[发明专利]氧化镁混凝土微膨胀性应力补偿数学模型的实现方法

说明书

本发明公开了氧化镁混凝土微膨胀性应力补偿数学模型的实现方法，该方法是采用有限单元法实现：在求解氧化镁混凝土综合膨胀量过程中，采用热‑化学耦合方法，以水泥水化反应程度以及氧化镁水化反应程度作为化学反应系统的中间变量，并考虑实时温度对反应速率的影响，建立混凝土温度场及各化学场实时预测模型；并结合氧化镁水化反应程度与混凝土膨胀量之间的关系，建立计算氧化镁混凝土膨胀应力的数学模型。本发明提供了新的适用于采用氧化镁混凝土作为填筑材料的混凝土的水化热及自生体积变形的计算方法，对于氧化镁混凝土热‑化学耦合效应研究，本发明填补了该领域研究的空白。

技术领域

本发明涉及一种混凝土结构仿真技术领域的氧化镁混凝土膨胀量以及膨胀应 力的计算，尤其适用于水利水电工程中采用外掺氧化镁以补偿温度应力从而减少 温控措施的大体积混凝土结构。

技术背景

大体积混凝土结构在施工过程中往往出现裂缝，大量实际工程经验表明，混 凝土的温度变形尤其是温度降低之后的收缩变形是诱导大体积混凝土结构产生裂 缝的主要因素之一。在混凝土中掺加氧化镁，是一种非常有效的防裂技术之一： 利用氧化镁水化的微膨胀性，可补偿混凝土在降温过程中产生的拉应力和体积收 缩，从而到达防止结构开裂的目的。

混凝土温度上升实质上来源于水泥胶凝材料各种组分与水结合形成水合物的 化学反应。众所周知，化学反应速率与其所处环境温度有着紧密联系，水泥水化 反应也同样如此，在温度相当低的情况下，水化反应会非常缓慢甚至停止。对于 相同龄期的大体积混凝土，在内部(通水冷却)和外部边界条件(环境温度等) 的影响下，不同部位的温度不同，其水化反应速率也不同。此外，氧化镁混凝土 的膨胀本质上是氧化镁水化生成氢氧化镁的过程。因此，该过程也同样遵循化学 反应的一般规律，温度和浓度是主要影响因素，温度越高反应越快，氧化镁水化 速率越快，相应膨胀速率也越快。

因此，对氧化镁混凝土补偿收缩的研究，需同混凝土的温度场的研究结合起 来。合理的考虑氧化镁混凝土温度场、体积膨胀量以及温度应力之间耦合关系的 计算方法，对于实际工程的研究和设计过程中，更加有效的利用氧化镁混凝土的 收缩补偿功能，具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题提供一种考虑混凝土内部各化学反应(包括胶凝 材料水化和氧化镁的水化)的反应速率与温度之间关系，从而合理地模拟氧化镁 混凝土水化过程中的温度、膨胀量以及温度应力的计算方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

该方法是采用有限单元法实现：在求解氧化镁混凝土综合膨胀量过程中，采 用热-化学耦合方法，以水泥水化反应程度以及氧化镁水化反应程度作为化学反应 系统的中间变量，并考虑实时温度对反应速率的影响，建立混凝土温度场及各化 学场实时预测模型；并结合氧化镁水化反应程度与混凝土膨胀量之间的关系，建 立计算氧化镁混凝土膨胀应力的数学模型。

具体的，该方法包括如下步骤：

步骤1.混凝土瞬态热传导及应力应变：

将瞬态热传导方程写作：

其中，ρ为混凝土密度；C为混凝土比热；λ_T为混凝土导热；Q为单位质量混 凝土放热量；x,y,z为空间坐标；t表示时间；T表示温度；△为拉普拉斯算子；

将混凝土应变分为四个部分—弹性应变ε_el、自生体积变形应变ε_au、温度应变ε_th以及徐变应变ε_cr；混凝土表观应力等于弹性应变ε_th与弹性矩阵E的乘积；写成增 量型式：

步骤2.混凝土水化放热量：