透水模板条件下新拌混凝土浇筑过程力学行为研究

项目背景：透水模板布内衬于模板排除新拌混凝土振捣产生的内部超孔隙压力，其振捣施工力学行为复杂，涉及学科知识交叉，宏细观过程高度非线性，物性参数描述困难；透水模板(布)的物理性能和作用机理研究亦刚起步，对上述浇筑过程行为研究缺少理论依据，对振捣排渗力学机制缺乏了解，未建立起有效分析与评价方法。鉴于此，开展透水模板条件下混凝土浇筑排渗过程力学行为研究。 项目主要研究了（1）混凝土细观虚拟颗粒单元接触力学模型和力学性能参数；（2）透水模板布排渗特性与测试方法；（3）混凝土振捣阻尼与孔隙压力长消试验与理论分析；（4）透水边界条件下混凝土离散-均质耦合排渗固结模型理论与数值方法。 项目研究重要成果：（1）建立了基于卡波姆浆液的颗粒动态可视化混凝土模拟新拌混凝土骨料颗粒接触试验模型与方法；给出了混凝土骨料等效规整离散颗粒的二维接触模型，定义了相应动力性能参数；（2）建立了基于宏观孔隙体积分数、细观孔结构构形及混凝土水化的分形渗透率和基于流变力学的等效两相颗粒体-液体大流变模型；（3）构建了透水模板布复层结构孔径测试分析理论和方法；研究提出了基于分形的透水模板布淤堵渗透时变系数计算方法；（4）建立了新拌混凝土渗透性与模板布几何参数及新拌混凝土工艺参数关系模型；解释了振动条件下透水模板布边界残余孔压分布机制（5）获得了新拌混凝土振捣孔压长消分布、内部排渗速率、累计排渗量与模板布边界、振动能量、混凝土配比之间相互规律；给出了振捣耗能与孔压变化的参数化表征关系与混凝土振捣孔压消散与拌合物固结的解析方程；（6）建立了透水边界条件下混凝土离散-均质耦合排渗固结模型，给出了其数值计算实现方法。 项目研究意义：以上研究，为常态混凝土浇筑成型质量控制与宏细观评价、水工碾压变态混凝土加浆振捣技术控制与分析提供了理论支撑和技术开发应用基础，并取得了多项专利成果。

采用透水模板浇筑密实混凝土的过程动力学特性复杂，新拌混凝土细观颗粒接触模型与宏观振捣排渗理论描述困难。课题针对浇筑过程排渗固结耦合缺少宏细观理论与方法研究缺失，拟开展透水模板条件下新拌混凝土浇筑过程力学行为研究:通过模型试验与理论分析,建立介质阻尼/摩擦力/接触时间/配位数等动力性能参数体系，提出虚拟混凝土颗粒单元接触模型；给出透水模板和混凝土渗透性参数表征方法，藉此描述新拌混凝土内部/边界泌水渗流特性；结合模型动力试验和数值仿真，阐述混凝土振捣工艺与阻尼/耗能相互关系及排渗/孔压长消形成机理；基于发展颗粒离散元理论思想，构建新拌混凝土等效离散颗粒-均质液相流固耦合理论模型，改进数值模拟计算程序，完成理论验证。综上研究，提出透水边界条件下混凝土孔压消散/排渗固结分析理论，揭示振捣排渗力学行为特征。课题研究可为透水模板技术应用提供理论支撑，也为混凝土浇筑过程力学提供理论基础。

工作原理：

混凝土透水模板布的结构分为表层、中间层、黏附层。混凝土透水模板布的工作原理：浇注混凝土后，在混凝土内部压力、混凝土透水模板布的毛细作用及震捣棒等共同作用下，混凝土中的气泡以及部分游离的水分由混凝土内部向表面迁移，并可通过混凝土透水模板布中间层排出，并产生以下效果：

① 可以有效减少构件表面混凝土的气泡，使混凝土更加致密；

② 可以使混凝土中的部分水分排出而水泥颗粒留在混凝土到头面，导致数毫米深的混凝土表面水胶比显著降低；

③ 使构件表面形成一层富含水化硅酸钙的致密硬化层。大大提高混凝土表面硬度，耐磨性、抗裂强度、搞冻性，使混凝土的渗透性、碳化深度和氯化物扩散系数也显著降低；

④ 减少了混凝土内部与外办交换物质的可能，从而提高了构件的耐久性；

⑤ 混凝土透水模板布具有均匀分布的孔隙，水能通过渗透和毛细作用经透水模板均匀排出，不形成聚集，这样有效减少砂斑、砂线等混凝土表面缺陷的产生。

⑥ 混凝土透水模板布的保水作用，为混凝土养护提供了一个良好的条件，减少了细微裂缝的产生。

产品性能：

混凝土透水模板布是以改性高分子聚合纤维为主要原料，经过特殊工艺加工制成，本产品质地柔软、坚韧；能够适应各种类型的混凝土模板，制作各种形状的高质量混凝土制品。

混凝土透水模板布，能在施工过程将混凝土表面多余的空气和水排出，避免表面产生气泡、砂线、砂斑；2100433B