考虑多尺度非均质性的混凝土传输性能预测模型

以混凝土中离子传输性能的预测为例,基于微观到宏观的代表体积单元,分析了多尺度非均质性对传输性能预测的影响,建立了混凝土多尺度传输性能预测模型.相较于传统多尺度模型,本模型在微观尺度上考虑了随水泥水化程度变化的物质组成与净浆层级离子扩散系数的关系,在细观和宏观尺度上分析了粗细骨料界面过渡区、不规则骨料形状和多离子耦合效应对混凝土层级传输性能的影响.选取氯离子扩散系数、侵蚀深度为验证指标,通过对比各尺度下的模型预测值和试验值,验证了多尺度模型的可靠性.基于此模型,各尺度下的物质传输规律可得到深入探讨和高效印证.本研究也为离子、水分、气体等物质在混凝土中的传输性能预测提供了一个新的多尺度研究框架.

考虑时变孔隙结构的非饱和混凝土扩散性能预测模型

混凝土作为典型的多孔介质材料,其扩散性能与内部孔隙结构密切相关。考虑到孔隙结构会随水泥水化过程不断变化,因此有必要提出一种基于时变孔隙结构的扩散性能预测模型。基于重构的水泥浆体微观结构,本研究开展了孔隙结构的参数化分析、非饱和状态水分分布模拟以及不同饱和度下浆体组分相对扩散系数的预测和验证。综合预测的相对扩散系数和提取的孔隙参数(水化程度α、孔隙率ρ和无量纲的峰值孔径B^(*)),进一步系统分析了α与时间t、ρ与α以及B^(*)与ρ相互间的关系,并最终建立了包含时变参数f(α(t),ρ(t),B^(*)(t))的非饱和混凝土扩散性能预测模型。此模型可以充分考虑混凝土孔隙结构受不同水灰比和水化时间影响的时变过程,为从变化的孔隙结构角度研究非饱和混凝土的扩散性能提供了一个新的微观视角。

纤维增强混凝土氯离子扩散系数的多尺度预测模型

纤维增强混凝土材料属于多相非均质复合材料,其宏观耐久性能由微观和细观的组分占比和夹杂关系共同决定。为考虑纤维增强混凝土材料不同尺度下的非均质性对整体氯离子扩散系数的影响,本文基于从微观到宏观的多尺度方法选取了不同层级代表单元,建立了纤维增强混凝土氯离子扩散系数多尺度预测模型。模型在充分考虑微观水泥水化过程和阈值效应的基础上,分析了细观尺度下纤维、骨料及其与水泥浆体的结合界面对混凝土宏观扩散性能的共同影响,并探究了纤维尺寸、纤维-浆体界面过渡区厚度等因素与扩散系数之间的影响关系,且通过第三方试验对模型的可靠性进行了验证。参数化分析的结果表明,当水灰比大于一定限值(约为0.45),水泥浆体的氯离子扩散系数与水灰比呈指数增长,而在细观层级上,纤维-浆体界面过渡区是影响混凝土整体扩散性能的主要因素:纤维掺量的增加和纤维直径的减小都会增大界面过渡区的体积,而较高的纤维过渡区体积占比和纤维界面扩散系数都会增大纤维增强混凝土的宏观氯离子扩散系数。结果还表明混凝土扩散系数与纤维掺量之间并无直接关系,而需要综合考虑纤维直径、界面过渡区厚度等各种因素的影响。本文所提模型能够有效预测纤维增强混凝土的扩散系数,进而更高效的评估纤维掺入对混凝土耐久性的影响,并基于预测结果为工程实践提供理论指导和技术参考。