CN115096763B - 基于双孔隙传输理论混凝土内部水分流动细观分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于双孔隙传输理论混凝土内部水分流动细观分析方法，其包括以下步骤：步骤a、利用微观测试手段压汞法测得混凝土内部孔隙率和孔隙尺寸分布数据，建立混凝土内部孔隙尺寸大小参数分布模型；步骤b、将混凝土内部孔隙分为大、小孔隙；步骤c、根据所建立的混凝土内部孔隙尺寸大小参数分布模型，分别确定大、小孔隙的孔隙率；步骤d、推导建立水分传输“双孔隙”模型；步骤e、确定水分传输边界条件；步骤f、建立混凝土细观分析模型；步骤g、结合所建立的水分传输“双孔隙”模型、混凝土细观分析模型，开展混凝土内部水分流动分析。本发明能准确分析混凝土内部水分传输及分布规律，可有效地适用于开展滨海钢筋混凝土结构耐久性分析。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土结构耐久性分析技术领域，尤其涉及基于双孔隙传输理论混凝土内部水分流动细观分析方法。
背景技术
混凝土是一种多孔材料，混凝土主要由浆体、骨料和界面过渡区组成，其中浆体和界面过渡区都是有孔隙的存在，水分可以在孔隙中传输，而随水分流动的有腐蚀介质如氯离子等，即孔隙是影响混凝土结构耐久性的一个重要的因素，有必要从微细观角度揭示水分在混凝土中的传输机理。
需指出的是，现有混凝土结构耐久性主要基于宏观尺度分析，且现有的宏观尺度分析中一般将混凝土内部孔隙作为一个整体进行分析，忽视了不同大小孔隙内部不同的物理力学性质。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于双孔隙传输理论混凝土内部水分流动细观分析方法，该基于双孔隙传输理论混凝土内部水分流动细观分析方法能够有效地解决现有宏观分析无法揭示的细微观问题，且能够准确分析混凝土内部水分传输及分布规律，以及能够准确揭示边界水分变化下混凝土内部不饱和区域分布情况，即可有效地适用于开展滨海钢筋混凝土结构耐久性分析。
为达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现。
基于双孔隙传输理论混凝土内部水分流动细观分析方法，其特征在于，包括有以下步骤，具体的：
步骤a、利用微观测试手段压汞法测得混凝土内部孔隙率和孔隙尺寸分布数据，建立混凝土内部孔隙尺寸大小参数分布模型；
步骤b、根据所测得的混凝土内部孔隙尺寸大小分布情况，将混凝土内部孔隙分为大孔隙、小孔隙，大孔隙代表的是尺寸为微米级的大孔，小孔隙代表的是尺寸为纳米级的小孔；
步骤c、基于上述大孔隙、小孔隙分类标准，并根据所建立的混凝土内部孔隙尺寸大小参数分布模型，分别确定大孔隙的孔隙率、小孔隙的孔隙率；
步骤d、根据Darcy定律，并考虑大孔隙与小孔隙之间是存在物质交换，推导建立水分传输“双孔隙”模型；
步骤e、确定水分传输边界条件，并采用通量边界条件替代直接水饱和边界条件；
步骤f、建立考虑浆体、骨料、界面过渡区的混凝土细观分析模型，并分别赋予浆体、骨料、界面过渡区不同的水分扩散系数，水分被认为不能在骨料中传输，即骨料的水分扩散系数为零，浆体的水分扩散系数、界面过渡区的水分扩散系数通过水分扩散试验来确定；根据所建立的混凝土细观分析模型，并基于通用有限元软件进行网格划分；
步骤g、结合所建立的水分传输“双孔隙”模型、混凝土细观分析模型，开展混凝土内部水分流动分析，以得到混凝土内部水分传输及分布规律，并揭示骨料和界面过渡区对水分传输行为影响。
其中，于所述步骤c中，通过积分计算得到不同尺寸孔隙率，积分公式如下：
（1）；
于公式（1）中，为孔隙率，/>为对应孔隙最大孔径，/>为孔径分布密度函数。
其中，于所述步骤d中，在确定大孔隙的孔隙率以及小孔隙的孔隙率后，以水分饱和度为变量并推导建立水分传输“双孔隙”模型，水分传输“双孔隙”模型如以下公式所示：
（2）；
于公式（2）中： 1为大孔隙的孔隙率，/> 2为小孔隙的孔隙率，/>为大孔隙的水分饱和度，/>为小孔隙的水分饱和度，/>为大孔隙的水分扩散系数，/>为小孔隙的水分扩散系数，/>为水分密度且/>=1000kg/m3，/>为大、小孔隙水分交换率。
其中，大、小孔隙水分交换率表达式如以下公式：
（3）；
于公式（3）中，为大孔隙平均孔压力，/>为小孔隙平均孔压力；/>为常数，当/>取值为0时则说明孔隙间没有物质交换，当/>取值无穷大时则说明孔隙间物质交换速度非常快，且/>取值通过水分传输试验进行确定。
其中，所述公式（3）中的大孔隙平均孔压力、小孔隙平均孔压力/>表达式如以下公式：
（4）；
于公式（4）中，为对应孔隙中的气体压力，/>为对应孔隙中的水压力。
其中，、/>之间关系表示如以下公式：
（5）；
于公式（5）中， 为毛细压力。
其中，于所述步骤g中，分别于恒定干燥模式下、24小时周期干湿循环模式下开展混凝土内部水分流动分析，24小时周期干湿循环模式分别考虑矩形变化、正弦变化，以得到不同模式下混凝土内部水分传输及分布规律，揭示混凝土内部不饱和区域随时间变化区域分布及骨料和界面过渡区对水分传输行为的影响。
本发明的有益效果为：本发明所述的基于双孔隙传输理论混凝土内部水分流动细观分析方法，其包括以下步骤：步骤a、利用微观测试手段压汞法测得混凝土内部孔隙率和孔隙尺寸分布数据，建立混凝土内部孔隙尺寸大小参数分布模型；步骤b、根据所测得的混凝土内部孔隙尺寸大小分布情况，将混凝土内部孔隙分为大孔隙、小孔隙，大孔隙代表的是尺寸为微米级的大孔，小孔隙代表的是尺寸为纳米级的小孔；步骤c、基于上述大孔隙、小孔隙分类标准，并根据所建立的混凝土内部孔隙尺寸大小参数分布模型，分别确定大孔隙的孔隙率、小孔隙的孔隙率；步骤d、根据Darcy定律，并考虑大孔隙与小孔隙之间是存在物质交换，推导建立水分传输“双孔隙”模型；步骤e、确定水分传输边界条件，并采用通量边界条件替代直接水饱和边界条件；步骤f、建立考虑浆体、骨料、界面过渡区的混凝土细观分析模型，基于通用有限元软件进行网格划分；步骤g、结合所建立的水分传输“双孔隙”模型、混凝土细观分析模型，开展混凝土内部水分流动分析。通过上述步骤，本发明的基于双孔隙传输理论混凝土内部水分流动细观分析方法能够有效地解决现有宏观分析无法揭示的细微观问题，且能够准确分析混凝土内部水分传输及分布规律，以及能够准确揭示边界水分变化下混凝土内部不饱和区域分布情况，即可有效地适用于开展滨海钢筋混凝土结构耐久性分析。
附图说明
下面利用附图来对本发明进行进一步的说明，但是附图中的实施例不构成对本发明的任何限制。
图1为混凝土内部孔隙分布图。
图2为水分传输“双孔隙”模型的示意图。
图3为非饱和孔隙平均压力示意图。
图4 为非饱和孔隙中液体压力示意图。
图5 为混凝土细观模型图。
图6 为混凝土表面水分饱和度变化图。
图7为24小时周期干湿循环模式（矩形变化）下混凝土内部水分饱和度分布曲线。
图8 为24小时周期干湿循环（矩形变化）混凝土内部水分饱和度分布云图。
图9 为24小时周期干湿循环（正弦变化）混凝土内部水分饱和度分布曲线。
图10 为24小时周期干湿循环（正弦变化）混凝土内部水分饱和度分布云图。
具体实施方式
下面结合具体的实施方式来对本发明进行说明。
基于双孔隙传输理论混凝土内部水分流动细观分析方法，其特征在于，包括有以下步骤，具体的：
步骤a、利用微观测试手段压汞法测得混凝土内部孔隙率和孔隙尺寸分布数据，建立混凝土内部孔隙尺寸大小参数分布模型；
步骤b、根据所测得的混凝土内部孔隙尺寸大小分布情况，将混凝土内部孔隙分为大孔隙、小孔隙，大孔隙代表的是尺寸为微米级的大孔，小孔隙代表的是尺寸为纳米级的小孔；
步骤c、基于上述大孔隙、小孔隙分类标准，并根据所建立的混凝土内部孔隙尺寸大小参数分布模型，分别确定大孔隙的孔隙率、小孔隙的孔隙率；具体的，通过积分计算得到不同尺寸孔隙率，积分公式如下：
（1）；
于公式（1）中，为孔隙率，/>为对应孔隙最大孔径，/>为孔径分布密度函数；
步骤d、根据Darcy定律，并考虑大孔隙与小孔隙之间是存在物质交换，推导建立水分传输“双孔隙”模型；
步骤e、确定水分传输边界条件，并采用通量边界条件替代直接水饱和边界条件；
步骤f、建立考虑浆体、骨料、界面过渡区的混凝土细观分析模型，并分别赋予浆体、骨料、界面过渡区不同的水分扩散系数，水分被认为不能在骨料中传输，即骨料的水分扩散系数为零，浆体的水分扩散系数、界面过渡区的水分扩散系数通过水分扩散试验来确定；根据所建立的混凝土细观分析模型，并基于通用有限元软件进行网格划分；
步骤g、结合所建立的水分传输“双孔隙”模型、混凝土细观分析模型，开展混凝土内部水分流动分析，以得到混凝土内部水分传输及分布规律，并揭示骨料和界面过渡区对水分传输行为影响。
需指出的是，于所述步骤d中，在确定大孔隙的孔隙率以及小孔隙的孔隙率后，以水分饱和度为变量并推导建立水分传输“双孔隙”模型，水分传输“双孔隙”模型如以下公式所示：
（2）；
于公式（2）中： 1为大孔隙的孔隙率，/> 2为小孔隙的孔隙率，/>为大孔隙的水分饱和度，/>为小孔隙的水分饱和度，/>为大孔隙的水分扩散系数，/>为小孔隙的水分扩散系数，/>为水分密度且/>=1000kg/m3，/>为大、小孔隙水分交换率。
对于公式（2）中的大、小孔隙水分交换率，且表达式如以下公式：
（3）；
于公式（3）中，为大孔隙平均孔压力，/>为小孔隙平均孔压力；/>为常数，当/>取值为0时则说明孔隙间没有物质交换，当/>取值无穷大时则说明孔隙间物质交换速度非常快，且/>取值通过水分传输试验进行确定。
对于公式（3）中的大孔隙平均孔压力、小孔隙平均孔压力/>表达式如以下公式：
（4）；
于公式（4）中，为对应孔隙中的气体压力，/>为对应孔隙中的水压力；另外，/>、之间关系表示如以下公式：
（5）；
于公式（5）中， 为毛细压力。
具体的，于所述步骤g中，分别于恒定干燥模式下、24小时周期干湿循环模式下开展混凝土内部水分流动分析，24小时周期干湿循环模式分别考虑矩形变化、正弦变化，以得到不同模式下混凝土内部水分传输及分布规律，揭示混凝土内部不饱和区域随时间变化区域分布及骨料和界面过渡区对水分传输行为的影响。
通过上述步骤，本发明的基于双孔隙传输理论混凝土内部水分流动细观分析方法能够有效地解决现有宏观分析无法揭示的细微观问题，且能够准确分析混凝土内部水分传输及分布规律，以及能够准确揭示边界水分变化下混凝土内部不饱和区域分布情况，即可有效地适用于开展滨海钢筋混凝土结构耐久性分析。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (4)
1.基于双孔隙传输理论对混凝土内部水分流动进行细观分析的方法，其特征在于，包括有以下步骤，具体的：
步骤a、利用微观测试手段压汞法测得混凝土内部孔隙率和孔隙尺寸分布数据，建立混凝土内部孔隙尺寸大小参数分布模型；
步骤b、根据所测得的混凝土内部孔隙尺寸大小分布情况，将混凝土内部孔隙分为大孔隙、小孔隙，大孔隙代表的是尺寸为微米级的大孔，小孔隙代表的是尺寸为纳米级的小孔；
步骤c、基于上述大孔隙、小孔隙分类标准，并根据所建立的混凝土内部孔隙尺寸大小参数分布模型，分别确定大孔隙的孔隙率、小孔隙的孔隙率；
步骤d、根据Darcy定律，并考虑大孔隙与小孔隙之间是存在物质交换，推导建立水分传输“双孔隙”模型；
在确定大孔隙的孔隙率以及小孔隙的孔隙率后，以水分饱和度为变量并推导建立水分传输“双孔隙”模型，水分传输“双孔隙”模型如以下公式所示：
（2）；
于公式（2）中：为大孔隙的孔隙率，/>为小孔隙的孔隙率，/>为大孔隙的水分饱和度，/>为小孔隙的水分饱和度，/>为大孔隙的水分扩散系数，/>为小孔隙的水分扩散系数，/>为水分密度且/>=1000kg/m3，/>为大、小孔隙水分交换率；
大、小孔隙水分交换率表达式如以下公式：
（3）；
于公式（3）中，为大孔隙平均孔压力，/>为小孔隙平均孔压力；/>为常数，当/>取值为0时则说明孔隙间没有物质交换，当/>取值无穷大时则说明孔隙间物质交换速度非常快，且/>取值通过水分传输试验进行确定；
所述公式（3）中的大孔隙平均孔压力、小孔隙平均孔压力/>表达式如以下公式：
（4）；
于公式（4）中，为对应孔隙中的气体压力，/>为对应孔隙中的水压力；
步骤e、确定水分传输边界条件，并采用通量边界条件替代直接水饱和边界条件；
步骤f、建立考虑浆体、骨料、界面过渡区的混凝土细观分析模型，并分别赋予浆体、骨料、界面过渡区不同的水分扩散系数，水分被认为不能在骨料中传输，即骨料的水分扩散系数为零，浆体的水分扩散系数以及界面过渡区的水分扩散系数通过水分扩散试验来确定；根据所建立的混凝土细观分析模型，并基于通用有限元软件进行网格划分；
步骤g、结合所建立的水分传输“双孔隙”模型、混凝土细观分析模型，开展混凝土内部水分流动分析，以得到混凝土内部水分传输及分布规律，并揭示骨料和界面过渡区对水分传输行为的影响。
2.根据权利要求1所述的基于双孔隙传输理论对混凝土内部水分流动进行细观分析的方法，其特征在于，于所述步骤c中，通过积分计算得到大、小孔隙的孔隙率，积分公式如下：
（1）；
于公式（1）中，为孔隙率，/>为对应孔隙最大孔径，/>为孔径分布密度函数。
3.根据权利要求1所述的基于双孔隙传输理论对混凝土内部水分流动进行细观分析的方法，其特征在于：、/>之间关系表示如以下公式：
（5）；
于公式（5）中， 为对应孔隙中的毛细压力。
4.根据权利要求1所述的基于双孔隙传输理论对混凝土内部水分流动进行细观分析的方法，其特征在于：于所述步骤g中，分别于恒定干燥模式下、24小时周期干湿循环模式下开展混凝土内部水分流动分析，24小时周期干湿循环模式分别考虑矩形变化、正弦变化，以得到不同模式下混凝土内部水分传输及分布规律，揭示混凝土内部不饱和区域随时间变化的区域分布及骨料和界面过渡区对水分传输行为的影响。
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