水泥基材料塑性开裂本构关系研究及开裂行为预测

随着社会建设和各类基础建设步伐的不断加快，以及砂浆和混凝土的商品化，砂浆和混凝土的需求量越来越大，但开裂问题严重制约着砂浆和混凝土的应用前景。在某些条件下，早期塑性收缩开裂十分明显，如何控制砂浆和混凝土的开裂问题已经刻不容缓。 课题以水泥砂浆的抗裂指数作为砂浆塑性收缩开裂的判据，研究多种参数对砂浆塑性收缩开裂的影响，通过建立砂浆抗裂指数与各影响因素的本构方程，为建立水泥基材料结构开裂预警机制提供理论基础和方法支持。 课题针对前期实验探索中存在的水分蒸发速率范围过窄、蒸发速率间隔较大等问题，对前期实验研究进行了扩展和补充，重新建立了砂浆塑性收缩开裂基于水分蒸发速率的一元本构方程，基于水灰比与水分蒸发速率的二元本构方程，基于灰砂比与水分蒸发速率的二元本构方程以及基于水灰比、灰砂比与水分蒸发速率的三元本构方程。研究表明，改进后的本构方程能较好地预测水泥砂浆塑性收缩开裂，提高了本构方程的实用性。同时本文研究了保水剂、矿物掺合料和减水剂掺量对砂浆塑性收缩开裂的影响，在此基础上，建立了水泥基材料基于材料组成参数（包括水灰比、灰砂比、纤维掺量、保水剂掺量、粉煤灰掺量、减水剂掺量）、环境参数（水分蒸发速率）、初始结构参数（分层度）和约束状况参数（约束度）的多元本构方程。实验结果表明，该本构方程的整体显著性明显，能较准确预测砂浆塑性开裂性状。 课题采用塑性粘度表征水泥基材料初始结构参数，研究了保水剂、纤维、矿物掺合料和减水剂掺量以及水灰比对砂浆塑性粘度的影响，在不同的影响因素下分别建立了塑性收缩开裂关于塑性粘度的本构方程。在此基础上，对初步建立的多元本构方程进行优化和补充，引入塑性粘度参数，重新建立了多元本构方程。 2100433B

水泥混凝土易于塑性失水收缩开裂的缺陷对其力学性能和耐久性能以及混凝土工程质量影响显著，探索水泥混凝土塑性收缩开裂过程中的力学行为、建立相应本构关系以及研究解决相关关键科学问题对掌握水泥混凝土塑性力学特性具有重要的科学意义。本项目在建立水泥基材料塑性抗拉强度、塑性毛细管失水收缩应力的测试方法基础上，系统研究水泥基材料组成参数、初始结构参数、环境参数以及约束度参数等因素对塑性阶段水泥基材料开裂力学性能的作用规律，采用甄别分处处置不可量化影响因素；构建基于材料科学观点的水泥基材料塑性收缩开裂本构关系；阐明水泥基材料塑性收缩开裂机理；提出水泥基材料塑性开裂与否的分段判据，实现对水泥基材料塑性开裂行为预测。研究成果可为解决混凝土塑性收缩开裂的科学问题与关键技术提供科学指导，具有重要的理论意义和应用价值。

针对工程界了解水泥基工程材料长期稳定性的需要，本课题提炼出其中的一个重要科学问题作为研究内容，即液态流体在水泥基材料裂缝开裂面上的传输与物质交换过程。研究涉及工程材料，流体力学和表面科学，具有明显的学科交叉的性质。课题在分析了影响流体和开裂面物质交换的内在和外部因素的基础上，采取先分析后综合的研究思路。分别研究液态流体在狭窄开裂表面之间的流动特性、流体与开裂表面的物理作用和化学作用，最终建立液态流体在开裂面之间的传输与物质交换理论。课题的完成可望在科学层次和应用层次取得多点原创成果：在科学层次上有可能明确液态流体在狭窄粗糙面间的流动行为、建立水泥基材料表面物质交换理论；在工程层次上有可能为裂缝对水泥基工程结构材料的长期与超长期稳定性的真实影响进行定量分析。