1、干缩对大体积水工混凝土早期裂缝影响研究摘要： 混凝土干缩是由于混凝土水分损失（如蒸发、干燥等）引起的体积缩小变形。干缩对混凝土结构的性能有着重要的影响。干缩变形会使混凝土结构的表面产生拉应力从而可能导致裂缝。研究证明，干缩引起混凝土结构表面出现的各种网状表面裂缝。以往的研究常认为干缩影响深度很小，只对混凝土薄壁结构有影响，但近来研究表明，干缩应力对大体积水工混凝土的影响也是相当大。本文研究施工期混凝土干缩变化对大体积水工混凝土早期裂缝的影响。 关键词：干缩大体积水工混凝土湿度场早期裂缝 中图分类号：TU375 文献标识码：A 文章编号： 混凝土早期表面裂缝的根本原因是混凝土表面温度与湿度的变化
2、引起的表面应力超过了混凝土早期的抗裂能力。尽管混凝土内部湿度改变缓慢，但边界上湿度的变化速度超过了其温度对环境温度的响应。因此，研究湿度场引起的干缩应力，是大体积水工混凝土施工仿真的一个重要问题。 1 干缩机理 混凝土的收缩、徐变特性通常被认为是由一些共同的基本因素所决定的，不同的是徐变是在应力作用之下产生的，收缩的产生则与应力无关，其中干缩与水分损失有关。通常将干缩的机理归纳为以下三种理论：1）表面张力理论。混凝土干缩是水泥胶凝分子间的表面张力结果，是表面自由能的产物。张力随着水分子减少而减小，当水分子消失时，分子之间的应力增加，水泥胶凝材料趋于收缩。 2）毛细管张力理论。混凝土干燥收缩过程
3、与其毛细管中水的液面有关，在毛细管水蒸发过程中，混凝土处于不断增强的压缩状态，致使体积缩小。20 世纪 80 年代后期有学者认为这种毛细管张力只在高湿度环境下才对干缩起作用。 3）劈张力理论。混凝土开始干燥时所损失的自由水并不引起其的收缩，干燥收缩的主要原因是吸附水的消失。因为当水泥浆中胶凝质点间的距离小于 10 个水分子的厚度时，则吸附在其间的水分子就会产生一种劈张力来平衡胶凝质点间的分子引力，当吸附水消失时，造成混凝土材料的体积收缩。 混凝土结构的干缩应力计算的前提是确定湿度场。求解湿度场时，可根据相应的理论建立湿度运移数学模型，引入初边界值条件，通过数值计算方法求出混凝土的湿度场随时间的
4、变化。然后，根据混凝土结构的湿度变形与湿度之间的关系，计算出湿度变化产生的干缩应力。但是由于混凝土结构的湿度场具有非线性特征，且计算参数不易确定，导致混凝土结构的湿度场及干缩应力的计算要比温度场与温度应力困难得多。本文根据湿度场基本理论，利用 Ansys 建立了三维模型，对混凝土结构的湿度场、干缩应力进行了探讨。 2 湿度场、干缩应力的求解理论 2.1 湿度场方程 把混凝土材料看作多孔介质，其湿度场可用扩散定律和质量守恒定律来描述。 1）扩散定律： 考虑简单的浓度扩散问题：设空间域 中，在微小时段 dt 内，通过微元面积 dS 扩散的质量与浓度 N(x，y，z，t)沿该曲面法线 dS 方向的导
5、数成正比，即 (1） 式中：dm在无穷小时段 dt 内经过一个无穷小面积 dS 的扩散物质的量； N(x，y，z，t)空间域 中任意点（x，y，z）扩散物质时刻 t的浓度； D(x，y，z)扩散系数。 2）质量守恒定律 设存在一闭曲面 ，它所包围的区域为 ，则从时刻 t1 到 t2 通过此闭曲面扩散的物质的量为 (2） 物质扩散产生的浓度变化使得在时间间隔中，闭曲面内的物质浓度从 N(x，y，z，t1)变化到 N(x，y，z，t2)，如果这个浓度在闭曲面围成的空间域内没有其他的损失，则物质总的变化量为 (3） 根据质量守恒定律，则 (4） 利用积分变换公式，可以得到 (5） 由上式可见，湿度扩
6、散方程与热传导方程具有相同的形式，因此可利用 Ansys 的热分析功能来进行湿度场模拟。 2.2 湿度场计算参数 计算湿度场所涉及的参数有：湿度扩散系数、边界扩散函数等。试验证明湿度扩散系数、表面湿度传导系数与混凝土湿度、温度、混凝土级配特别是水灰比等关系密切，且具有较强的非线性。 1）湿度扩散系数 若认为各向扩散系数相等，将湿度扩散系数 Dx、Dy、Dz 表示为 D。 Baant 等人的试验证明湿度扩散系数与湿度、温度、混凝土级配，特别是水灰比等密切相关。 欧洲规范 CEB-FIP（90）建议，在恒温条件下，湿度扩散系数可表示为混凝土内部孔结构的湿度 h（1h0）的函数 (5） 式中：和分别
7、为当相对湿度以及饱和状态下的湿度扩散系数；，和为经验系数，可分别取 0.05、0.80 和 15。 CEB-FIP 推荐用下式估算饱和状态下的湿度扩散系数 Dsat (6） 式中，m2/d，Mpa，而则由平均抗压强度来估计，例如，Mpa。 2、边界扩散函数 边界扩散函数的大小对表层混凝土的湿度扩散影响明显，是干缩应力计算中的一个重要参数。但现有的研究尚未能提供一个较为全面的公式来描述边界扩散函数与各种因素的关系，可采用改进的 Menzel 方程来表示 (7） 式中，经验系数； 平均风速（m/s） ； 环境相对湿度。 总的来说，上述参数的确定具有很大不确定性。 2.3 湿度应力的计算方法 利用
8、Ansys 热（湿度）结构耦合分析，先计算湿度场，然后将热（湿度）单元转化为结构单元，再把湿度作为体荷载加入进行结构计算。 研究表明:混凝土内湿度和温度一样，服从扩散方程，而描述湿度扩散场的具体数学表达式与温度场完全相似，因此湿度扩散场的求解可借用温度场热传导边值问题的解法。然而与温度场、温度应力相比，湿度场及其干缩应力由于参数及边界条件往往不易确定。 研究表明干缩变形曲线的规律和数值与水泥成分、集料含量、结构的孔隙率有关。目前，对干缩应变与湿度损失之间的关系，至今尚未有一个统一的公式来描述，可借助试验结果得到的拟合公式来表示。 Baant 等认为干缩应变与湿度损失之间存在非线性关系，可用下式表示 (8） 其中为经验系数，一般在 0.00020.001 之间。由图 1 可以看出，当相对湿度损失在 50%以下时，干缩应变与湿度损失基本按线性变化。 图 1 Baant 干缩应变与湿度损失关系 在失水量较大的情况下，Asad 根据试验结果，给出的干缩应变和湿度之间的关系为 (9）
