基于多孔介质湿热传输理论的混凝土湿热耦合变形数值模拟及应用

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1、东南大学博士学位论文基于多孔介质湿热传输理论的混凝土湿热耦合变形数值模拟及应用姓名：陈德鹏申请学位级别：博士专业：材料学指导教师：钱春香20071025东南大掌博士掌位论文应用，对浅埋湖底隧道主体结构混凝土材料的变形及发展规律进行了数值模拟分析。研究成果一方面为分析预测混凝土变形及其发展规律提供了便捷的手段，另一方面也从理论上丰富了混凝土变形数值模拟的研究，也为从控制体积稳定性方面改善混凝土材料及结构耐久性提供了理论依据。在混凝土湿热传输及耦合变形计算的基本理论研究方面，对混凝土体积稳定性及体积变形的湿、热变化本质、多孔介质混

2、凝土湿热耦合变形机理、湿热传输机理及其相关数理方程进行了深入研究。经过分析总结，明确提出混凝土体积变形有其湿、热变化本质，是材料内部及表面温、湿度状态的反映，无论在混凝土浇筑后早期水泥水化过程中，还是在混凝土结构服役运营期间，温、湿度变化都是影响混凝土材料变形的最重要因素。混凝土是一种典型的多孔介质材料，其内部湿热传输类似于一般多孔介质材料的传输原理及模型，混凝土内部湿传输机理在于蒸汽、液态水的扩散。水蒸汽的传输符合液体扩散原理，也是混凝土湿传输的主要形式。根据混凝土的实际孔结构尺寸。其内部水分扩散应由分子扩散和Knudsen

3、扩散共同作用。这些都为进行混凝土湿热耦合变形数值模拟计算提供了理论依据。在混凝土湿热耦合变形数值模拟计算方面，经过系统研究分析，提出了适用于混凝土的湿热耦合传输方程、“基于多孔介质湿热传输的耦合变形数值模拟计算方法体系”及“基于VisualBasic调用Matlab及ANSYS”软件开发策略，并通过混合编程实现了《混凝土湿热耦合变形数值模拟计算软件(CTMSoft)》的开发。首先，结合多孔介质湿热耦合传输过程的系统分析及已有的研究成果，提出了考虑相变、Knudsen扩散及内部存在湿、热源情况下的混凝土湿热耦合传输通用偏微分方程

4、(一维)，并对湿、热传输问题的定解条件进行了分析。提出了由求解湿热耦合传输方程的数值解析法、混凝土内部湿度分布的应力转化法、湿热耦合变形模拟的有限元分析法等组成的基于多孔介质湿热传输的混凝土湿热耦合变形数值模拟方法体系，并详细的探讨了各方法的实现过程。根据基于VisualBasic调用Matlab及ANSYS的软件开发策略，经分析比较及试验性运行检验之后确定了采用ActiveX自动化技术实现在用户界面调用Matlab；采用Shell函数与APDL命令流结合简单操作实现调用ANSYS的方法；各编程开发工具之间通过中间文件传递参数

5、、输入数据及运行结果。编制开发的CTMSoft可用于实现不同试件尺寸类型、边界条件类型、混凝土湿热物性参数变化与否及环境温湿度变化等情况下的混凝土湿热耦合变形数值模拟分析。利用本文提出的混凝土湿热耦合变形数值模拟方法体系对HUNDT混凝土变形试验、室内干燥收缩试验及湿热耦合变形试验等进行了数值模拟分析，验证了基于多孔介质湿热传输原理的混凝土湿热耦合变形数值模拟方法的有效性。在参数确定及试验研究方面，对数值模拟分析中必需的主要湿热物性参数的确定方法进行了研究，并开展了相关试验。提出了基于硬化混凝土结构及组成的基本热物参数推算方法

6、，解决了常规方法(从混凝土拌合前原材料进行推算)不能反映混凝土凝结硬化过程中的化学反应对其的影响及热物参数随温度的变化事实而存在的弊端。利用差示扫描量热仪测试法(DSC法)对未水化水泥颗粒、硬化水泥浆体的比热容进行了测定，并在此基础上对混凝II摘要土比热进行了推定。相关实验及分析结果表明，该方法测定水泥基材料的比热容，具有结果准确、精确度高的优点。不同方法的推算结果与平行平板试验结果的比较分析表明，本文提出的推算方法理论基础更加合理，计算结果更为可靠。对混凝土湿扩散系数的确定方法进行了分析研究，提出了考虑Knudsen扩散的湿

7、扩散修正系数及计算方法，在温度为20"C时，Knudsen扩散系数K，的取值约为0．9271。在混凝土湿热祸合变形数值模拟应用研究方面。结合课题组实际科研项目的研究工作，将湿热耦合变形理论模拟计算应用于实际，对某浅埋湖底隧道主体结构混凝土在实际环境温湿度变化情况下的变形发展进行了数值模拟分析，并与现场实际测试及光纤光栅监测结果进行了比较分析。试验及数值模拟结果表明：距离内表面越近，随环境温、湿度的波动幅度越大，且其变化比实际环境温、湿度变化在时间上有一定滞后：而在隧道外侧的混凝土则变化波动很小；湿度变化曲线与温度变化曲线呈现相

8、对的变化趋势，大约在八、九月份时的较大的湿度变化，应该与混凝土在此时期内的蒸发比较活跃有关。数值模拟与现场实测结果的比较分析发现：模拟值与实混凝土变形随时间的发展走势基本相同，不同时间二者的数值相差很小(不超过30×100)，比较准确地反映了混凝土在实际环境中的变形发展情况。