CN114324832B - 混凝土水化-温-湿和压应力多场耦合模型构建方法 - Google Patents

混凝土水化-温-湿和压应力多场耦合模型构建方法 Download PDF

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CN114324832B CN202111408441.1A CN202111408441A CN114324832B CN 114324832 B CN114324832 B CN 114324832B CN 202111408441 A CN202111408441 A CN 202111408441A CN 114324832 B CN114324832 B CN 114324832B
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Abstract

本发明的混凝土水化‑温‑湿和压应力多场耦合模型构建方法，通过对不同压应力水平作用下的试验，获混凝土样品温、湿度随龄期变化的试验数据，并采用模型拟合得到压应力与相对湿度变化之间的关系，并将相对湿度‑压应力关系式代入水化‑温度‑湿度耦合模型中得到水化‑温度‑湿度‑压应力多场耦合模型。通过该模型，可以很方便混凝土在不同压应力作用水平下在任意时刻下温湿度数据，而不需要通过测试装置实时测试，具有快速、连续和无损的优点，对于混凝土早期裂缝控制研究具有指导意义。

Description

混凝土水化-温-湿和压应力多场耦合模型构建方法
技术领域
本发明属于混凝土检测技术领域，尤其涉及混凝土水化-温-湿和压应力多场耦合模型构建方法。
背景技术
混凝土因其良好的力学性能和较好的经济性已经成为使用最为广泛的建筑材料之一。混凝土良好的耐久性是保证结构的安全性以及服役寿命的前提。混凝土裂缝，特别是早期裂缝严重影响结构的耐久性。因此，开展混凝土早期裂缝控制研究是混凝土工程的重要研究方向之一。
早龄期混凝土内部的水化反应会造成温度与湿度的剧烈变化，对于早龄期混凝土水化- 温度-湿度三者的耦合关系已有较为深入的研究。但混凝土在内外约束作用下产生的温湿度应力及施工荷载等会对其湿度状态及分布产生影响，进而会反过来影响应力状态。但目前关于应力状态对内部温湿度影响研究较为缺乏。为能够更准确地预测早龄期混凝土内部的温度与相对湿度的变化，应力作用下早龄期混凝土温湿度响应规律的研究是十分必要的。构建考虑压应力影响下的混凝土早期的水化-温度-湿度-压应力耦合模型对早期裂缝控制研究的开展具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供了混凝土水化-温-湿和压应力多场耦合模型构建方法，通过监测不同压应力作用下混凝土试件的温湿度发展曲线，获得混凝土试件上温湿度变化的规律性曲线，实现无损连续监测。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
混凝土水化-温-湿和压应力多场耦合模型构建方法，包括如下步骤：
S1，浇筑：准备模具，并在模具中铺设多层塑料薄膜，然后在模具中浇筑混凝土；浇筑时，将三个PVC管垂直插入到模具中并与模具底部接触，并且PVC管固定在混凝土横截面中轴线处；
S2，养护：将浇筑完成后的混凝土试件放入养护室进行养护；初凝后在PVC管中放入温湿度探头，并用凡士林在PVC管顶部密封，当测得相对湿度为100％并稳定1分钟后，表示该探头湿度平衡；按预设观测周期进行持续温湿度测量，获得无压应力及有压应力下混凝土温湿度数据；
S3，混凝土中基本传热传湿控制方程为：
Figure GDA0003735370960000021
Figure GDA0003735370960000022
式中，ρ为混凝土的质量密度，kg/m3；cp为混凝土比热，J/(g·K)；T为混凝土即时温度，K； t为龄期，小时；λ为导热系数，W/(m.K)；h为混凝土相对湿度，％；Dh为混凝土湿度扩散系数，m2/s；
根据无压应力下混凝土温湿度测试数据，考虑温度时间、空间梯度以及湿度变形对湿度传输的影响，温度对湿度扩散系数的影响，湿度变形对湿度传输的影响，湿度的空间梯度对温度传输的影响，以及水化对混凝土自干燥和自热的影响，得到混凝土水化-温度-湿度多场耦合模型如下：
Figure GDA0003735370960000023
Figure GDA0003735370960000024
式中：D(h,T)为基于温度和湿度的湿度扩散系数，m2/s；δ为Soret系数，1/K；K为温湿耦合系数；1/K；
Figure GDA0003735370960000025
为
Figure GDA0003735370960000026
为因单位应变产生的相对湿度变化值，％；εv为混凝土湿度应变，με；εc(t) 为龄期t时刻的混凝土的收缩值，με；hhy为混凝土自干燥，％；ξ为Dufour系数，K；hlv为蒸发潜能， 2443.6kJ/kg；r为相变系数，取值0-1；k为等温吸附曲线斜率；Q为水泥水化产生的水化热，kJ；
S4，在预定龄期时，对混凝土试件进行加载；在另一预定龄期时，对混凝土试件进行卸载；
S5，依据不同压应力作用下混凝土温湿度变化数据进行分析，获得混凝土相对湿度-压应力关系式：
dh＝a+bh+cζ
并且获得常数a＝0.07524,b＝-3.25481,c＝3.01508；
S6，将相对湿度-压应力关系式带入水化-温度-湿度多场耦合模型中，得到水化-温度- 湿度-压应力多场耦合模型：
Figure GDA0003735370960000031
Figure GDA0003735370960000032
进一步的，S2中，三个PVC管内测点位置距混凝土表面的距离分别为7.5cm，5cm和2.5cm。
进一步的，S2中，养护条件为：温度20±1℃，相对湿度45±2％RH。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明所设计混凝土早期水化-温度-湿度-压应力多场耦合模型构建方法，通过对不同压应力水平作用下的试验，获混凝土样品上温、湿度随龄期t变化的试验数据，采用模型拟合得到压应力与相对湿度变化之间的关系，将相对湿度-压应力关系式代入水化-温度-湿度耦合模型中得到水化-温度-湿度-压应力多场耦合模型。该模型可以反映压应力大小σ对混凝土温、湿度的影响；不仅如此，通过该模型，可以获得不同压应力σ在任意时刻下温湿度数据，而不需要通过测试装置实时测试，具有快速、连续和无损的优点，对于混凝土早期裂缝控制研究具有指导意义。
附图说明
图1为温度试验值与预测值对比图。
图2至图5分别表示实施例中不同压应力σ(σ＝5.6MPa，σ＝8.4MPa，σ＝11.2MPa，σ＝14.0MPa)作用下混凝土湿度试验数据与本发明模型拟合结果的对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
混凝土水化-温-湿和压应力多场耦合模型构建方法，如图1-5所示，包括如下步骤：
S1，浇筑：准备模具，并在模具中铺设多层塑料薄膜，然后在模具中浇筑混凝土；浇筑时，将三个PVC管垂直插入到模具中并与模具底部接触，并且PVC管固定在混凝土横截面中轴线处。
S2，养护：将浇筑完成后的混凝土试件放入养护室进行养护；初凝后在PVC管中放入温湿度探头，并用凡士林在PVC管顶部密封，当测得相对湿度为100％并稳定1分钟后，表示该探头湿度平衡；按预设观测周期进行持续温湿度测量，获得无压应力及有压应力下混凝土温湿度数据；
三个PVC管内测点位置距混凝土表面的距离分别为7.5cm，5cm和2.5cm；
养护条件为：温度20±1℃，相对湿度45±2％RH。
S3，式中，ρ为混凝土的质量密度，kg/m3；cp为混凝土比热，J/(g·K)；T为混凝土即时温度，K；t为龄期，小时；λ为导热系数，W/(m.K)；h为混凝土相对湿度，％；Dh为混凝土湿度扩散系数，m2/s；
根据无压应力下混凝土温湿度测试数据，考虑温度时间、空间梯度以及湿度变形对湿度传输的影响，温度对湿度扩散系数的影响，湿度变形对湿度传输的影响，湿度的空间梯度对温度传输的影响，以及水化对混凝土自干燥和自热的影响，得到混凝土水化-温度-湿度多场耦合模型如下：
Figure GDA0003735370960000041
Figure GDA0003735370960000042
式中：D(h,T)为基于温度和湿度的湿度扩散系数，m2/s；δ为Soret系数，1/K；K为温湿耦合系数；1/K；
Figure GDA0003735370960000043
为
Figure GDA0003735370960000044
为因单位应变产生的相对湿度变化值，％；εv为混凝土湿度应变，με；εc(t) 为龄期t时刻的混凝土的收缩值，με；hhy为混凝土自干燥，％；ξ为Dufour系数，K；hlv为蒸发潜能， 2443.6kJ/kg；r为相变系数，取值0-1；k为等温吸附曲线斜率；Q为水泥水化产生的水化热，kJ。
S4，在预定龄期时，对混凝土试件进行加载；在另一预定龄期时，对混凝土试件进行卸载。
S5，依据不同压应力作用下混凝土温湿度变化数据进行分析，获得混凝土相对湿度-压应力关系式：
dh＝a+bh+cζ
并且获得常数a＝0.07524,b＝-3.25481,c＝3.01508；
S6，将相对湿度-压应力关系式带入水化-温度-湿度多场耦合模型中，得到水化-温度- 湿度-压应力多场耦合模型：
Figure GDA0003735370960000051
Figure GDA0003735370960000052
本发明中模型的推导如下：
混凝土中基本传热控制方程为：
Figure GDA0003735370960000053
式中，ρ为混凝土的质量密度，kg/m3；cp为混凝土比热，J/(g·K)；T为混凝土即时温度，K；λ为导热系数，W/(m.K)。
将湿度的空间梯度对温度传输所产生影响纳入考虑：
Figure GDA0003735370960000054
式中，h为混凝土相对湿度，％；δ为Soret系数，1/K。
在混凝土的热传递控制方程中，还应该考虑相变的影响，因此根据焓的迁移方程，混凝土的温度传输方程可以表示为下式：
Figure GDA0003735370960000055
式中，hlv为蒸发潜能，2443.6kJ/kg；r为相变系数，取值0-1；k为等温吸附曲线斜率。
混凝土中基本传湿控制方程为：
Figure GDA0003735370960000056
式中，Dh为混凝土湿度扩散系数，m2/s。
考虑温度的空间梯度引起的湿度扩散效应：
Figure GDA0003735370960000057
式中，ξ为Dufour系数，K。
考虑到温度的时间梯度对湿度传输的影响：
Figure GDA0003735370960000061
式中，K为温湿耦合系数；1/K。
混凝土中的湿度扩散系数在相对湿度发生变化后也会发生变化，同样需要加以考虑：
Figure GDA0003735370960000062
式中，D(h,T)为基于温度和湿度的湿度扩散系数，m2/s。
考虑到混凝土中的湿度应变对湿度的影响：
Figure GDA0003735370960000063
式中，
Figure GDA0003735370960000064
为
Figure GDA0003735370960000065
为因单位应变产生的相对湿度变化值，％；εv为混凝土湿度应变，με；εc(t) 为龄期t时刻的混凝土的收缩值，με；。
混凝土中的水化程度则影响到混凝土的自干燥以及自热程度，将其纳入考虑，得到混凝土水化-温度-湿度多场耦合模型：
Figure GDA0003735370960000066
式中，hhy为混凝土自干燥，％；Q为水泥水化产生的水化热，kJ。
将相对湿度-压应力关系式带入水化-温度-湿度多场耦合模型中，得到水化-温度-湿度 -压应力多场耦合模型：
Figure GDA0003735370960000067
式中，a,b,c为经验常数，其中a＝0.07524,b＝-3.25481,c＝3.01508。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。上面对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以再不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (3)

1.混凝土水化-温-湿和压应力多场耦合模型构建方法，其特征在于,包括如下步骤：
S1，浇筑：准备模具，并在模具中铺设多层塑料薄膜，然后在模具中浇筑混凝土；浇筑时，将三个PVC管垂直插入到模具中并与模具底部接触，并且PVC管固定在混凝土横截面中轴线处；
S2，养护：将浇筑完成后的混凝土试件放入养护室进行养护；初凝后在PVC管中放入温湿度探头，并用凡士林在PVC管顶部密封，当测得相对湿度为100％并稳定1分钟后，表示该探头湿度平衡；按预设观测周期进行持续温湿度测量，获得无压应力及有压应力下混凝土温湿度数据；
S3，混凝土中基本传热传湿控制方程为：
Figure FDA0003735370950000011
Figure FDA0003735370950000012
式中，ρ为混凝土的质量密度，kg/m3；cp为混凝土比热，J/(g·K)；T为混凝土即时温度，K；t为龄期，小时；λ为导热系数，W/(m.K)；h为混凝土相对湿度，％；Dh为混凝土湿度扩散系数，m2/s；
根据无压应力下混凝土温湿度测试数据，考虑温度时间、空间梯度以及湿度变形对湿度传输的影响，温度对湿度扩散系数的影响，湿度变形对湿度传输的影响，湿度的空间梯度对温度传输的影响，以及水化对混凝土自干燥和自热的影响，得到混凝土水化-温度-湿度多场耦合模型如下：
Figure FDA0003735370950000013
Figure FDA0003735370950000014
式中：D(h,T)为基于温度和湿度的湿度扩散系数，m2/s；δ为Soret系数，1/K；K为温湿耦合系数；1/K；
Figure FDA0003735370950000015
为
Figure FDA0003735370950000016
为因单位应变产生的相对湿度变化值，％；εv为混凝土湿度应变，με；εc(t)为龄期t时刻的混凝土的收缩值，με；hhy为混凝土自干燥，％；ξ为Dufour系数，K；hlv为蒸发潜能，2443.6kJ/kg；r为相变系数，取值0-1；k为等温吸附曲线斜率；Q为水泥水化产生的水化热，kJ；
S4，在预定龄期时，对混凝土试件进行加载；在另一预定龄期时，对混凝土试件进行卸载；
S5，依据不同压应力作用下混凝土温湿度变化数据进行分析，获得混凝土相对湿度-压应力关系式：
dh＝a+bh+cσ
并且获得常数a＝0.07524,b＝-3.25481,c＝3.01508；
S6，将相对湿度-压应力关系式带入水化-温度-湿度多场耦合模型中，得到水化-温度-湿度-压应力多场耦合模型：
Figure FDA0003735370950000021
Figure FDA0003735370950000022
2.根据权利要求1所述的混凝土水化-温-湿和压应力多场耦合模型构建方法，其特征在于：S2中，三个PVC管内测点位置距混凝土表面的距离分别为7.5cm，5cm和2.5cm。
3.根据权利要求1所述的混凝土水化-温-湿和压应力多场耦合模型构建方法，其特征在于：S2中，养护条件为：温度20±1℃，相对湿度45±2％RH。
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