孔半径对高温混凝土热力学性能影响的数值分析

李玉花，杨 明

(湖北理工学院 a.化学与化工学院，b.材料科学与工程学院，湖北 黄石 435003)

混凝土在现代建筑中应用广泛，其在常温下受力性能良好[1]。但是随着混凝土应用场地的增多，混凝土建筑材料承受的环境有时候恶劣，对混凝土的热力学性能提出了更高的要求。在施工早期，混凝土水化热引起的高温和应力比较大，使得混凝土中含有各种各样的孔结构，孔结构会使混凝土产生裂缝，安全性大大降低。因此，研究高温条件下不同孔结构的混凝土热力学性能具有重要意义。

利用有限元模拟，将得到的数据进行分析，所得出的结论具有理论指导意义。有限元分析是指通过数学近似的方法，用有限数量的未知量来逼近无限数量的未知量，模拟真实的物理系统。其是从结构力学发展起来的一种现代计算方法，一开始仅适用于线性求解，后来由于许多工程问题单靠线性求解解决不了，为此科研人员丰富了有限元分析材料库，并开发了非线性求解器[2]。现如今，有限元分析软件不仅能实现流体分析[3-4]、结构分析[5]、电磁分析[6]，在热分析方面也展现了强大优势[7]。热传导、热对流、热辐射等都可通过有限元分析软件进行模拟分析计算。

有限元软件ANSYS功能强大，求解精度高，应用广泛。ANSYS热分析是基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元方法计算各节点的温度，同时导出其他物理量。ANSYS的热分析模块可以对各种材料组成的平面和空间结构进行热分析，也可以对含孔高温混凝土的温度场及温度应力进行分析。ANSYS热分析分为稳态热分析和瞬态热分析。在工程上，一般用瞬态热分析计算温度场，并将之作为热荷载再进行热应力分析[8]。

本文基于高温混凝土的缺陷结构特征，建立含有圆形孔隙的高温混凝土模型，探索孔半径对热力学性能的影响，以期进一步探究高温混凝土的热力学性能。

1 孔隙混凝土的数值模拟

1.1 数值模拟模型

由于混凝土中的缺陷结构杂乱无章，不易于分析各种缺陷对混凝土热力学性能的影响。针对其结构特点，对混凝土内的缺陷做合理简化，剔除存在的微裂纹，将混凝土中的孔隙简化为圆形孔洞。通过程序编写，在ANSYS中完成模型的建立。定义圆形孔洞的尺寸，确保圆形孔洞间互不相交。建立有限元模型的流程如图1所示。

图1 建立有限元模型的流程

1.2 混凝土性能参数

建立的高温混凝土模型中，材料相关参数见表1。建立的三维含孔洞的有限元模型及网格划分模型如图2所示。

表1 材料相关参数

(a) 有限元模型 (b) 网格划分模型

2 数值计算结果与分析

2.1 孔半径对高温隔热性能的影响

不同孔径的高温混凝土的隔热性能及其变化分别如图3和图4所示。由图3和图4可以看出，随着孔半径的增加，混凝土的隔热性能明显变好。无孔高温混凝土的隔热温度为685 ℃，当内孔半径增加到15 μm时，高温混凝土的隔热温度为710 ℃，隔热温度增加了25 ℃。从隔热性能来看，混凝土内的孔使混凝土的隔热性能变好，且孔径越大，高温混凝土的隔热性能越好。

(a) 无孔 (b) 2 μm (c) 5 μm (d) 10 μm (e) 15 μm图3 不同孔径的高温混凝土的隔热性能

图4 不同孔径的高温混凝土的隔热性能变化

2.2 孔半径对高温热应力性能的影响

一般情况下，混凝土中的孔由水、空气或者水汽混合物填充，孔的内外材料成分不同，热膨胀系数也不同，温度变化就会引起变形不协调，这样就会产生热应力。不同孔径的高温混凝土的高温热应力性能及其变化分别如图5和图6所示。由图5和图6可以看出，随着孔半径的增加，高温混凝土的高温热应力逐渐减小。相较于无孔高温混凝土，孔径为15 μm的圆孔高温混凝土的高温热应力减少了接近1.5 GPa。从高温热应力性能来看，孔径增加，高温混凝土的热应力减小。

(a) 无孔 (b) 2 μm (c) 5 μm (d) 10 μm (e) 15 μm图5 不同孔径的高温混凝土的高温热应力性能

图6 不同孔径的高温混凝土的高温热应力性能变化

2.3 孔半径对高温热应变性能的影响

不同孔径的高温混凝土的高温热应变性能及其变化分别如图7和图8所示。由图7和图8可以看出，当孔径为5 μm时，其高温热应变性能与无孔高温混凝土相比变化不大，随着孔半径的增加，高温混凝土的高温热应变逐渐增加。孔径继续增大，高温混凝土的高温热应变逐渐增大。孔径为15 μm圆孔的高温混凝土比无孔高温混凝土的高热温应变增加了2 nm。从高温热应变性能来看，高温混凝土内含有孔隙是不利的。

(a) 无孔 (b) 2 μm (c) 5 μm (d) 10 μm (e) 15 μm图7 不同孔径的高温混凝土的高温热应变性能

图8 不同孔径的高温混凝土的高温热应变性能变化

从高温隔热性能、高温热应力性能、高温热应变性能3方面分析可知，孔隙结构提高了高温混凝土的高温隔热性能，减小了高温混凝土的高温热应力，增加了高温混凝土的高温热应变。综合考虑，含10 μm左右孔径圆孔的高温混凝土的热力学性能最好。

3 结论

基于理论分析和数值模拟，对含孔高温混凝土的热力学性能进行研究。建立了含有圆形孔隙的高温混凝土模型，分析了孔半径对高温混凝土隔热性能、高温热应力及应变性能的影响，得出以下结论。

1)孔半径越大，高温混凝土的隔热性能越好。单从隔热性能方面考虑，高温混凝土内含孔是有利的。

2)高温混凝土的高温热应力随着孔半径增加而减小。单从高温热应力方面考虑，高温混凝土内的孔隙提高了高温混凝土的热力学性能。

3)随着孔半径增加，高温混凝土的高温热应变增加，说明高温混凝土内含孔是不利的。

4)孔径增大使高温混凝土的隔热性能变好，热应力减小。但是，随着孔径增加，高温混凝土的高温热应变也变大。综合考虑，高温混凝土的孔径控制在10 μm左右比较好，此时高温混凝土的热力学性能最佳。