[發明專利]氧化鎂混凝土微膨脹性應力補償數學模型的實現方法

在審

• 申請號: 201810113934.4
• 申請日: 2018-02-05
• 公開（公告）號: CN108733968A
• 公開（公告）日: 2018-11-02
• 發明（設計）人: 馮楚橋;余曉敏;申獻平;蘭光裕;羅代明;向國興;熊杰
• 申請（專利權）人: 貴州省水利水電勘測設計研究院
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 貴陽中新專利商標事務所 52100
• 代理人: 劉楠;李余江

本發明公開了氧化鎂混凝土微膨脹性應力補償數學模型的實現方法，該方法是采用有限單元法實現：在求解氧化鎂混凝土綜合膨脹量過程中，采用熱?化學耦合方法，以水泥水化反應程度以及氧化鎂水化反應程度作為化學反應系統的中間變量，并考慮實時溫度對反應速率的影響，建立混凝土溫度場及各化學場實時預測模型；并結合氧化鎂水化反應程度與混凝土膨脹量之間的關系，建立計算氧化鎂混凝土膨脹應力的數學模型。本發明提供了新的適用于采用氧化鎂混凝土作為填筑材料的混凝土的水化熱及自生體積變形的計算方法，對于氧化鎂混凝土熱?化學耦合效應研究，本發明填補了該領域研究的空白。

技術領域

本發明涉及一種混凝土結構仿真技術領域的氧化鎂混凝土膨脹量以及膨脹應 力的計算，尤其適用于水利水電工程中采用外摻氧化鎂以補償溫度應力從而減少 溫控措施的大體積混凝土結構。

技術背景

大體積混凝土結構在施工過程中往往出現裂縫，大量實際工程經驗表明，混 凝土的溫度變形尤其是溫度降低之后的收縮變形是誘導大體積混凝土結構產生裂 縫的主要因素之一。在混凝土中摻加氧化鎂，是一種非常有效的防裂技術之一： 利用氧化鎂水化的微膨脹性，可補償混凝土在降溫過程中產生的拉應力和體積收 縮，從而到達防止結構開裂的目的。

混凝土溫度上升實質上來源于水泥膠凝材料各種組分與水結合形成水合物的 化學反應。眾所周知，化學反應速率與其所處環境溫度有著緊密聯系，水泥水化 反應也同樣如此，在溫度相當低的情況下，水化反應會非常緩慢甚至停止。對于 相同齡期的大體積混凝土，在內部(通水冷卻)和外部邊界條件(環境溫度等) 的影響下，不同部位的溫度不同，其水化反應速率也不同。此外，氧化鎂混凝土 的膨脹本質上是氧化鎂水化生成氫氧化鎂的過程。因此，該過程也同樣遵循化學 反應的一般規律，溫度和濃度是主要影響因素，溫度越高反應越快，氧化鎂水化 速率越快，相應膨脹速率也越快。

因此，對氧化鎂混凝土補償收縮的研究，需同混凝土的溫度場的研究結合起 來。合理的考慮氧化鎂混凝土溫度場、體積膨脹量以及溫度應力之間耦合關系的 計算方法，對于實際工程的研究和設計過程中，更加有效的利用氧化鎂混凝土的 收縮補償功能，具有重要意義。

發明內容

本發明所要解決的技術問題提供一種考慮混凝土內部各化學反應(包括膠凝 材料水化和氧化鎂的水化)的反應速率與溫度之間關系，從而合理地模擬氧化鎂 混凝土水化過程中的溫度、膨脹量以及溫度應力的計算方法。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

該方法是采用有限單元法實現：在求解氧化鎂混凝土綜合膨脹量過程中，采 用熱-化學耦合方法，以水泥水化反應程度以及氧化鎂水化反應程度作為化學反應 系統的中間變量，并考慮實時溫度對反應速率的影響，建立混凝土溫度場及各化 學場實時預測模型；并結合氧化鎂水化反應程度與混凝土膨脹量之間的關系，建 立計算氧化鎂混凝土膨脹應力的數學模型。

具體的，該方法包括如下步驟：

步驟1.混凝土瞬態熱傳導及應力應變：

將瞬態熱傳導方程寫作：

其中，ρ為混凝土密度；C為混凝土比熱；λ_T為混凝土導熱；Q為單位質量混 凝土放熱量；x,y,z為空間坐標；t表示時間；T表示溫度；△為拉普拉斯算子；

將混凝土應變分為四個部分—彈性應變ε_el、自生體積變形應變ε_au、溫度應變ε_th以及徐變應變ε_cr；混凝土表觀應力等于彈性應變ε_th與彈性矩陣E的乘積；寫成增 量型式：

步驟2.混凝土水化放熱量：