(dǎo)致耐久性問題一直得不到解決。其中混凝土開裂問題尤為嚴(yán)重，而混凝土開裂問題中絕大多數(shù)受濕度變化影響。但在混凝土濕度場研究過程中，大部分學(xué)者將研究重點放在溫度場、濕度場耦合分析中，常忽略外部荷載對內(nèi)部相對濕度的影響。本文主要從濕度場和應(yīng)力場基本理論出發(fā)，建立濕度場-應(yīng)力場耦合關(guān)系，為研究混凝土濕-力耦合提供理論依據(jù)，進(jìn)一步為混凝土耐久性研究提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：混凝土濕度場;混凝土變形;濕-力耦合作用;混凝土耐久性

引言

混凝土是一種復(fù)雜的多孔多相材料，由于混凝土所處環(huán)境不同造成結(jié)構(gòu)特性也不同，因此人們對混凝土結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量要求更加嚴(yán)格。與此同時人們對早齡期混凝土的應(yīng)力及開裂分析也高度重視了起來，而濕度場變化對于混凝土開裂有很大影響。目前大多學(xué)者對濕度場研究僅限于溫度場和濕度場耦合，認(rèn)為應(yīng)力場對濕度場影響較小，可以忽略。但實踐證明，單獨研究混凝土溫-濕度耦合已不足以滿足要求。應(yīng)從應(yīng)力場角度分析濕度場，建立濕-力耦合關(guān)系。將對研究混凝土耐久性，預(yù)防混凝土開裂及破壞極具意義。

混凝土濕度場基本理論

混凝土是一種多孔介質(zhì)材料，其內(nèi)部濕度場研究符合Fick第二定律，即混凝土內(nèi)部可蒸發(fā)水含量q_x與內(nèi)部相對濕度梯度成正比例關(guān)系。由質(zhì)量守恒定律可得，非穩(wěn)態(tài)研究狀態(tài)下的濕度場擴(kuò)散控制方程[1]如下：

?h/?t=?/?x [D_x （h）?h/?x]+?/?y [D_y （h）?h/?y]+?/?z [Dz（h）?h/?z]+（?Q_T）/?t+（?Q_h）/?t+（?Q_c）/?t（1）

式中：h，混凝土相對濕度;D（h），混凝土濕度擴(kuò)散系數(shù);（?Q_T）/?t，由溫度引起的混凝土濕度擴(kuò)散流動速率;（?Q_h）/?t，由水泥水化引起的混凝土濕度消耗速率;（?Q_c）/?t，由碳化反應(yīng)引起的混凝土濕度消耗速率。

目前研究混凝土多數(shù)為普通硅酸鹽水泥混凝土，由于水灰比較大，可不考慮自干燥，溫度以及碳化對于濕度擴(kuò)散的影響，故濕度擴(kuò)散方程可以簡化為下式：

?h/?t=D（h）?/?x （（?^2 h）/（?x^2 ）+（?^2 h）/（?y^2 ）+（?^2 h）/（?z^2 ））（2）

混凝土體積變形分類及誘因

混凝土結(jié)構(gòu)所處環(huán)境承受著不同荷載，而在不同荷載作用下，會造成混凝土體積發(fā)生變形，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土自身或者結(jié)構(gòu)發(fā)生開裂，甚至破壞。造成混凝土變形開裂的荷載主要有兩類：第一類與混凝土自身結(jié)構(gòu)相關(guān)，比如靜荷載、動荷載、其它外部荷載等，第二類與混凝土所處環(huán)境相關(guān)，比如溫度、收縮、混凝土不均勻沉降變形等。

引起混凝土變形的主要誘因有以下四類：第一類為溫度變化，溫度變化主要有兩種，第一種是外部環(huán)境溫度變化，比如混凝土熱脹冷縮、凍融循環(huán)等。第二種是混凝土材料自身溫度變化，比如混凝土內(nèi)部水泥水化反應(yīng)也會導(dǎo)致混凝土發(fā)生體積變形;第二類為濕度變化，混凝土內(nèi)部或者表面的水分發(fā)生蒸發(fā)、遷移或者其他原因?qū)е禄炷羶?nèi)部濕度增加或減少而造成的變形可歸類于濕度變化引起的變形，比如混凝土塑性收縮、干燥收縮、濕脹問題，低水灰比混凝土導(dǎo)致的自干燥問題等;第三類為化學(xué)反應(yīng)，由于混凝土材料或者所處環(huán)境發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成混凝土自身體積發(fā)生變化導(dǎo)致的體積變形，比如化學(xué)收縮、碳化收縮、堿集料反應(yīng)膨脹等;第四類為結(jié)構(gòu)荷載作用，當(dāng)結(jié)構(gòu)荷載作用程度為該混凝土極限荷載的35%以下時，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)體積不會發(fā)生變化，當(dāng)結(jié)構(gòu)荷載作用程度為該混凝土極限荷載的50%時，混凝土表面會出現(xiàn)細(xì)微裂縫，但不會對結(jié)構(gòu)體積產(chǎn)生影響，而作用程度增加到70%時，混凝土表面裂縫會向內(nèi)部延伸，進(jìn)一步造成混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生破壞，進(jìn)而間接導(dǎo)致混凝土體積發(fā)生變形[2]。

混凝土濕-力耦合

在荷載作用下，當(dāng)體積發(fā)生變形時會直接影響混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，進(jìn)而間接導(dǎo)致混凝土內(nèi)部孔隙率發(fā)生變化[3]?？紫堵实淖兓瘯苯訉?dǎo)致混凝土內(nèi)部相對濕度的轉(zhuǎn)移。在受壓狀態(tài)下，混凝土內(nèi)部孔隙率降低，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部飽和度增加，滲透性能降低。同時混凝土內(nèi)部小孔隙中的水分會進(jìn)入到大孔隙中，從而引起內(nèi)部水分重新分布?；炷翝穸葓雠c應(yīng)力場之間的耦合關(guān)系可根據(jù)如下理論建立。

多孔介質(zhì)材料毛細(xì)孔壓力內(nèi)應(yīng)力可用下式估算：

σ_c=（P_c V_p）/（1-V_p ）（3）

式中：V_p為孔隙率，普通強(qiáng)度混凝土中，孔隙率為15%-20%;P_c為毛細(xì)壓力

Kelvin方程如下：

RTlnH=M_W/ρ_S ?P_c（4）

式中：R，理想氣體常數(shù);M_W，水摩爾質(zhì)量;T，絕對溫度;ρ_c，液態(tài)水密度;H，混凝土相對濕度。

根據(jù)公式（3）和公式（4）可計算出毛細(xì)孔壓應(yīng)力值

σ_c=（RTlnHρ_s V_p）/（M_w （1-V_p））（5）

故

H=exp?（（σ_c M_w （1-V_p））/（RTρ_s V_p ））（6）

結(jié)束語

本文從混凝土濕度場與應(yīng)力場基本理論出發(fā)，介紹了混凝土濕度場基本擴(kuò)散控制方程，分析概括了混凝土體積變形分類及誘因。同時通過Kelvin方程建立了混凝土濕度場與應(yīng)力場之間的耦合關(guān)系，為混凝土濕-力耦合研究提供了理論依據(jù)，為混凝土耐久性研究提供了理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王寧. 考慮性態(tài)變化的早期混凝土多場耦合分析及其應(yīng)用[D].天津大學(xué)，2014.

[2]張舒柳. 荷載-環(huán)境耦合作用下硅烷復(fù)合乳液對混凝土的防護(hù)效果及機(jī)理研究[D].青島理工大學(xué)，2020.

[3] 杜明月. 基于微孔結(jié)構(gòu)演化的早齡期混凝土熱-濕-力耦合模型研究[D].浙江大學(xué)，2015.

作者簡介：王京昌（1998.2.7）男，漢族，山西省左云縣人，碩士研究生在讀，研究方向：建筑與土木工程，混凝土的性能研究。