骨料形状对混凝土水渗透性影响的初步研究.pdf
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1、第 4 8 卷第 1 期 2 0 1 2年 1 月 甘 肃 水 利 水 电 技 术 GA NS U WA T E R R E S O URC E S AN D H啊) l 【 0P 0WI 阻 T 1 陇舶 0I 0 GY Vo 1 4 8, No 1 J a n , 2 0 1 2 设计与研究 骨料形状对混凝土水渗透性影响的初步研究 r 胡 浩, 郑建军, 周欣竹 ( 浙江工业大学 建筑工程学院, 浙江 杭州 3 1 0 0 1 4 ) 摘要: 基于流体力学的基本方程, 取一元胞单元, 通过人工压缩算法求解流体速度场和压力场, 提出了混凝土水渗透 系数预测的数值方法。 数值结果表明: 正方形
2、、 正八边形和圆形骨料混凝土。 相对水渗透系数均随着面积百分数的增 大而减小。当骨料面积百分数小于4 o 时, 圆形骨料的相对水渗透系数最大; 而当骨料面积百分数大于4 O 时, 正方 形骨料的相对水渗透系数反而大于圆形骨料的相对水渗透系数。对于椭圆形骨料混凝土, 对于给定的骨料面积百分 数 , 当夹角为0 o 时, 相对水渗透系数随着长细比的增大而增大, 但是当夹角为 9 0 o 时, 相对水渗透系数反而随着长细 比的增 大而减 小。 关键词 : 混凝土; 水渗透系数; 骨料形状; 人工压缩算法 中图分类号: T U 5 2 8 O 1 文献标志码: A 文章编号: 2 0 9 5 0 1
3、4 4 ( 2 0 1 2 ) O l 一 0 0 2 4 0 3 1 前 言 混凝土是一种多孔介质材料 , 水可以通过混凝 土内部的连通孔隙和裂缝以渗透、 扩散或层 流的形 式传输 , 混凝土水渗透系数是衡量混凝土结构耐久 性的关键参数 , 为此 。 国内外学者在实验研究和理论 分析方面均做了大量工作。 在实验方面, C r i s t i a n a 等人 的试验结果表 明, 粗骨料混凝土 比细骨料混凝土具 有更强的真空吸水能力 和更高的气渗透性 。 增加粗 骨料导致毛细孔增多和孔隙连通性增强 1 。B a s h e e r 等人的研究显示 , 当粗骨料尺寸较大、 含量较高时 , 混凝土
4、气密性较差 , 细骨料含量越高 , 混凝土内部孔 隙路径曲折性增大 。 混凝土气密性越好 2 。 在理论预 测方面 , N o k k e n等人和 N e i t h a l a t h等人基于 K a t z T h o m p s o n 渗透理论建立了混凝土水渗透系数与临界 孔径和总空隙率之间的定量关系 3 I4 , 但 T u mi d a j s k i 等人却认为用 K a t zT h o m p s o n渗透理论来描述混 凝土有其局限性 , 预测结果有时 比试验结果高出两 个数量级C 5 。C u i 等人基于一般有效介质理论 , 把水 泥石看成两相复合材料 。 提出了普通
5、水泥石水渗透 系数的预测方法 , 合理地考虑了凝胶孔和毛细孔在 水渗透过程中所起 的不同作用 6 。周欣竹等人对有 效介质理论进行了修正 , 提出了硬化水泥石水渗透 系数的解析解 , 与试验结果 良好吻合 7 】 。 S o n g 等人应 用一般有效介质理论和混凝土微观结构模型 , 提出 了硅粉混凝土水渗透系数 的解析解 , 考虑了硅粉的 火山灰反应和不同水化程度对水渗透性的影响 8 。 从上面的文献综述可以看出,骨料形状对混凝 土水渗透性的影响研究还不充分, 因此, 本文基于流 体力学问题求解的数值计算方法在此方面作一些初 步的探索。 2 基 本 方法 2 1 控 制方 程 在笛卡尔坐标系
6、下 ,二维不可压缩黏性流动的 纳维尔一 斯托克斯方程组 9 为: ( ) , , + = V( 1 aO t P ) 口 u = O ( 1 b ) 这里 , 、 p 4 9 和 t 分别为流体速度矢量、 压力 、 密 度和时间。 引入特征长度 、 特征速度 和流体动力 黏度系数 , 将上述各物理量进行无量纲化 : = = ( 2 ) , p , ( 2 ) 这里 , e为雷诺数。 将式( 2 ) 代入式( 1 a ) 和( 1 b ) 有 : 争 ) R e V ( 3 a ) V =0 ( 3 b ) 对于二维不可压缩黏性流体的定常问题 上述 方程简化为 : ( V ) + = V ( 4
7、 a ) 收稿 日期: 2 0 1 2 0 1 0 6 基金项目: 国家 自然科学基金项 目( 5 0 8 7 8 1 9 6 ) 作者简介: 胡浩( 1 9 8 7 一 ) , 男, 浙江金华人, 硕士研究生, 研究方向: 混凝土材料耐久性。 2 4 第 1 期 胡浩 , 等 : 骨料形状对混凝土水渗透性影响的初步研究 第 4 8 卷 V = O ( 4 b ) 左右两边 的压力差 p : 一 -,由达西定律可求得混凝 与方程 ( 3 a ) 和( 3 b ) 相对应的初始条件和边界条 土水渗透 系数 k : 件为 : = V o , l = 。 J厂 = , ( 5 ) ( 6 ) 这里
8、, 厂为所考虑问题的边界。 2 2数值 方法 水在混凝 土孔隙和裂缝中传输非常缓慢 , 经过 一 段时间后成为定常流动。C h o r i n E 0 提出了人工压 缩算法 , 在定常不可压缩黏性流体方程 中添加一项 压力 的时间导数项 , 将不可压缩流场随时间的变化 阶段当成可压缩流处理 们 , 这样 , 方程 ( 3 a ) 和( 3 b ) 转 化为 : 雾 + ( + = 1 ( 7 a ) + c v =0 ( 7 b ) 当 - o o 时 。 该方法能保证压力对时间的导数项 等于零 , 这样就能满足流体的连续性方程 , 非定常可 压缩黏性流动逼近定常不可压缩黏性流动。 在运用差分
9、法求解方程( 7 a ) 和( 7 b ) 时, 采用交错 网格并将时间离散踟 , 根据乞时刻所求得的速度 、 和压力 计算乇 + 。 时刻的速度场和压力场。对于 给定 的 , 利用下列条件判断数值解 的收敛性 : m ax( n+l一 An,I,吉 I I I, I 一 I) ( 8 ) 这里 , 为时间增量。如果 忽略动量方程 中压 力梯度项 , 利用线性稳定性分析方法 , 可得到有限差 分格式的稳定性条件 : I ) 2 MR e l ( 9 ) 再略去动量方程 中对流项 。 采用线性稳定性方 法得到如下稳定条件 : 4 M( 尺 1 +譬) 1 ( 1 o ) 为了模拟骨料形状对水渗透
10、性 的影响 。 取一单 位边长的正方形元胞单元( 图 1 ) , 骨料位于单元的 正中心。初始条件 : 各点压力为零 、 方向速度为常 数 、 夕 方向速度为零。 边界条件 : 上 、 下两边的速度 为零 , 左 、 右两边 方 向速度为常数 、 方 向速度 为零 。这样 , 就可 以应用差分法计算各 时刻流体的 速度场 和压力 场 。 再计算水平方向的平均速度 和 JI = p 、 一p 图 1 元胞单元 3计算结果和分析 先考虑正方形 、 正八边形和圆形 3种骨料 。 其面 积百分数从 1 O 变化到 6 0 , 计算结果如图 2所示。 可以看出, 无论是那一种骨料, 混凝土相对水渗透系
11、数均随着骨料面积百分数的增大而减小这是 因为 骨料面积越大, 元胞单元左右两端 的压力差也越大。 当骨料面积百分数在 1 0 一 4 0 之间时 相对水渗透 系数迅速下降, 而且对于给定的骨料面积百分数 , 圆 形骨料混凝土的相对水渗透系数最大 ,正方形骨料 混凝土的相对水渗透系数最小 ,这是因为流体更容 易绕 圆形 骨料流动的缘故 。当骨料 面积百分数为 1 0 、 1 5 、 2 0 和 3 0 时 ,圆形骨料混凝土的相对水 渗透系数 比正方形骨料混凝土的相对水渗透系数分 别大 8 4 1 、 9 6 2 、 1 0 2 O 和 7 4 7 。 当骨料面积百分 数等于 4 0 时, 3种骨
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