基于粘弹性本构关系的早龄期约束水泥砂浆环开裂预测研究

【摘要】：混凝土材料在凝结硬化的过程中,内部温、湿度场会由于水化反应而发生显著变化,生成的水泥凝胶在早期亦具有一定的流动性。相对于水泥砂浆基体而言,混凝土内粗骨料以及钢筋的体积变化与流动性则比较微弱。因此,当凝胶体体积发生变化、特别是收缩时,二者的约束作用会导致凝胶体内出现残余拉应力。当该拉应力值超过混凝土的早期抗拉强度,就会在混凝土内产生众多微小裂缝、乃至贯穿裂缝。试验及工程经验表明,混凝土结构的裂缝大多出现在水泥砂浆基体内部及其与骨料的交界面处。鉴于此,本文拟以水泥砂浆为重点研究对象,对其进行约束圆环试验;位于砂浆环内侧的钢环可以用来模拟实际混凝土结构中骨料、钢筋、以及周围结构构件对砂浆基体变形的约束作用。通过观察砂浆环的开裂现象,以及进行相应的砂浆材性试验,可以对早期砂浆基体在非荷载作用下的受力情况作初步了解,并为此后约束砂浆环的应力应变分析提供试验依据。考虑到早期水泥基材料水化引起的温度变化影响,以及凝胶体呈现出的较为显著的粘滞性能,传统的弹性或弹塑性模型将不能完整地描述砂浆早期真实的本构关系。此时砂浆的应力应变之间不再呈一一对应,而是随着时间和温度的变化而变化。为了对这一问题有更深入的认识,本文将以热力学定律为依据,从能量守恒的角度考察材料在受力时的热力学过程;借此探寻弹性与粘性材料之间表现出不同力学性能的内在原因,从而建立适用于早龄期砂浆的热-粘弹性本构关系模型。此外,考虑到早龄期水泥基材料的性质随时间变化,文中还给出了变参数条件下,通过徐变试验确定模型中各参数取值的方法。最后,根据早龄期砂浆的开裂试验以及材性试验测量数据,本文进行了水泥水化的温度模拟;并建立起在温度、收缩、硬化等的综合作用下,早龄期约束砂浆环基于热-粘弹性本构关系的时变应力分析方法,据此讨论了相关因素对砂浆环开裂的影响程度。通过砂浆环内应力发展与同期劈裂抗拉强度之间的对比,本文还提出了相应的开裂预测模型,用以分析和判断早龄期约束砂浆环的开裂趋势和开裂倾向,其它文献资料中试验数据的分析计算结果验证了该模型的准确性。