ECC混凝土自由收縮分析

摘要：利用有限元分析方法對(duì)ECC混凝土進(jìn)行自由收縮分析，考慮尺寸和鋼筋參量對(duì)ECC強(qiáng)度的影響，分析結(jié)果表明：相同鋼筋摻量情況下，隨著混凝土強(qiáng)度增加，混凝土內(nèi)部濕度越大，相同時(shí)間內(nèi)濕度降低量最??；相同混凝土強(qiáng)度下，隨著鋼筋增量的增加，混凝土內(nèi)部濕度越大，相同時(shí)間內(nèi)濕度降低量最小。綜合來(lái)看，混凝土強(qiáng)度對(duì)混凝土濕度場(chǎng)影響大于鋼筋摻量。

關(guān)鍵詞：有限元ECC混凝土濕度強(qiáng)度

AnalysisofFreeShrinkageofECCConcrete

ZHANGYingjiaZHANGZhenya*WUZexu

SchoolofArchitectureandTransportationEngineering，NingboUniversityofTechnology，Ningbo，ZhejiangProvince，315211China

Abstract：Inthispaper，freeshrinkageanalysisofECCconcreteiscarriedoutbyFiniteElementAnalysismethod，theinfluenceofsizeandreinforcementparametersonECCstrengthareconsidered.Analysisresultsshow：Underthesameamountofsteelreinforcement，withtheincrease ofconcretestrength，thegreaterthehumidityinsidetheconcrete，thesmallesthumiditydecreaseinthesametime;Underthesameconcretestrength，withtheincreaseofsteelreinforcementincrement，theinternalhumidityofconcreteincreases，andthedecreaseinhumidityisthesmallestwithinthesametime.Onthewhole，theinfluenceofconcretestrengthontheconcretemoisturefieldisgreaterthanthatofsteelreinforcement.

KeyWords：FiniteElement;ECCconcrete;Humidity;Strength

混凝土是多孔復(fù)合材料，含有更多的水分，隨時(shí)間、空間的變化，水分不斷減少，從而會(huì)影響混凝土內(nèi)部的孔隙度和濕度[1-3]。由于混凝土內(nèi)外材料的擴(kuò)散系數(shù)不同，導(dǎo)致在混凝土內(nèi)部形成濕度變化梯度，其混凝土收縮變形與應(yīng)力都是濕度梯度的直接影響結(jié)果[4-7]?；炷翝穸葓?chǎng)是一個(gè)復(fù)雜且非線性瞬態(tài)場(chǎng)，直接想通過(guò)理論求解相當(dāng)困難，所以常常借助數(shù)值求解[8-10]。

本文針對(duì)ECC混凝土自由收縮性能進(jìn)行分析，分析模型是2000mm×60mm×20mm，通過(guò)改變鋼筋摻量與ECC強(qiáng)度，共計(jì)9個(gè)分析工況。本文主要研究的問(wèn)題是混凝土濕度場(chǎng)分析與收縮變形行為。下面分別從建模過(guò)程及結(jié)果分析兩方面詳細(xì)介紹。

1有限元模型建立

1.1.1有限元網(wǎng)格

考慮原本結(jié)構(gòu)與其邊界條件的對(duì)稱性，對(duì)ECC自由收縮分析模型采用軸對(duì)稱建模。圖1所示試件的有限元網(wǎng)格。

模型X方向?yàn)殚L(zhǎng)度方向、Y方向?yàn)閷挾确较?、Z方向?yàn)楦叨确较?，模型關(guān)于XZ平面、YZ平面對(duì)稱。結(jié)構(gòu)有限元模型故此采用正六面體拓?fù)渚W(wǎng)格劃分，單元類型為六面體八節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格數(shù)目為15000。

1.1.2材料屬性

ECC彈性模量為40GPa，泊松比0.28。不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土與鋼筋摻量的濕擴(kuò)散系數(shù)如表1所示。

表中，h為濕度；C30_2%則表示ECC材料強(qiáng)度為C30，鋼筋摻量為2%，其他意義相同；表中濕擴(kuò)散系數(shù)單位為1×10-6m2/d。

從表1可知，對(duì)不同的鋼筋摻量以及混凝土材料強(qiáng)度，其濕度的擴(kuò)散系數(shù)則不同，可見(jiàn)濕度的擴(kuò)散系數(shù)和濕度是正相關(guān)。在Abaqus軟件中，需要建立濕度傳導(dǎo)系數(shù)與溫度變化的函數(shù)，說(shuō)明該材料屬性，如圖2所示。

1.1.3邊界條件

在求解時(shí)，首先建立2個(gè)邊界條件—位移邊界條件和濕度擴(kuò)散界面邊界條件；外加初始的一個(gè)條件。

設(shè)置位移邊界條件：X方向、Y方向、Z方向都采用全約束邊界條件。

表面濕度擴(kuò)散邊界條件假設(shè)環(huán)境濕度60%，其表面的擴(kuò)散系數(shù)為32×10-3m/d。則試件的5個(gè)面能與空氣界面濕度交換，讓底面是絕對(duì)濕度邊界條件（假定其試件完全放置在底面上，完全與空氣隔絕）。Abaqus中設(shè)置界面如圖3所示。

初始條件設(shè)置為ECC混凝土的初始濕度為100%。

1.1.4求解設(shè)置

求解類型為熱-力耦合求解，采用瞬態(tài)求解格式。求解時(shí)長(zhǎng)為30d。設(shè)置界面如圖4所示。

1.1ECC混凝土自由收縮分析結(jié)果

圖5所示結(jié)果為2000mm×60mm×20mm材料試件，強(qiáng)度為C30和鋼筋的摻量為3%在不同齡期的收縮位移的分布云圖。

由圖5可以看出，材料ECC混凝土的收縮變形主要沿著X方向，這可能是與X方向尺寸大于其他兩個(gè)方向的尺寸有關(guān)。例如：ECC強(qiáng)度等級(jí)為C40、C50以及鋼筋摻量為4%和5%時(shí)，其收縮規(guī)律基本相似，此處不再贅述。

圖6所示材料為C30強(qiáng)度、3%鋼筋摻量下試件尺寸2000mm×60mm×20mm不同齡期的濕度場(chǎng)分布云圖。

由圖6可以看出，材料ECC混凝土濕度場(chǎng)分布規(guī)律為：外表面的濕度和空氣濕度基本相同，另外濕度緩慢向內(nèi)增大的變化規(guī)律；同時(shí)，沿著X的方向其濕度場(chǎng)分布比較均勻，在Y、Z的方向上濕度梯度比較凸顯；隨著齡期時(shí)間的逐漸增加，則ECC混凝土材料最大的濕度值緩慢降低，且濕度的變化速率有所下降。

為了方便理論分析材料ECC混凝土的濕度場(chǎng)隨時(shí)間變化規(guī)律，分別在模型內(nèi)表面（點(diǎn)1）、中間層（點(diǎn)2）、外表面（點(diǎn)3）上設(shè)置三個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，分析ECC混凝土內(nèi)部濕度場(chǎng)隨育齡時(shí)間變化。

由圖7可知，混凝土外表面濕度最小，且隨時(shí)間變化量最大，隨著深度增加，混凝土濕度變化量逐漸降低，內(nèi)表面濕度最大。伴隨時(shí)間逐漸增加，則混凝土的濕度改變速率緩慢降低。其他不同情況存在與之類似的規(guī)律。

為了對(duì)比分析不同鋼筋摻量、ECC強(qiáng)度對(duì)混凝土濕度場(chǎng)影響，圖8至圖11為不同條件下混凝土內(nèi)部濕度變化規(guī)律對(duì)比圖。

2結(jié)論

• 相同鋼筋摻量情況下，隨著混凝土強(qiáng)度增加，混凝土內(nèi)部濕度越大，相同時(shí)間內(nèi)濕度降低量最小，
• 相同混凝土強(qiáng)度下，隨著鋼筋增量的增加，混凝土內(nèi)部濕度越大，相同時(shí)間內(nèi)濕度降低量最小，
• 綜合來(lái)看，混凝土強(qiáng)度對(duì)混凝土濕度場(chǎng)影響大于鋼筋摻量。

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