混凝土材料與結構熱變形損傷機理及抑制技術

馬軍濤，男，1984年10月出生，工學博士，講師。主要從事先進水泥基復合材料、混凝土結構耐久性的研究。主持國家自然科學基金、河南省高校科學技術研究重點項目、硅酸鹽國家重點實驗室開放基金、黃河水利科學研究院開放基金等5項。近年來，出版學術專著2部，發(fā)表學術論文10余篇。 2100433B

本書針對大溫差地區(qū)的氣候特征，系統(tǒng)模擬研究了水泥混凝土材料在大溫差環(huán)境(室溫~85℃)服役下各組成相間熱膨脹性能的差異。通過觀察水泥混凝土材料在熱疲勞循環(huán)作用下的性能變化，深入研究了硬化水泥石和水泥混凝土的熱膨脹性能及物相間熱相互作用機理，探討了適應于大溫差地區(qū)下的熱變形協(xié)調性混凝土制備技術，并結合實體工程對我國北方大溫差地區(qū)的空心薄壁墩結構進行了時變溫度效應規(guī)律和熱應力研究。

金屬的熱變形機構有滑移變形、孿生變形、晶界滑移、擴散蠕變。在不同條件下，·這四種變形機構在塑性變形中所占的份量和起的作用不盡相同。其中，晶內的滑移變形是最重要和大量的常見的機構。孿生變形一般在低溫或常溫高速應變時發(fā)生，對六方晶體結構金屬這種機理比較重要。而晶界滑移和擴散蠕變只在高溫時才可能發(fā)揮作用。影響這些變形機理發(fā)揮作用的主要因素是金屬材料的組織結構、變形溫度。但是，在熱變形時，出現(xiàn)的動態(tài)回復，動態(tài)再結晶以及在壓應力狀態(tài)下擴散修復機理，對上述變形機構起著直接的調節(jié)和控制作用。

本項目以水分遷移條件下巖石的時效變形及損傷弱化為研究背景，以水分遷移、應力腐蝕和損傷演化三場耦合作用為切入點，在試驗結果的基礎上提出水分遷移-應力腐蝕-損傷演化耦合作用的理論模型，并結合巖石細觀非均勻性特征和流變特性，發(fā)展耦合作用下巖石變形時效性和破壞過程機理研究的三維數(shù)值模型，實現(xiàn)水分遷移導致的巖石裂紋萌生、擴展和貫通過程的模擬研究。通過在數(shù)值模型中采用基于并行計算的程序設計技術，實現(xiàn)巖石變形時效性和破壞過程的大規(guī)?？茖W計算研究。以此數(shù)值分析方法為主要手段，結合物理試驗和與具體工程實例，研究水分遷移條件下巖石的時效變形及損傷弱化的內在機理，分析探討高應力條件下有水影響和無水影響時地下洞室開挖和采礦活動期間的圍巖變形時效性、破壞特點以及失穩(wěn)的前兆規(guī)律，并著重研究開挖所造成的巖體擾動區(qū)受水影響的變形特征。相應的研究成果為地下空間開挖和深部礦產資源開采等工程施工提供科學的方法和依據(jù)。

本項目立足于大面積、大體積混凝土材料在環(huán)境溫濕度作用下的變形開裂理論、數(shù)值模擬方法的創(chuàng)新，對混凝土材料變形開裂性能進行研究。采用理論分析、模擬試驗與數(shù)值計算相結合的方法，從混凝土的多孔介質特點出發(fā)，根據(jù)多孔介質力學、損傷力學相關原理，深入研究周期性變化溫濕度作用下混凝土材料的體積變形行為及邊界受限時的開裂機理：系統(tǒng)分析濕擴散系數(shù)、比熱容、導熱系數(shù)、彈性模量等因素對混凝土材料濕熱耦合變形行為的影響，提出混凝土內部溫濕度分布、濕熱耦合變形計算新方法，建立混凝土材料溫濕度應力－應變關系模型；繼而開展混凝土板在周期性溫濕度變化作用下的內部損傷演化分析、變形開裂試驗等，揭示周期性溫濕度作用下混凝土材料變形開裂機理。本項目研究將為混凝土材料變形開裂機理分析、數(shù)值模擬提供新的途徑，對解決大體積和大面積混凝土工程裂縫、增強結構耐久性具有重要的實際意義，同時對混凝土計算材料學的發(fā)展也有重要的科學意義。