混凝土冻融循环的数值模拟研究背景和意义

贾世欣

摘要：在我國的基础建设中，混凝土结构是最普遍的结构形式。众所周知，在役混凝土都是暴露在室外，时刻遭受着风吹日晒、环境污染、天气变化等不利因素的影响，使得混凝土的耐久性损伤的问题日益加重。混凝土结构的耐久性损伤问题如果不予重视，将对国家的财产及人民的生命安全造成重大危害，而对于正在发展的中国来说，基础建设正处于高峰期，更要将混凝土耐久性的要求放在首要位置，进而才能促使我国经济整体健康快速的发展。

关键词：模拟研究；背景；意义

1985年水电部混凝土耐久性调查总结报告中指出：水工混凝土冻融破坏在东北、华北和西北地区都普遍存在，这些大型混凝土工程的运行一般在30年左右，严重的都不到20年。这些工程中，北方港口的混凝土结构遭受的冻融破坏程度最为严重，破坏的结构主要是防坡堤、胸墙、码头和浅桥等。采用普通混凝土的部分结构，经十几年的运行就被冻融破坏而导致不能再发挥作用了。位于吉林省的丰满水电站为大型混凝土重力坝，该工程1942年建成，1943年开始发电，但在1995年的水电站大坝的首轮定检中发现大坝存在冻胀开裂的问题，混凝土的冻融破坏总面积达5万平方米以上，冻融的最大深度到达2米，由于冻胀还出现了坝顶的升高以及溢流面2千多方混凝土被冲毁的严重事故；云峰坝，运行不到十年就出现了较为严重的冻害问题，溢流坝表面混凝土冻融破坏面积高达1000m2，占整个溢流坝面积的50%左右，混凝土平均冻融剥蚀深度达100mm以上；参窝坝建成仅三年溢流面就发生了大面积的冻融破坏。近些年来，世界各国因为冻融而造成的混凝土耐久性损伤的工程事故不断发生，由此而带来的维修费用也急剧增加，因此，混凝土的冻融损伤问题已经受到了各国的重视，对混凝土抗冻性的研究对世界各国来说具有很大的经济意义和社会意义。

目前对混凝土冻融损伤的研究大都采用试验的方法，但在试验过程中会消耗大量的人力、物力，并且耗费的时间也会很长，同时也会产生大量的建筑垃圾，而利用有限元的方法对试验进行数值模拟，就能在一定程度上弥补试验研究的缺点，同时能减小试验中的误差，论文采用ABAQUS有限元分析软件对冻融试验进行数值模拟，拟为今后冻融损伤的研究提供一个新的思路。

冻融循环作用下混凝土的破坏机理：由冻融引起的耐久性损伤问题，在很久以前就引起了社会的关注，国内外一些学者在较早之前就对冻融问题进行了较深入的研究，美国、前苏联、欧洲、日本等国家在20世纪40年代就开始了对混凝土冻融破坏机理的研究。目前公认程度较高的是美国学者鲍尔斯（T.c.Powers）提出的静水压力假说，在其后的研究分析中，他又和Helmuth共同提出渗透压假说，进而二者建立了较完整的理论体系；随后加拿大G.G.Litvan提出了运动受阻碍机制，德国MJ.Setzer提出了基于热力学方法的sctzer模型，土耳其B.v.Enustunl论述了混凝土的冰冻感受性，丰富了混凝土冻融机理的研究；1972年Fagerlund又对Powers的理论有更进一步的发展，对抗冻性定义做出新的理解，认为混凝土的抗冻性是混凝土的内在性质、气候条件及使用环境共同影响的。虽然国内外对混凝土冻融破坏的机理有着众多的研究，但最终仍然没有达到共识，具体分为以下几类：静水压理论、渗透压力假说、蒸汽压力假说、微冰抽吸假说、温度应力假说。

影响混凝土抗冻性能的主要因素：影响冻融破坏的因素有很多，例如混凝土内部的孔结构、水饱和程度、受冻龄期、混凝土强度等。其中最主要的影响因素还是其内部的孔结构，而其孔结构取决于混凝土的水灰比、有无外加剂和养护方法等。据以往资料分析，对混凝土抗冻性能有显著影响的可分为以下几方面：水灰比、含气量、混凝土的饱水状态、混凝土的受冻龄期、水泥品种、骨料的质量、外加剂及掺和料的影响。

混凝土冻融循环数值模拟的研究现状：混凝土是由各种粗细骨料组成的非均质复合材料，传统中对混凝土的研究，都是采用混凝土试验来确定混凝土的各种力学性能，在钢筋混凝土结构设计中所采用的承载极限设计值也都是通过建立试验模型进行试验得出的。在试验过程中会消耗大量的人力、物力，并且耗费的时间也会很长，同时也会产生大量的建筑垃圾，由于客观条件的限制，实验结果与实际工程会有一定的误差。近些年计算机技术飞速发展，给我们的生活带来了极大的方便，计算机在很多方面逐渐的代替了人力操作，有限元法是随着计算机发展而迅速发展起来的一种现代计算方法，它是一种有效的分析方法。在连续力学领域、动态特性分析等领域应用广泛。随后又大量的应用在求解热传导、磁场、流体力学等连续性问题。近年来，国内外学者对混凝土的数值模拟进行了大量的深入研究，混凝土材料数值模拟发展也已经相对成熟，可以为数值模拟提供大量的反馈信息，使得研究结果也相对准确可靠。

论文利用ABAQUS对混凝土试验进行数值模拟，此前中国学者更加详细地考虑了热应力之前，通过热粘合模型来模拟起伏力，本文提供了温度应力区提供了理论依据。天津大学赵代深对铜街子碾压混凝土坝和五强溪温度和应力场模拟研究了其他项目的，模拟的全过程，提出了增量动态仿真技术，清华大学等单位，专门的开发已经完成混凝土温度场有限元程序和数值模拟的应力场计算的蠕变，经常应用，已经在实际工程验证。清华大学张国新，刘教授官厅实验观察，并在以下三种方法，结合研究的最终温度场的影响RCC一级的联合分配初始温度的数值计算方法。黎收揖，杨婷婷给出了具体的参数热，为了与实验相比，遗传算法的混凝土坝的温度场的基础上，我们反击的分析。曹为民，谢先坤用层叠元模型朱岳明提出双线性过渡部分，以简化大型模拟复杂的液压一些结构性问题，后浇注混凝土模拟分层温度场它的用途。赵提出了应力分析的深刻代动态模拟。陈里红、傅作新教授等在温度应力分析中考虑了混凝土的软化性能。陈敏林提出了估算应力方法。

数值模拟具有以下优点：1.在试验中经常出现试验条件变化或环境的变化是不可避免的，因此试验结果也会常常出现误差，但是数值模拟可以根据需要设置相应的试验条件及环境条件，这样就可以避免试验结果随客观环境变化而变化的弊端，进而能保证试验结果的准确性。2.众所周知，混凝土试验耗时长，且对人的操作具有较高的要求，同时还会产生大量的建筑垃圾，试验环境也相当艰苦，从事试验的研究人员，也会长时间的吸食水泥漂浮颗粒，危害身体健康。而采用计算机模拟就可以将以上问题避免，省时、省力且环保。3.混凝土试验大都研究的混凝土宏观的力学性能，而数值模拟能研究混凝土的微观结构的力学性能，能从微观的角度解释混凝土的破坏机理。

关于冻融循环对混凝土的破坏作用，前人已经做了较多的研究，但大都以试验的方法进行的，而采用有限元模数值拟的较少，且不充分。论文以传热学、损伤力学、弹塑性力学，有限元法等知识为理论基础，并对混凝土冻融循环的实际环境进行适度的简化后，建立了混凝土冻融循环模型，并与试验结果相对比，以验证所建立模型的可行性，为今后混凝土冻融循环的数值模拟提供一定依据。以较小的代价，尽可能真实地模拟混凝土受压和冻融循环试验是本文的目标。（作者单位：内蒙古自治区建材产品质量检验院）