早龄期高性能约束砂浆环开裂机制数值模拟

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1、早龄期高性能约束砂浆环开裂机制数值模拟重庆大学硕士学位论文（学术学位）学生姓名：王晓莹指导教师：陈朝晖教授专业：土木工程学科门类：工学重庆大学土木工程学院二O一五年五月NumericalSimulationontheCrackingMechanismofEarly-AgeHighPerformanceRestraintMortarRingAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheMaster’sDegreeofEngineeringByWan

2、gXiaoyingSupervisedbyProf.ChenZhaohuiSpecialty:StructureEngineeringCollegeofCivilEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaMay,2015中文摘要摘要高性能混凝土是一种新型的高技术混凝土，其主要应用在高层、大跨等建筑或者桥梁工程中。但作为建筑材料，它本身也有其自身的弱点，即抗拉能力差，且此项弱点并未随着混凝土性能的提高而得到解决，相反的，由于高性能混凝土早期强度发展较快，发生的化学反应迅速且较为复杂，高水泥用量、低水胶比导

3、致的体积不稳定性很容易使混凝土在早期产生裂纹，而裂纹将降低混凝土的耐久性，使混凝土结构过早地劣化。本文在早龄期高性能约束砂浆环开裂试验的基础上，建立了计算约束砂浆环温度场、湿度场及其应力变化规律的数值模型，对早龄期高性能砂浆的应力应变发展规律及其影响因素进行了有限元分析。基于热传导理论，建立了考虑温度、干缩与自收缩、徐变及钢环的相对约束作用等多种效应综合作用下的约束砂浆环早龄期应力变化规律的有限元模型，分析了早龄期约束砂浆环中水泥水化热导致的温度应力、水分扩散作用产生的干缩与水化反应产生的自收缩等约束收缩应力的发展规律，与实际观察结果的对比表明，上述数值模

4、型是合理并适用的。基于Fick第二定律，建立了考虑水分扩散作用的砂浆环湿度场及其干缩应力的有限元模型，分析了干燥深度与环境湿度对砂浆内部湿度分布规律产生的影响。数值模型与Parrot湿度预测模型对比表明，双曲线模型误差比指数模型小，更能适用于低水灰比的水泥基材料。与收缩试验数据对比表明，水分扩散作用产生的干燥收缩占高性能砂浆总收缩变形的比重较小，水泥水化反应产生的自收缩占的比重较大。此外，在水泥水化过程中，温度和湿度是相互作用的，温湿度耦合因素是数值模型预测值与试验数据相差较大的原因之一。讨论了环境湿度变化、约束钢环与砂浆环的相对约束刚度、砂浆环内径与厚度

5、之比（R1/d）对砂浆环干缩应力的影响。分析结果表明：砂浆环的约束收缩应力随着约束度的降低逐渐减小；干缩应力随着砂浆环内径与厚度之比（R1/d）的减小而增大；当环境湿度较低时，砂浆环内部湿度梯度较大，与之对应的干缩应力比环境湿度较高时的干缩应力大，与同龄期砂浆抗拉强度的对比表明，较低环境湿度的砂浆环开裂较早，这与试验观察结果一致。关键词：有限元模型，温度场，湿度场，干燥收缩，收缩应力I英文摘要ABSTRACTHighPerformanceconcreteisanewkindofhightechnologyconcrete.It’swidelyapplied

6、inthehigh-risebuildings,largespanbuildingsorbridgeengineering.Butasconstructionmaterials,itstensileabilityispoor,whichhasnotbesolvedwiththeimprovementoftheperformanceoftheconcrete.Onthecontrary,duetotherapiddevelopmentofhighperformanceconcreteearlystrength,itschemicalreactionsareq

7、uickandmorecomplicated.Onaccountofthehighdosageofcementandlowwater-binderratio,theinstabilityofthevolumeiseasytomaketheconcretecrackatanearlyage.Andthecrackwillreducethedurabilityofconcrete,whichmakestheconcretestructuredegradeprematurely.Basedontheearly-agehighperformancerestrain

8、tmortarringcrackingtest,Thispaper