混凝土结构开裂问题与耐久性评估

行业专著

本书选用气体渗透率和电导率作为耐久性指标进行研究。首先通过试验分析孔隙结构对材料气体渗透率、电导率的影响；研究实际服役水泥基材料在长期荷载作用下损伤的演化规律，探讨开裂状态与传输性质之间的关系；研究损伤水泥基材料在不同饱水度下气体渗透率和电导率的变化规律。结合试验获得的裂纹微结构的分形描述和统计特征，应用有效介质理论和逾渗理论研究裂纹结构及饱水度与传输性质的理论关系，*终建立损伤水泥基材料传输性质的数学模型，并利用试验结果进行对比验证，为实际工程中水泥基材料的耐久性设计、评估及寿命预测提供科学依据与理论支持。

第1章开裂损伤与耐久性1.1开裂损伤形态1.2开裂混凝土材料渗透性研究现状1.2.1开裂孔隙材料渗透性理论研究模型1.2.2裂纹形貌的几何表征1.2.3开裂孔隙材料渗透性试验研究第2章开裂混凝土材料渗流理论基础2.1开裂孔隙材料中的渗透过程2.1.1渗透过程2.1.2平面板假设2.2有效介质理论及模型2.2.1细观均质化过程2.2.2界限理论2.2.3有效介质理论模型2.2.4裂纹夹杂EMT模型2.3逾渗理论及模型2.3.1逾渗理论基础2.3.2逾渗阈值2.3.3标度理论2.3.4连续区逾渗理论2.3.5孔隙介质逾渗的研究方法2.3.6裂纹介质逾渗的研究方法2.4渗透过程的数值求解方法2.4.1渗透过程数学模型定解条件2.4.2有效渗透率计算本章小结本章参考文献第3章随机裂纹网络的几何特征分析3.1裂纹网络的细观表征3.1.1裂纹密度3.1.2裂纹取向3.1.3裂纹开度3.1.4裂纹网络分形特征3.1.5裂纹网络连通度3.2随机裂纹网络的模拟3.2.1随机裂纹网络数值模型生成算法3.2.2裂纹网络连通性模拟算法3.3随机裂纹网络逾渗参数3.3.1逾渗阈值3.3.2逾渗的标度指数本章小结本章参考文献混凝土结构开裂问题与耐久性评估目录第4章开裂混凝土材料渗透率有效介质理论研究4.1IDD估计框架4.2含裂纹孔隙材料渗透率的扩展IDD模型4.2.1IDD理论解模型4.2.2裂纹不连通时渗透率的IDD估计4.2.3裂纹部分连通时渗透率的扩展IDD模型4.3扩展IDD模型验证4.3.1不连通裂纹网络4.3.2部分连通裂纹网络本章小结本章参考文献第5章开裂水泥基材料逾渗理论研究5.1渗透率的标度律5.2渗透率的标度指数5.3裂纹开度对渗透率的影响5.4基体渗透率对整体渗透率的影响本章小结本章参考文献第6章开裂水泥基材料传输性质试验研究6.1试验流程6.2材料与试件6.3等温吸附—脱附试验6.4损伤制备6.5交流电导率测试6.6干燥试验本章小结本章参考文献第7章水泥基材料裂纹网络形貌分析及其对传输性质影响7.1裂纹形态的观测与分析7.1.1裂纹观测方法7.1.2裂纹网络形貌分析7.2有效渗透率计算7.2.1等温吸附—脱附曲线7.2.2有效渗透率求解7.3裂纹网络对传输性质的影响7.3.1裂纹网络与渗透率7.3.2裂纹网络与电导率7.3.3电导率与渗透率的相关关系7.3.4试验数据与模型结果的对比本章小结本章参考文献附录A薄片试件人工损伤裂纹网络A.1普通混凝土(OPC)试件A.2砂浆(MOR)试件附录B渗透过程有限元数值计算方法附录C线性物理问题椭球形夹杂的稀疏解附录D水泥基孔隙材料水分传输过程D.1水分在孔隙中的迁移过程D.2水分的多相传输模型

水泥基材料的耐久性对工程结构的安全性、适用性及经济性意义重大，特别是对在恶劣环境下服役的结构甚至起着决定性作用。在不同的服役环境下，水泥基材料耐久性的劣化机理有所不同。在工程实践中往往采用与主要劣化机理相对应的物质传输性质指标来定量表征耐久性的优劣，主要包括水、气体和离子的迁移速率等指标。材料耐久性优劣取决于服役环境中的侵蚀性介质向材料内部迁移速率的快慢。准确量化水泥基材料的物质传输性能，对混凝土结构的耐久性评估和寿命预测具有重要的指导意义。实际工程中绝大多数的水泥基材料都是处于非饱和状态，当材料内部孔隙结构充满水，形成水的通路，孔隙结构的连通程度会影响侵蚀介质在水泥基材料内部传输的难易程度。此外，实际的工程结构在力学荷载和环境因素作用下会产生裂纹。裂纹产生、扩展和连通对材料的渗透性影响显著，进而影响材料的使用性能。本书通过理论分析、数值模拟和试验研究对含随机裂纹网络水泥基材料的传输性能进行了系统研究。研究首先基于连续区逾渗理论并考虑裂纹网络的分形特征提出了有限区域内裂纹网络的连通度定义。然后在含裂纹夹杂的相互作用直推(Interaction direct derivative,IDD)理论模型基础上，引入裂纹网络的连通度和裂纹的开度信息，定义与连通度相关的水平裂纹密度，按照增量法将表征连通特征的水平裂纹嵌入有效基体中，以此方式来考虑裂纹夹杂间的相互作用，提出了考虑裂纹连通特征的扩展IDD模型。随后开展了含裂纹网络孔隙材料渗透率逾渗模型的研究，采用裂纹面密度作为逾渗基本变量，计算了不同裂纹网络的逾渗阈值以及阈值附近的标度指数；考虑裂纹网络的连通度和主裂纹团的曲折度给出了渗透率标度律的解析解，分别考虑了裂纹网络的几何逾渗特征、孔隙材料渗透率以及裂纹开度比。以水泥基材料为研究对象，研究了裂纹网络对材料物质传输性质的影响。对开裂试件表面的二维裂纹形貌特征进行了定量分析，包括裂纹的密度、取向、开度、连通度等。测试了普通混凝土和砂浆材料的等温吸附与脱附曲线，得到两种材料的水分特征曲线。然后尝试使用水分迁移的多相流模型来模拟试件的干燥过程，同时对比干燥试验中不同开裂程度试件的质量变化过程来回归其对应的本征渗透率。最后给出裂纹网络不同的形貌参数对物质传输性质的影响。含裂纹夹杂多孔介质的渗透性等物质传输性能是一个非常复杂的科学问题，而混凝土材料开裂后的耐久性如何是一个非常现实的应用问题。针对含裂纹损伤混凝土的宏、细观研究现状及不足的分析，本书从理论与应用角度出发力图从细观层次研究混凝土裂纹损伤对气体渗透性等物质传输性能的影响机理及规律，力图通过理论研究、数值分析和试验研究来探讨随机裂纹网络对孔隙材料渗透性的影响机理及规律。全书分为7章，各章主要内容如下：第1章阐述本书研究工作的背景，总结混凝土材料主要的物质传输过程和开裂损伤的多层次描述、模拟的方法，并在此基础上从宏观唯象、细观两个层次研究混凝土裂纹损伤对气体渗透性等物质传输性能的研究现状并指出不足之处，提出本书的研究方法和最终达到的研究目标。混凝土结构开裂问题与耐久性评估前言第2章总结了开裂孔隙材料渗透性的研究模型，介绍了本书理论研究中所采用的有效介质理论和逾渗理论的理论基础，为后续理论分析打下基础。第3章从细观层次上描述裂纹网络的几何特征，基于连续区逾渗理论并考虑裂纹网络的分形特征提出了有限区域内随机裂纹网络的连通度定义方法；建立了随机裂纹网络生成程序和渗透过程数值分析工具；计算了不同几何特征裂纹网络的逾渗阈值，探讨了在阈值附近标度指数的变化规律。第4章在 IDD 细观力学理论框架内，基于有效介质模型推导了不连通裂纹网络影响渗透性的 IDD 理论解；引入连通度的量化定义并推导了部分连通裂纹网络影响整体渗透性的扩展 IDD 模型，给出了某些特殊情形的解析解；基于离散介质模型方法，建立了二维开裂混凝土二相结构的随机生成程序和渗透性的数值计算工具，以便对含裂纹网络混凝土材料的渗透性进行离散数值模拟。在IDD理论模型的基础上，引入连通度的概念和裂纹的开度信息，建立含有裂纹连通特征的孔隙材料渗透性有效介质理论模型，然后通过数值计算对模型进行验证。第5章采用逾渗理论对含随机裂纹网络的孔隙材料渗透性进行研究。考虑裂纹网络的连通度和主裂纹团的曲折度给出了渗透率标度律的解析形式；对逾渗阈值附近含随机裂纹网络孔隙材料的有效渗透率进行数值分析，探讨了裂纹开度对渗透率标度律的影响规律，验证逾渗模型解析解的有效性。第6章以水泥基孔隙材料为研究对象，使用在薄片试件上人工制造裂纹再拼接的方法得到上下表面一致的二维裂纹网络，记录干燥试验中开裂砂浆和混凝土试件的质量变化过程。第7章从细观层次对砂浆和混凝土试件裂纹网络的几何特征进行研究、分析，结合水分迁移的多相流模型来间接推断开裂试件的渗透率，探讨不同的几何参数对材料整体物质传输性质的影响规律。全书由李乐构思、统稿和审定，本书的内容均为作者在开裂水泥基材料物质传输性质方面的研究成果,得到了国家自然科学基金（5180