混凝土濕-力耦合作用研究

摘要：混凝土是當今世界上最重要的建筑材料，而我國是世界上生產和使用混凝土最多的國家之一。由于混凝土生產使用過多，導致耐久性問題一直得不到解決。其中混凝土開裂問題尤為嚴重，而混凝土開裂問題中絕大多數受濕度變化影響。但在混凝土濕度場研究過程中，大部分學者將研究重點放在溫度場、濕度場耦合分析中，常忽略外部荷載對內部相對濕度的影響。本文主要從濕度場和應力場基本理論出發，建立濕度場-應力場耦合關系，為研究混凝土濕-力耦合提供理論依據，進一步為混凝土耐久性研究提供理論基礎。

關鍵詞：混凝土濕度場;混凝土變形;濕-力耦合作用;混凝土耐久性

引言

混凝土是一種復雜的多孔多相材料，由于混凝土所處環境不同造成結構特性也不同，因此人們對混凝土結構施工質量要求更加嚴格。與此同時人們對早齡期混凝土的應力及開裂分析也高度重視了起來，而濕度場變化對于混凝土開裂有很大影響。目前大多學者對濕度場研究僅限于溫度場和濕度場耦合，認為應力場對濕度場影響較小，可以忽略。但實踐證明，單獨研究混凝土溫-濕度耦合已不足以滿足要求。應從應力場角度分析濕度場，建立濕-力耦合關系。將對研究混凝土耐久性，預防混凝土開裂及破壞極具意義。

混凝土濕度場基本理論

混凝土是一種多孔介質材料，其內部濕度場研究符合Fick第二定律，即混凝土內部可蒸發水含量q_x與內部相對濕度梯度成正比例關系。由質量守恒定律可得，非穩態研究狀態下的濕度場擴散控制方程[1]如下：

?h/?t=?/?x [D_x （h）?h/?x]+?/?y [D_y （h）?h/?y]+?/?z [Dz（h）?h/?z]+（?Q_T）/?t+（?Q_h）/?t+（?Q_c）/?t（1）

式中：h，混凝土相對濕度;D（h），混凝土濕度擴散系數;（?Q_T）/?t，由溫度引起的混凝土濕度擴散流動速率;（?Q_h）/?t，由水泥水化引起的混凝土濕度消耗速率;（?Q_c）/?t，由碳化反應引起的混凝土濕度消耗速率。

目前研究混凝土多數為普通硅酸鹽水泥混凝土，由于水灰比較大，可不考慮自干燥，溫度以及碳化對于濕度擴散的影響，故濕度擴散方程可以簡化為下式：

?h/?t=D（h）?/?x （（?^2 h）/（?x^2 ）+（?^2 h）/（?y^2 ）+（?^2 h）/（?z^2 ））（2）

混凝土體積變形分類及誘因

混凝土結構所處環境承受著不同荷載，而在不同荷載作用下，會造成混凝土體積發生變形，進而導致混凝土自身或者結構發生開裂，甚至破壞。造成混凝土變形開裂的荷載主要有兩類：第一類與混凝土自身結構相關，比如靜荷載、動荷載、其它外部荷載等，第二類與混凝土所處環境相關，比如溫度、收縮、混凝土不均勻沉降變形等。

引起混凝土變形的主要誘因有以下四類：第一類為溫度變化，溫度變化主要有兩種，第一種是外部環境溫度變化，比如混凝土熱脹冷縮、凍融循環等。第二種是混凝土材料自身溫度變化，比如混凝土內部水泥水化反應也會導致混凝土發生體積變形;第二類為濕度變化，混凝土內部或者表面的水分發生蒸發、遷移或者其他原因導致混凝土內部濕度增加或減少而造成的變形可歸類于濕度變化引起的變形，比如混凝土塑性收縮、干燥收縮、濕脹問題，低水灰比混凝土導致的自干燥問題等;第三類為化學反應，由于混凝土材料或者所處環境發生化學反應，造成混凝土自身體積發生變化導致的體積變形，比如化學收縮、碳化收縮、堿集料反應膨脹等;第四類為結構荷載作用，當結構荷載作用程度為該混凝土極限荷載的35%以下時，混凝土內部結構體積不會發生變化，當結構荷載作用程度為該混凝土極限荷載的50%時，混凝土表面會出現細微裂縫，但不會對結構體積產生影響，而作用程度增加到70%時，混凝土表面裂縫會向內部延伸，進一步造成混凝土結構內部發生破壞，進而間接導致混凝土體積發生變形[2]。

混凝土濕-力耦合

在荷載作用下，當體積發生變形時會直接影響混凝土內部孔隙結構，進而間接導致混凝土內部孔隙率發生變化[3]。孔隙率的變化會直接導致混凝土內部相對濕度的轉移。在受壓狀態下，混凝土內部孔隙率降低，導致混凝土內部飽和度增加，滲透性能降低。同時混凝土內部小孔隙中的水分會進入到大孔隙中，從而引起內部水分重新分布。混凝土濕度場與應力場之間的耦合關系可根據如下理論建立。

多孔介質材料毛細孔壓力內應力可用下式估算：

σ_c=（P_c V_p）/（1-V_p ）（3）

式中：V_p為孔隙率，普通強度混凝土中，孔隙率為15%-20%;P_c為毛細壓力

Kelvin方程如下：

RTlnH=M_W/ρ_S ?P_c（4）

式中：R，理想氣體常數;M_W，水摩爾質量;T，絕對溫度;ρ_c，液態水密度;H，混凝土相對濕度。

根據公式（3）和公式（4）可計算出毛細孔壓應力值

σ_c=（RTlnHρ_s V_p）/（M_w （1-V_p））（5）

故

H=exp?（（σ_c M_w （1-V_p））/（RTρ_s V_p ））（6）

結束語

本文從混凝土濕度場與應力場基本理論出發，介紹了混凝土濕度場基本擴散控制方程，分析概括了混凝土體積變形分類及誘因。同時通過Kelvin方程建立了混凝土濕度場與應力場之間的耦合關系，為混凝土濕-力耦合研究提供了理論依據，為混凝土耐久性研究提供了理論基礎。

參考文獻：

[1]王寧. 考慮性態變化的早期混凝土多場耦合分析及其應用[D].天津大學，2014.

[2]張舒柳. 荷載-環境耦合作用下硅烷復合乳液對混凝土的防護效果及機理研究[D].青島理工大學，2020.

[3] 杜明月. 基于微孔結構演化的早齡期混凝土熱-濕-力耦合模型研究[D].浙江大學，2015.

作者簡介：王京昌（1998.2.7）男，漢族，山西省左云縣人，碩士研究生在讀，研究方向：建筑與土木工程，混凝土的性能研究。