水泥基復(fù)合材料凍融破壞過程的微觀和宏觀分析及試驗研究.pdf

1、在寒冷地區(qū)，尤其是水工、港口、道路和橋梁等長期處于水飽和或者高濕度環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)，凍融破壞是其運行過程中的主要病害，直接影響結(jié)構(gòu)的性能和耐久性。因此凍融破壞一直是土木工程材料研究領(lǐng)域關(guān)注的熱點。針對目前研究中缺乏對凍融破壞下材料內(nèi)部微觀損傷的演變過程的描述，微觀結(jié)構(gòu)的變化與材料的宏觀性能連接不夠緊密等問題，本文綜合理論模型、微觀試驗以及計算機模擬等手段對水泥基復(fù)合材料在凍融破壞下的微觀結(jié)構(gòu)演變以及宏觀形變進行了初步探索性研究。

2、>　　 本文選取水泥基復(fù)合材料的傳輸性能以及低溫下的形變，作為定量表征凍融過程對材料的影響的指標(biāo)。而在水份在基體內(nèi)部開始結(jié)冰的情況下，宏觀性能的變化是由于基體內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致的，因此本文從基體在凍脹過程中的微觀結(jié)構(gòu)的變化入手，對凍融破壞的過程進行定量分析，并將微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能相連接。即首先對“水分在孔隙中的結(jié)冰行為→基體中各個孔隙由于結(jié)晶壓力產(chǎn)生的裂縫尺寸→裂縫的連通行為”這一過程建立模型，進而應(yīng)用模型得到水泥凈漿的微觀結(jié)構(gòu)信息

3、計算得到“含有凍融破壞裂縫體系基體的傳輸行為以及凍融過程中的宏觀形變”。
　　 本文首先介紹了利用熱力學(xué)原理對水泥基材料孔隙內(nèi)自由水結(jié)冰過程的計算方法，展示了溫度與孔隙內(nèi)水結(jié)冰的判據(jù)，以及與結(jié)冰速率的關(guān)系;在此基礎(chǔ)上，借助結(jié)晶壓力理論計算展示了低溫下水泥基材料內(nèi)部孔隙水分結(jié)冰對孔壁承受應(yīng)力的時變規(guī)律，以及球形孔的破壞判據(jù);進而利用夾雜理論對裂縫的尺寸進行了計算。由于裂縫的連通性對水泥基復(fù)合材料的宏觀性能有較大影響，本文利用蒙特卡

4、洛思想編制C++程序?qū)α芽p的連通行進行模擬，探索研究了凍融破壞下裂縫密度及尺寸分布對裂紋連通行為的影響。
　　 使用X射線斷層掃描技術(shù)，通過對水泥凈漿材料在凍融破壞前后的裂縫形貌的觀察，定性驗證了裂縫尺寸計算模型中假設(shè)的合理性。假設(shè)已知孔隙分布的凈漿試件，利用上述模型計算結(jié)冰過程中基體內(nèi)部的結(jié)冰程度，裂縫尺寸分布，在此裂縫分布信息基礎(chǔ)上模擬得了裂縫連通性信息，將各個模型的結(jié)果與文獻結(jié)果進行比較，驗證了結(jié)冰過程與裂縫尺寸模型以及裂

5、縫連通性模擬方法的可靠性。
　　 在獲得裂縫的尺寸信息以及連通性信息后，對于基體的水分傳輸性能，這一在凍融破壞中十分重要的一環(huán)進行了研究，借助Multi-Continuum滲透模型，建立了適用于初始無裂縫基體以及凍融破壞后帶裂縫基體的水分傳輸行為模型，最后對含有上文得到的裂縫體系的基體中水的傳輸行為進行了數(shù)值模擬，對凍融前后基體的傳輸性能進行了比較，并將模擬結(jié)果與文獻驗結(jié)果對比。
　　 針對水泥基復(fù)合材料在凍融環(huán)境下的形

6、變，本文展示多孔介質(zhì)力學(xué)理論的飽水水泥基復(fù)合材料在凍脹條件下的彈性本構(gòu)關(guān)系，以及低溫下材料在凍融循環(huán)下的形變計算方法，并嘗試對含有上文中裂縫體系的基體在下一次凍融過程下的形變進行了計算;同時針對常規(guī)快速凍融試驗方法下誤差較大等問題，使用環(huán)境箱模擬真實環(huán)境下的慢速凍融過程，利用惡劣環(huán)境下穩(wěn)定性高的光柵光纖傳感器對凈漿試件的應(yīng)變過程實時監(jiān)測，得到了多次凍融循環(huán)下水泥凈漿基體的形變過程，并將實驗結(jié)果與理論結(jié)果比較。
　　 最后，本文對