本书从混凝土材料制备和服役过程的几何、物理、化学、力学等特性及其多尺度组成结构出发，基于混凝土养护成型机制、环境作用机理等物理信息，利用数字重构技术和数值模拟方法，建立混凝土材料组成、物理性能及环境作用效应的数字化模型和数值模拟方法。全书共13章，主要内容包括：混凝土初始组成的几何重构、混凝土细观结构的数字重构、混凝土胶凝材料的矿物相划分、混凝土胶凝材料水化过程的数值模拟、混凝土微结构演变及其定量表征、混凝土微结构演变的数值模拟及参数统计、混凝土扩散传输性能的定量表征、混凝土多尺度扩散传输模型与数值模拟、全龄期混凝土多尺度力学模型与数值模拟、耦合化学损伤的混凝土本构模型、硫酸盐侵蚀混凝土扩散反应和微结构演变及其膨胀本征应变、基于ABAQUS的硫酸盐侵蚀混凝土化学-力学耦合效应数值模拟。
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前言
第1章 混凝土初始组成的几何重构 1
1.1 颗粒几何重构 2
1.1.1 基本约定 2
1.1.2 球体颗粒的重构 3
1.1.3 椭球体颗粒的重构 3
1.1.4 不规则体颗粒的重构 4
1.1.5 线颗粒的重构 6
1.2 重构颗粒的粒径与数量 8
1.2.1 体颗粒 8
1.2.2 线颗粒 10
1.3 颗粒的空间堆积 11
1.3.1 颗粒投放方式 11
1.3.2 颗粒投放顺序 14
1.3.3 周期性边界条件 15
1.3.4 非重叠性条件 16
1.3.5 数字化误差修正 19
1.3.6 颗粒空间堆积过程 21
1.4 混凝土初始组成的重构算例 23
1.4.1 原材料及其配合比 23
1.4.2 重构颗粒的粒径分布和数量 24
1.4.3 尺度空间的颗粒堆积过程 28
参考文献 31
第2章 混凝土细观结构的数字重构 34
2.1 水泥砂浆二维细观结构重构 35
2.1.1 二维颗粒的几何重构 36
2.1.2 颗粒的投放与堆积 38
2.1.3 界面过渡区的重构 43
2.2 混凝土三维细观结构重构 46
2.2.1 多面体粗骨料颗粒的重构 47
2.2.2 随机多面体粗骨料颗粒的空间堆积 52
2.2.3 三维界面过渡区的重构 55
参考文献 58
第3章 混凝土胶凝材料的矿物相划分 60
3.1 胶凝材料的矿物组成 60
3.1.1 硅酸盐水泥 60
3.1.2 矿物掺合料 61
3.1.3 几何组成参数 62
3.2 矿物相初始数字图像 63
3.3 矿物相数字图像修正 65
3.3.1 矿物相的相关概率 65
3.3.2 离散型自相关函数 67
3.3.3 初始灰度值图像的修正 69
3.4 矿物相划分 72
3.4.1 基于体积分数的矿物相划分 72
3.4.2 基于比表面积的矿物相修正 74
3.5 水泥矿物相划分算例 80
3.6 矿物相的简化划分方法 84
3.6.1 多物相颗粒划分法 85
3.6.2 单一物相颗粒划分法 89
3.6.3 混合物相颗粒划分法 92
参考文献 94
第4章 混凝土胶凝材料水化过程的数值模拟 97
4.1 水化反应机理 98
4.1.1 硅酸盐水泥 98
4.1.2 矿物掺合料 99
4.2 水泥水化模型 101
4.2.1 Parrot模型 101
4.2.2 球颗粒模型 103
4.3 矿物掺合料的再水化模型 108
4.3.1 颗粒水化方程 108
4.3.2 数值模拟与分析 110
4.4 水泥水化反应的三维概率模型 113
4.4.1 体积化学反应计量数表示的水化反应方程 114
4.4.2 水化反应概率 115
4.4.3 水化反应过程的数值模型 118
4.4.4 微结构中各组成相的体积含量 128
4.4.5 水化反应程度 129
4.4.6 水化热 129
4.5 数值算例及验证 130
4.5.1 计算参数及流程 130
4.5.2 计算结果 132
参考文献 136
第5章 混凝土微结构演变及其定量表征 139
5.1 物相微结构表征 139
5.1.1 混凝土中水泥的主要水化产物 139
5.1.2 复合水泥浆体的水化产物 140
5.1.3 混凝土孔溶液中的液相离子浓度 142
5.1.4 数值算例 143
5.2 孔隙微结构表征 148
5.2.1 孔隙率 149
5.2.2 连通度 150
5.3 曲折度的几何模型 154
5.3.1 基本假定 154
5.3.2 硬化水泥浆体的曲折度 155
5.3.3 水泥砂浆的曲折度 158
5.3.4 混凝土的曲折度 160
5.3.5 形状因子 160
5.3.6 影响参数分析 162
5.4 孔隙结构的简化几何模型 163
5.4.1 分形维数表征的管束模型 163
5.4.2 球-管网络结构模型 168
参考文献 173
第6章 混凝土微结构演变的数值模拟及参数统计 177
6.1 物相微结构演变 177
6.1.1 硅酸盐水化微结构 177
6.1.2 铝酸盐水化微结构 181
6.1.3 浆体微结构演变及物相统计 181
6.2 孔隙微结构演变及参数统计 187
6.2.1 孔隙微结构演变 187
6.2.2 孔隙率 190
6.2.3 连通度 193
6.2.4 曲折度 199
参考文献 207
第7章 混凝土扩散传输性能的定量表征 209
7.1 混凝土中离子的扩散系数 209
7.1.1 离子的活度 210
7.1.2 离子的电导率 211
7.1.3 孔溶液中离子的扩散系数 212
7.1.4 混凝土中离子的扩散系数 212
7.1.5 影响因素分析 213
7.2 混凝土中水分的等效传输系数 219
7.2.1 水分传输的微观机制 219
7.2.2 混凝土中水分传输模型 220
7.3 混凝土中水分传输的滞回模型 224
7.3.1 水分吸附滞回机理 224
7.3.2 凝胶-毛细孔水分吸附滞回模型 225
7.3.3 层间孔水分吸附滞回模型 231
7.3.4 数值模拟与分析 232
7.4 混凝土中气体的扩散模型 237
7.4.1 单根毛细管中气体的扩散系数 238
7.4.2 混凝土中气体的扩散系数 240
参考文献 244
第8章 混凝土多尺度扩散传输模型与数值模拟 249
8.1 基本假定 250
8.2 基于等效夹杂理论的扩散传输模型 251
8.2.1 基本方程 251
8.2.2 夹杂相浓度梯度 253
8.2.3 夹杂相Eshelby扩散张量 254
8.2.4 等效扩散张量 256
8.2.5 多尺度扩散张量方程 257
8.3 混凝土中离子扩散模型 262
8.3.1 二维扩散方程 262
8.3.2 三维扩散方程 269
8.3.3 等效扩散系数 281
8.4 模型验证 282
8.5 数值模拟与分析 284
参考文献 296
第9章 全龄期混凝土多尺度力学模型与数值模拟 301
9.1 等效夹杂模型 302
9.1.1 基本方程 302
9.1.2 单夹杂相方程 303
9.1.3 夹杂相本征应变 305
9.1.4 多夹杂相方程 305
9.1.5 夹杂相极化张量 306
9.1.6 夹杂相 Eshelby 张量 307
9.1.7 应变响应 309
9.1.8 应力响应 310
9.2 等效刚度的升阶计算 311
9.2.1 纳观尺度 311
9.2.2 微观尺度 312
9.2.3 亚细观尺度 313
9.2.4 细观尺度 315
9.3 应力响应的降阶计算 315
9.3.1 细观尺度 316
9.3.2 亚细观尺度 316
9.3.3 微观尺度 316
9.3.4 纳观尺度 317
9.4 混凝土强度的升阶计算 317
9.4.1 失效破坏准则 317
9.4.2 混凝土强度计算 319
9.5 模型验证 321
9.5.1 普通混凝土 321
9.5.2 纤维混凝土 326
9.6 数值模拟与分析 329
9.6.1 模型参数 329
9.6.2 普通混凝土 330
9.6.3 纤维混凝土 338
参考文献 341
第10章 耦合化学损伤的混凝土本构模型 345
10.1 一般形式 345
10.1.1 本构关系 345
10.1.2 塑性应变方程 346
10.1.3 力学损伤方程 347
10.2 模型函数的选取 348
10.2.1 屈服函数 348
10.2.2 塑性势函数 352
10.2.3 塑性硬化方程 354
10.2.4 力学损伤加载函数 354
10.2.5 力学损伤演化方程 355
10.3 模型的数值求解 356
10.3.1 塑性方程求解 356
10.3.2 损伤模型求解 357
10.4 模型验证 358
10.4.1 未腐蚀混凝土 358
10.4.2 硫酸盐侵蚀混凝土 360
10.5 腐蚀混凝土强度和变形特征的数值分析 362
10.5.1 双轴应力状态 362
10.5.2 三轴应力状态 371
10.5.3 化学损伤程度对混凝土屈服面的影响 379
参考文献 379
第11章 硫酸盐侵蚀混凝土扩散反应与膨胀本征应变 383
11.1 扩散传输模型 384
11.1.1 SO？2？扩散方程 384
11.1.2 SO？2？-Cl？耦合传输方程 385
11.1.3 初始及边界条件 386
11.2 化学反应及其动力学方程 387
11.2.1 硫酸盐侵蚀 387
11.2.2 硫酸盐-氯盐的耦合侵蚀 391
11.3 硫酸盐侵蚀混凝土的膨胀驱动力 394
11.3.1 结晶压力 394
11.3.2 体积膨胀 397
11.4 硫酸盐侵蚀混凝土的微观力学模型 400
11.4.1 代表性体积单元 400
11.4.2 力学平衡方程 401
11.4.3 微观力学响应 401
11.4.4 RVE界面作用力 403
11.5 硫酸盐侵蚀混凝土的膨胀本征应变 405
11.5.1 球坐标系下的膨胀本征应变 405
11.5.2 坐标系转换 407
11.5.3 直角坐标系下的膨胀本征应变 409
11.5.4 柱坐标系下的膨胀本征应变 410
11.6 RVE的力学特征 412
11.6.1 临界驱动力 412
11.6.2 力学性能表征 413
11.7 模型验证与数值模拟 414
11.7.1 模型验证 414
11.7.2 数值模拟 418
参考文献 425
第12章 硫酸盐侵蚀混凝土浆体微结构演变及其膨胀本征应变 431
12.1 侵蚀机理及其反应方程 431
12.1.1 SSA型侵蚀 431
12.1.2 TSA型侵蚀 433
12.1.3 MSA型侵蚀 433
12.1.4 CSA型侵蚀 434
12.2 化学反应微结构演变模型 435
12.2.1 初始微结构 435
12.2.2 SSA型侵蚀反应过程的数值模拟 436
12.2.3 TSA型侵蚀反应过程的数值模拟 444
12.2.4 MSA型侵蚀反应过程的数值模拟 448
12.2.5 CSA型侵蚀反应过程的数值模拟 452
12.3 膨胀本征应变 456
12.3.1 SSA 型膨胀本征应变 456
12.3.2 TSA 型膨胀本征应变 456
12.3.3 MSA 型膨胀本征应变 457
12.3.4 CSA 型膨胀本征应变 458
12.4 模型算例 459
12.4.1 模型验证 459
12.4.2 数值算例 460
参考文献 474
第13章 基于 ABAQUS的硫酸盐侵蚀混凝土化学-力学耦合效应数值模拟 477
13.1 硫酸盐侵蚀混凝土的化学-力学耦合效应基本方程 478
13.1.1 SO？2？扩散方程 478
13.1.2 硫酸盐侵蚀混凝土的力学效应方程 478
13.2 混凝土化学-力学耦合效应方程求解的数值实现 483
13.2.1 SDVINI子程序 485
13.2.2 UMATHT子程序 486
13.2.3 USDFLD子程序 488
13.2.4 UEXPAN子程序 489
13.3 基于ABAQUS的有限元建模 491
13.3.1 二维水泥砂浆的硫酸盐侵蚀 491
13.3.2 三维混凝土的硫酸盐侵蚀 494
13.4 硫酸盐侵蚀混凝土化学-力学耦合效应的数值分析 497
13.4.1 二维水泥砂浆的化学-力学耦合效应 497
13.4.2 三维混凝土的化学-力学耦合效应 505
13.4.3 三维混凝土的力学性能演化 510
参考文献 517
京公网安备 11010102004214号