ECC混凝土自由收缩分析

摘要：利用有限元分析方法对ECC混凝土进行自由收缩分析，考虑尺寸和钢筋参量对ECC强度的影响，分析结果表明：相同钢筋掺量情况下，随着混凝土强度增加，混凝土内部湿度越大，相同时间内湿度降低量最小；相同混凝土强度下，随着钢筋增量的增加，混凝土内部湿度越大，相同时间内湿度降低量最小。综合来看，混凝土强度对混凝土湿度场影响大于钢筋掺量。

关键词：有限元ECC混凝土湿度强度

AnalysisofFreeShrinkageofECCConcrete

ZHANGYingjiaZHANGZhenya*WUZexu

SchoolofArchitectureandTransportationEngineering，NingboUniversityofTechnology，Ningbo，ZhejiangProvince，315211China

Abstract：Inthispaper，freeshrinkageanalysisofECCconcreteiscarriedoutbyFiniteElementAnalysismethod，theinfluenceofsizeandreinforcementparametersonECCstrengthareconsidered.Analysisresultsshow：Underthesameamountofsteelreinforcement，withtheincrease ofconcretestrength，thegreaterthehumidityinsidetheconcrete，thesmallesthumiditydecreaseinthesametime;Underthesameconcretestrength，withtheincreaseofsteelreinforcementincrement，theinternalhumidityofconcreteincreases，andthedecreaseinhumidityisthesmallestwithinthesametime.Onthewhole，theinfluenceofconcretestrengthontheconcretemoisturefieldisgreaterthanthatofsteelreinforcement.

KeyWords：FiniteElement;ECCconcrete;Humidity;Strength

混凝土是多孔复合材料，含有更多的水分，随时间、空间的变化，水分不断减少，从而会影响混凝土内部的孔隙度和湿度[1-3]。由于混凝土内外材料的扩散系数不同，导致在混凝土内部形成湿度变化梯度，其混凝土收缩变形与应力都是湿度梯度的直接影响结果[4-7]。混凝土湿度场是一个复杂且非线性瞬态场，直接想通过理论求解相当困难，所以常常借助数值求解[8-10]。

本文针对ECC混凝土自由收缩性能进行分析，分析模型是2000mm×60mm×20mm，通过改变钢筋掺量与ECC强度，共计9个分析工况。本文主要研究的问题是混凝土湿度场分析与收缩变形行为。下面分别从建模过程及结果分析两方面详细介绍。

1有限元模型建立

1.1.1有限元网格

考虑原本结构与其边界条件的对称性，对ECC自由收缩分析模型采用轴对称建模。图1所示试件的有限元网格。

模型X方向为长度方向、Y方向为宽度方向、Z方向为高度方向，模型关于XZ平面、YZ平面对称。结构有限元模型故此采用正六面体拓扑网格划分，单元类型为六面体八节点，网格数目为15000。

1.1.2材料属性

ECC弹性模量为40GPa，泊松比0.28。不同强度等级混凝土与钢筋掺量的湿扩散系数如表1所示。

表中，h为湿度；C30_2%则表示ECC材料强度为C30，钢筋掺量为2%，其他意义相同；表中湿扩散系数单位为1×10-6m2/d。

从表1可知，对不同的钢筋掺量以及混凝土材料强度，其湿度的扩散系数则不同，可见湿度的扩散系数和湿度是正相关。在Abaqus软件中，需要建立湿度传导系数与温度变化的函数，说明该材料属性，如图2所示。

1.1.3边界条件

在求解时，首先建立2个边界条件—位移边界条件和湿度扩散界面边界条件；外加初始的一个条件。

设置位移边界条件：X方向、Y方向、Z方向都采用全约束边界条件。

表面湿度扩散边界条件假设环境湿度60%，其表面的扩散系数为32×10-3m/d。则试件的5个面能与空气界面湿度交换，让底面是绝对湿度边界条件（假定其试件完全放置在底面上，完全与空气隔绝）。Abaqus中设置界面如图3所示。

初始条件设置为ECC混凝土的初始湿度为100%。

1.1.4求解设置

求解类型为热-力耦合求解，采用瞬态求解格式。求解时长为30d。设置界面如图4所示。

1.1ECC混凝土自由收缩分析结果

图5所示结果为2000mm×60mm×20mm材料试件，强度为C30和钢筋的掺量为3%在不同龄期的收缩位移的分布云图。

由图5可以看出，材料ECC混凝土的收缩变形主要沿着X方向，这可能是与X方向尺寸大于其他两个方向的尺寸有关。例如：ECC强度等级为C40、C50以及钢筋掺量为4%和5%时，其收缩规律基本相似，此处不再赘述。

图6所示材料为C30强度、3%钢筋掺量下试件尺寸2000mm×60mm×20mm不同龄期的湿度场分布云图。

由图6可以看出，材料ECC混凝土湿度场分布规律为：外表面的湿度和空气湿度基本相同，另外湿度缓慢向内增大的变化规律；同时，沿着X的方向其湿度场分布比较均匀，在Y、Z的方向上湿度梯度比较凸显；随着龄期时间的逐渐增加，则ECC混凝土材料最大的湿度值缓慢降低，且湿度的变化速率有所下降。

为了方便理论分析材料ECC混凝土的湿度场随时间变化规律，分别在模型内表面（点1）、中间层（点2）、外表面（点3）上设置三个观测点，分析ECC混凝土内部湿度场随育龄时间变化。

由图7可知，混凝土外表面湿度最小，且随时间变化量最大，随着深度增加，混凝土湿度变化量逐渐降低，内表面湿度最大。伴随时间逐渐增加，则混凝土的湿度改变速率缓慢降低。其他不同情况存在与之类似的规律。

为了对比分析不同钢筋掺量、ECC强度对混凝土湿度场影响，图8至图11为不同条件下混凝土内部湿度变化规律对比图。

2结论

• 相同钢筋掺量情况下，随着混凝土强度增加，混凝土内部湿度越大，相同时间内湿度降低量最小，
• 相同混凝土强度下，随着钢筋增量的增加，混凝土内部湿度越大，相同时间内湿度降低量最小，
• 综合来看，混凝土强度对混凝土湿度场影响大于钢筋掺量。

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