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本文从细观的角度将混凝土视为粗骨料、砂浆以及这两者之间的界面区组成的三相复合材料。由于这三相的渗透性及力学性能各不相同,它们在混凝土中的分布和损伤情况会影响混凝土的渗透性。通过试验及数值分析等方法,系统地研究了骨料分布和混凝土损伤对渗透性的影响。首先建立了骨料分布模型,考虑骨料及界面区分布的细观氯离子扩散、渗透模型和塑性损伤模型,然后通过试验得到了骨料含量和受压后细观损伤分布对混凝土渗透性的影响,并进行了数值模拟。主要研究成果如下:
1、提出采用计算几何学中的三维Voronoi图形的计算方法来建立三维骨料的随机分布模型。与以往的骨料随机投放方法相比,该方法没有骨料重叠的问题,从而可以模拟出骨料含量较高的骨料分布,计算更快,能够更好地实现对骨料含量、级配、骨料间距等参数的控制。
由于骨料在混凝土中是分散分布的,其连续性并不明确。本文提出了采用骨料截面的重叠率来判断骨料连续性的方法。通过混凝土切片照片或CT扫描图取得混凝土多个截面上的骨料截面分布,对骨料分布进行了三维重建。
2、通过在水泥砂浆中置入规则形状的骨料,在快速氯离子渗透试验后,计算出了界面区的扩散系数,其值约为砂浆的40倍。通过对骨料含量不同的试块进行快速氯离子渗透试验,研究了骨料含量对混凝土渗透性的影响,结果表明随着骨料的增加,虽然高渗透性的界面区也随之增加,但骨料对氯离子移动的阻碍作用在渗透过程中还是占据了主导作用,因此骨料含量越高,混凝土的氯离子扩散系数越小。在粗骨料分布模型基础上,建立了包含砂浆、骨料和几何厚度为零界面区的氯离子扩散和渗透有限差分模型,对不同骨料含量混凝土的氯离子渗透进行了数值模拟,模拟结果与试验结果相符。
3、通过对受压后产生不同程度损伤的混凝土试块进行快速氯离子渗透试验,研究了混凝土损伤对渗透性的影响。结果表明在加载初期,压力对混凝土有压实的作用,使裂纹闭合,损伤变量和扩散系数减小;随着混凝土应变的增加,裂纹不断地生成和扩展,损伤变量开始逐渐增大,扩散系数也随之变大。本文提出了相对裂纹闭合系数来描述裂纹闭合,弹性模量增加的过程,根据力学试验结果计算了损伤变量的演化发展。假设损伤变量和扩散系数线性相关,根据快速渗透试验结果对两者的关系进行了拟合。
4、采用Lubliner损伤模型模拟砂浆和骨料,用厚度为零的粘结单元来模拟界面区,建立了包含砂浆、骨料和界面区三相的混凝土细观塑性损伤有限元模型,研究了各相力学参数对混凝土应力-应变关系的影响,其中砂浆力学特性的影响最大,并根据试验结果对各相的极限应力和弹性模量进行了标定。
由CT图还原三维骨料分布后,根据混凝土的细观损伤模型计算结果,得到了损伤变量的分布及变化。假设砂浆单元损伤变量与扩散系数线性相关,根据试验数据拟合了两者的关系,得到不同损伤程度砂浆单元和界面区的扩散系数分布及变化后,进行了氯离子渗透的数值模拟。将模拟得到的扩散系数与试验结果进行了比较,两者都随混凝土应变的增加呈现先减小后增加的趋势,证明了损伤变量与扩散系数的相关性。