淺談混凝土溫濕耦合作用研究進(jìn)展

劉 昕

淺談混凝土溫濕耦合作用研究進(jìn)展

劉 昕

（重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400074）

闡述了混凝土溫濕耦合研究的目的及意義，介紹了混凝土溫濕耦合作用的特點(diǎn)，通過(guò)總結(jié)混凝土溫濕耦合傳輸模型的建立和數(shù)值模擬計(jì)算方法，進(jìn)一步探討了現(xiàn)有研究中存在的問(wèn)題。

混凝土；溫濕耦合；傳輸模型

0 引言

混凝土結(jié)構(gòu)的表面裂縫問(wèn)題是土木工程學(xué)科的一個(gè)重要研究課題，而干縮應(yīng)力和溫度應(yīng)力是引起混凝土開(kāi)裂的重要原因之一。事實(shí)上混凝土的濕度場(chǎng)和溫度場(chǎng)相互耦合會(huì)產(chǎn)生濕熱耦合效應(yīng)，表現(xiàn)在兩個(gè)方面，其一混凝土內(nèi)的水分遷移不僅造成混凝土變形，而且引起混凝土熱學(xué)性質(zhì)的改變，進(jìn)一步引起溫度傳導(dǎo)過(guò)程和溫度應(yīng)力的改變；其二混凝土溫度場(chǎng)的變化同時(shí)反作用于混凝土內(nèi)水分的擴(kuò)散遷移，進(jìn)而改變濕度分布和濕度應(yīng)力。因此，研究混凝土溫濕耦合效應(yīng)具有重要的工程意義。該文將從混凝土濕熱耦合效應(yīng)的理論與數(shù)值模擬研究成果的分析和總結(jié)入手，探討現(xiàn)有研究中存在的不足，為混凝土表面干縮裂紋的控制及混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估等后續(xù)研究提供參考。

1 混凝土溫濕耦合的特點(diǎn)

混凝土與一般多孔介質(zhì)的傳熱傳質(zhì)規(guī)律并不完全相同，其濕物性受濕狀態(tài)的變化影響劇烈。在混凝土的絕大部分區(qū)域，溫度變化對(duì)混凝土濕熱狀態(tài)的影響程度始終占主要地位。混凝土的濕熱耦合具有以下4個(gè)特點(diǎn)：1）熱擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)大于質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)，濕熱耦合問(wèn)題呈高度表面化。2）基于線性耦合理論的溫濕度變化趨勢(shì)完全一致，變化速度也較平緩，達(dá)到平衡的時(shí)間較長(zhǎng)，且干燥前沿固定在原來(lái)的干燥面不變；而基于非線性耦合理論，因氣態(tài)壓力變量的引入，干燥速度較快且存在明顯的干燥前沿。3）溫度梯度對(duì)濕度梯度的影響在干燥初期表現(xiàn)為溫度梯度是濕遷移的主要驅(qū)動(dòng)因素，此時(shí)濕遷移率較高；干燥后期則相反，由于溫度梯度小，濕度梯度成為濕遷移的主要控制因素，因此濕遷移速度變慢。4）混凝土溫濕耦合作用受混凝土品質(zhì)影響，控制參數(shù)有材料的孔隙結(jié)構(gòu)和含濕率等。

2 混凝土溫濕耦合傳輸模型

傳輸模型是熱傳導(dǎo)、濕擴(kuò)散、濕熱耦合傳輸相關(guān)的模型。Lewis于1921年提出的擴(kuò)散理論模型認(rèn)為多孔介質(zhì)的濕熱遷移滿足Fick定律，物質(zhì)內(nèi)的水分以液態(tài)形式遷移到物體表面，而后在表面氣化。五十年代后比較著名的濕熱傳導(dǎo)模型是Henry模型和Luikov模型，Henry通過(guò)研究濕氣通過(guò)固體空隙的擴(kuò)散，根據(jù)質(zhì)量守恒和能量守恒建立了一維瞬態(tài)傳熱傳濕的數(shù)學(xué)模型；Luikov則將孔隙中的毛細(xì)水的吸收壓力差作為液體水?dāng)U散的原因，把孔隙內(nèi)部熱的傳遞原因歸結(jié)為熱的傳導(dǎo)傳遞和水氣的蒸發(fā)凝結(jié)傳遞兩種方式，建立了以濕度和溫度作為變量的偏微分方程組，用以描述非飽和濕分?jǐn)U散過(guò)程。在上述模型中，由于傳導(dǎo)系數(shù)是溫度和濕度的非線性函數(shù)，不能很好的求解，難以用這些模型去反映實(shí)際結(jié)構(gòu)工程中的濕熱情況。后人多基于此，考慮濕熱遷移機(jī)理對(duì)其特性的綜合影響，假定物性為常數(shù)，得到簡(jiǎn)化模型。得到數(shù)學(xué)模型及相應(yīng)的控制方程后，需進(jìn)一步確定方程中的濕度擴(kuò)散系數(shù)和熱質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)。陳德鵬[1]等基于水泥基材料的多孔介質(zhì)特點(diǎn)和內(nèi)部孔隙尺寸分布特性，聯(lián)系多孔介質(zhì)中的濕傳輸機(jī)理，得出水泥基材料的濕傳輸研究必須考慮Knudsen擴(kuò)散影響的結(jié)論，進(jìn)而推出了Knudsen擴(kuò)散影響系數(shù)的理論計(jì)算公式，通過(guò)Knudsen擴(kuò)散影響系數(shù)修正Fick擴(kuò)散模型中的濕擴(kuò)散系數(shù)。劉光延[2]等運(yùn)用簡(jiǎn)化的濕熱耦合方程，得到數(shù)值計(jì)算混凝土中溫度場(chǎng)和濕度場(chǎng)的方法，其計(jì)算式中的質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)通過(guò)多孔介質(zhì)微觀物理模型和試驗(yàn)得到的混凝土內(nèi)濕度數(shù)據(jù)確定。而混凝土中的熱傳輸通常用Fourier定律來(lái)描述。混凝土可以看作固、液、氣三相體系，和骨料相比，水泥石的熱傳輸變化更加復(fù)雜，在混凝土材料熱傳輸變化中起主導(dǎo)作用。混凝土中的熱量傳遞方式包括結(jié)構(gòu)實(shí)體的導(dǎo)熱及穿過(guò)微小孔隙的導(dǎo)熱與對(duì)流，模型中的導(dǎo)熱系數(shù)已經(jīng)考慮了內(nèi)部對(duì)流等的影響，稱為表觀導(dǎo)熱系數(shù)。唐世斌[3]通過(guò)研究混凝土熱傳導(dǎo)與熱應(yīng)力的細(xì)觀特征和熱開(kāi)裂過(guò)程，得出以下結(jié)論：混凝土導(dǎo)熱性能受細(xì)觀非均勻特性影響不顯著，但骨料顆粒對(duì)其影響明顯，而混凝土的力學(xué)性能受兩者影響，且因溫度梯度造成的混凝土開(kāi)裂中開(kāi)裂位置、擴(kuò)展速率和裂紋擴(kuò)展方向都受熱傳導(dǎo)系數(shù)影響。

3 混凝土溫濕耦合的數(shù)值模擬計(jì)算

一般認(rèn)為，混凝土內(nèi)部溫濕度場(chǎng)是相互作用、相互影響的，其濕度變形和干濕變形也是同時(shí)發(fā)生的，因此分析兩者的耦合作用及其對(duì)混凝土體積變形的影響規(guī)律，更加符合實(shí)際情況。以往有關(guān)混凝土結(jié)構(gòu)變形性能的研究，多是通過(guò)控制對(duì)混凝土變形的不同因素進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)，再對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和理論抽象，進(jìn)而得到一些理論模型和經(jīng)驗(yàn)公式，并不能很好的反映實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的變形。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值分析的發(fā)展，現(xiàn)今可借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行離散化的數(shù)值分析計(jì)算得到較符合實(shí)際工程結(jié)構(gòu)變形問(wèn)題的答案。可能的途徑可概括為如下三類：

1）以 Luikov 傳熱傳質(zhì)耦合方程為基礎(chǔ)的數(shù)值分析方法

該方法主要適用于多孔介質(zhì)的傳熱傳質(zhì)分析，混凝土作為一種典型的多孔介質(zhì)，同樣適用。這種方法考慮傳熱傳質(zhì)過(guò)程中的吸熱或放熱，根據(jù)濕氣遷移過(guò)程中的質(zhì)量守恒和能量守恒原理建立偏微分方程組，并利用數(shù)值解析的方法解方程組進(jìn)而得到溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)及其動(dòng)態(tài)變化的解析解。在求解溫濕度耦合方程過(guò)程中，又有不同的求解方法，如Lobo和Mikhailov運(yùn)用經(jīng)典的積分變換法求解多孔介質(zhì)內(nèi)的傳熱傳質(zhì)問(wèn)題，由于計(jì)算復(fù)雜的特征值的存在計(jì)算結(jié)果往往不正確。Chang等通過(guò)解耦技術(shù)求解傳熱傳質(zhì)過(guò)程的耦合方程，但也不能解決控制方程和邊界條件同時(shí)耦合的情況。Cheroto 等通過(guò)對(duì)集總系統(tǒng)分析方法進(jìn)行改進(jìn)尋求耦合方程的近似解，但其準(zhǔn)確性不夠。

2）有限元分析方法

有限元法是目前科研工作中應(yīng)用最廣泛的數(shù)值計(jì)算方法之一，以此開(kāi)發(fā)出的商業(yè)有限元軟件也很多，如ANSYS、ADINA、ALGOR等，但是由于現(xiàn)有的有限元軟件沒(méi)有集成濕度計(jì)算的模塊，因此混凝土中的濕度應(yīng)力及變形仍然無(wú)法直接計(jì)算。

3）多物理場(chǎng)耦合分析軟件的應(yīng)用

大型高級(jí)數(shù)值仿真軟件如COMSOL Multiphysics，能通過(guò)其偏微分方程模式求解非線性問(wèn)題，能夠適用于大多數(shù)多物理場(chǎng)耦合問(wèn)題，但是否能正確模擬分析混凝土中濕熱耦合作用及其變形尚需有關(guān)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。陳德鵬[4]等依據(jù)多物理場(chǎng)耦合作用和多孔介質(zhì)濕熱傳輸原理，建立混凝土濕-熱-力多物理場(chǎng)模型，通過(guò)提出的混凝土濕膨脹系數(shù)，借助COMSOL完成了濕-熱-力耦合數(shù)值的求解，且對(duì)耦合模型和求解方法利用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，證明其可行。

綜上所述，混凝土的濕熱耦合的數(shù)值計(jì)算研究已取得較大發(fā)展，但現(xiàn)今的仿真分析仍受限于計(jì)算規(guī)模與速度、結(jié)構(gòu)邊界處理和材料參數(shù)確定等諸多方面，因此只能求解混凝土溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，不能分析混凝土在溫度、濕度耦合作用下的破裂過(guò)程，近而無(wú)法對(duì)裂縫的位置以及裂縫的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

[1]陳德鵬, 錢(qián)春香. 考慮Knudsen擴(kuò)散影響的水泥基材料濕擴(kuò)散系數(shù)[J]. 建筑材料學(xué)報(bào). 2009(06): 635-638.

[2]劉光廷, 焦修剛. 混凝土的熱濕傳導(dǎo)耦合分析[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2004(12): 1653-1655.

[3]唐世斌, 唐春安, 梁正召, et al. 混凝土熱傳導(dǎo)與熱應(yīng)力的細(xì)觀特性及熱開(kāi)裂過(guò)程研究[J]. 土木工程學(xué)報(bào). 2012(02): 11-19.

[4]陳德鵬. 基于多物理場(chǎng)耦合的混凝土濕熱變形數(shù)值模擬[J]. 東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2013(03): 582-587.

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1007-6344（2017）03-0351-01