高温作用下混凝土热-水-力耦合损伤分析模型

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1、应用数学和力学，第33卷第4期AppliedMathematicsandMechanics2012年4月15日出版Vol．33，No．4，Apr．15，2012文章编号:1000-0887(2012)04-0444-16应用数学和力学编委会，ISSN1000-0887高温作用下混凝土热-水-力*耦合损伤分析模型李忠友，刘元雪(后勤工程学院军事建筑工程系，重庆401311)摘要:以混合物理论为基础建立了高温作用下混凝土的热-水-力耦合损伤分析模型．将混凝土视为由固体骨架、液态水、水蒸气、干燥气体和溶解气体共5种组分构成的混合物，模

2、型的宏观平衡方程包括各组分的质量守恒方程、整体的能量守恒方程及动量守恒方程，模型所需的状态方程及本构关系全部给出，最后给出基于4个主要参数(固体骨架位移、气压力、毛细压力和温度)的控制方程．模型考虑了混凝土在高温作用下，水分的蒸发与冷凝、胶结材料的水化及脱水、溶解气的溶解与挥发等相变过程;从材料变形破坏过程中能量耗散特征入手，基于Lemaitre应变等价性假说和能量守恒原理得到力学损伤演化方程，并考虑了高温引起的热损伤对材料力学性能及力学损伤演化规律的影响，建立了热-力耦合损伤本构模型．关键词:混凝土;高温;热-水-力;损伤模型中

3、图分类号:TL942文献标志码:ADOI:10．3879/j．issn．1000-0887．2012．04．006引言近年来，欧洲发生的几场严重的隧道火灾事故(如MontBlanc，Tauern，St．Gotthard等)表明，一旦发生火灾，大火除了对隧道内的人员造成巨大伤害外，还会由于高温破坏洞室结构，降［1-3］低衬砌的承载力和隧道的稳定性，甚至诱发坍塌破坏．隧道火灾的危害与混凝土的高温力学性能密切相关．混凝土在高温作用下，热传导过程、流体的流动过程和力学过程之间存在复［4-5］杂的交叉影响作用，对材料的内部结构及力学性能有很

4、大影响．因而为考虑火灾等高温作用对隧道承载力及稳定性的影响，有必要对高温作用下混凝土的热-水-力耦合行为进行分析．隧道火灾具有升温速度快，持续时间长等特点，高温不但会引起衬砌结构的强度劣化，有［5］时甚至会导致爆裂现象的发生．混凝土的爆裂是影响隧道结构稳定性的重要因素，但当前对混凝土爆裂的机理还没有统一的认识．一般认为混凝土的爆裂与高温引起的热膨胀及高孔［6-8］压有关，因而仅仅考虑热-力耦合无法反映上述现象的发生．近年来，由于隧道火灾事故的［9-15］频发，为了研究混凝土的高温性能和爆裂行为，部分学者提出了热-水-力耦合模型．混

5、凝土是由水泥等胶结材料和砂石等骨料，加水并掺入适量外加剂和掺合料拌制而成的*收稿日期:2011-04-13;修订日期:2011-12-12基金项目:国家自然科学基金资助项目(50979112)作者简介:李忠友(1983—)，男，辽宁阜新人，博士生(E-mail:lizhongyou0726@sina．com);刘元雪(1969—)，男，教授，博士生导师(联系人．E-mail:lyuanxew@vip．sina．com)．444李忠友刘元雪445结构材料，被公认是一种孔隙尺寸细小，包含固相、液相和气相的非饱和多孔多相介质和吸湿［16

6、］材料．其中固相由稳定的骨料、胶结材料组成;液相由液态水(包括结合水和毛细水)和溶解气组成;气相由干燥空气、水蒸气组成．当混凝土受到火灾等剧烈高温作用时，各相及各相之间会发生一系列物理化学变化，对孔压的变化、物质的迁移和温度的传播等现象具有重要的影响．孔隙中水的蒸发与冷凝是影响混凝土中温度传播及爆裂现象发生的重要因素．一方面，混凝土在高温作用下，孔隙中的水由于蒸发效应，由液态水转变为水蒸气，吸收大量的热，限制了混凝土温度的迅速升高;另一方面，高温引起部分水蒸气向混凝土内部移动，不断降低的温度［17］又使水蒸气凝结形成饱和水层阻止水

7、蒸气的迁移，即所谓的热阻现象，此时由于混凝土的［7，18］低渗透率和饱和水层限制，孔隙中的气压迅速增高，进而诱发混凝土的爆裂．混凝土的水化和脱水反应是混凝土在高温作用下的一种特殊相变过程．混凝土在温度小于95℃时会发生水化反应，形成硅酸盐凝胶，是混凝土微观结构的组成部分．当混凝土所受温［19］度超过110℃时，脱水反应将逐渐开始，混凝土中的结晶水在持续高温作用下将不断析出．在混凝土发生脱水反应的过程中，将会吸收大量的热，影响混凝土的水-热状态;另外大量的脱水将引起混凝土微观结构下孔隙度的增大，使混凝土的弹性模量和强度显著降低，这也

8、是混凝［6］土高温损伤的一种主要形式．混凝土中的空气(不包括水蒸气)可以分为两部分，即存在于气相中的干燥气体和存在于在水中的溶解气体．当温度和压力变化时，溶解气的溶解与挥发就会发生，这个过程十分复杂，对孔隙气体的压力有着重要的影响．许多研究表明，非