非饱和水泥基材料中水分传输的数值模拟研究

摘要

钢筋混凝土结构的耐久性一直是困扰土木工程界的热点问题，它不仅关乎节省材料、节约能源以及保护环境等重大问题，并且对经济、社会的可持续发展具有重要意义。对于水泥基材料的诸多耐久性劣化问题，水分的存在及传输过程是不可或缺的必要条件和关键因素。一方面，水既是有害介质（如氯离子、硫酸根离子）侵入混凝土结构内部的重要载体；另一方面，它又是水泥基材料中绝大多数劣化反应（物理、化学）发生所需要的必要条件。水泥基材料中水分主要以毛细吸附、湿扩散和压力渗透三种形式运动。不同条件下，水分的传输机理也会大不相同。因而，为了保证准确地分析水泥基材料的劣化情况，进而对其全寿命周期做出精确预测，最核心的问题就是确定水泥基材料中水分的传输以及分布规律。为此，基于有限单元法（FEM），本文建立了不同种类水泥基材料水分传输的细观有限元模型，并系统地开展了均质砂浆、开裂水泥基材料、三相复合混凝土以及五相复合再生混凝土中水分传输的数值模拟研究。开展的具体工作及得出的主要结论如下： （1）针对水泥基材料中水分传输试验方法与模拟手段，系统地概述了国内外学者的研究成果，总结了水泥基材料中三种运动状态下的水分传输理论。以毛细吸附作用为主要驱动力，推导了非饱和水泥基材料水分传输数值模拟的微分控制方程，采用 Galerkin 法给出了控制方程的有限元离散形式，并利用有限元软件COMSOL实现了水泥基材料中水分传输过程的细观数值仿真分析。 （2）制备了与对比试验中配合比相同的砂浆试件，进行了定水头压力渗透试验以及长达150天的吸附脱附试验，获得了控制方程中所需参数值，从而建立了更满足实际情况的水泥基材料水分传输模型，更有效地为后续数值模拟提供理论依据及模型支撑。 （3）基于 Richards 方程，建立了三种带裂缝砂浆水分传输的细观有限元模型，实现了含单条及多条裂缝非饱和砂浆水分传输的二维模拟，结合文献中试验数据，对比验证了模型的准确性和可靠性。进一步开展了中断水源后开裂砂浆中水分持续前进的重分布规律研究。最后分析了裂缝尺寸、基体初始饱和度、裂缝倾斜角以及裂缝条数对水分分布的影响，结果表明，裂缝长度、宽度、基体饱和度、裂缝条数与水分前锋的渗入深度呈正相关，而裂缝倾斜角与水分前锋的侵入深度呈负相关。 （4）基于混凝土的非均质特性，建立了“旧骨料-旧界面-旧砂浆-新界面-新砂浆”五相复合再生混凝土模型，开展了再生混凝土中水分传输过程的细观数值仿真分析，探究了再生混凝土中水分分布规律。数值结果表明，再生混凝土中由于二重界面以及粘结旧砂浆的影响，水分传输速度明显快于普通混凝土。通过参数敏感性分析发现，粘结旧砂浆的厚度、再生骨料取代率以及骨料体积分数是决定水分含量的主要因素。

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