結構混凝土早期考慮微結構狀態(tài)影響的本構模型研究

針對地下工程中現(xiàn)澆混凝土結構早期裂縫控制的工程難題，項目研究以結構混凝土的早期本構模型為研究方向。主要研究內容包括：1）發(fā)展“連續(xù)基”水化模型，探討混凝土組分在水化和微結構形成過程中的作用機理；2）基于“水化度”機制描述結構混凝土的早期特性，基于連續(xù)介質力學和熱力學基本定律構建結構混凝土的早期本構模型，并基于多尺度方法探討混凝土微結構及其宏觀性能的關聯(lián)；3）結合在建港珠澳大橋沉管隧道工程，對沉管隧道結構早期性能發(fā)展的控制參數(shù)進行敏感性分析，研究控制沉管隧道施工裂縫的工程措施。 項目研究的重要結果包括： （1）明確了惰性填料的水化作用機制，創(chuàng)建了添加惰性材料后混凝土水化進程中微結構的演化模型。明確了石灰石填料降低混凝土水化放熱的作用機理及其對混凝土耐久性能的影響，為重大工程混凝土配比的選取提供了理論依據。 （2）創(chuàng)建了結構混凝土基于水化度的早期本構模型，建立了跨越材料微結構和剛度及熱變形性能的分析模型；為分析現(xiàn)澆混凝土結構的早期性能提供了堅實的基礎。 （3）創(chuàng)建了“工廠法”沉管隧道早期性能的分析模型，分析了沉管隧道早期性能的演化特征和控制其早期裂縫的技術措施。探明了混凝土配比、澆筑溫度和環(huán)境溫度是沉管結構早期裂縫的控制性參數(shù)；建議了綜合混凝土早期性能和耐久性能的配比選取原則，并提出了同時控制入模溫度和養(yǎng)護溫度的“雙控”策略和相應的技術應對措施，為保障“工廠法”沉管隧道的施工質量提供了技術支撐。 項目研究成果包括出版專著1部，發(fā)表或錄用SCI收錄論文3篇，投稿SCI檢索期刊論文4篇，在國內期刊上發(fā)表或錄用論文5篇，在國際會議上發(fā)表論文6篇，申請受理發(fā)明專利3項、實用新型專利1項，部分研究成果被正在制定的工程建設國家標準《隧道工程沉管法施工與質量驗收規(guī)范》所采用。 項目研究為探索混凝土早期性能演化過程中的物理－化學機制提供了從微觀到宏觀尺度范圍認識復雜問題本源的新思路和技術手段，實現(xiàn)了從結構材料到混凝土結構早期性能的跨越，為現(xiàn)澆混凝土結構早期性能的控制提供了理論依據，為保障地下工程的建設質量提供了技術支撐。 2100433B

結構混凝土的早期本構模型是其早期性能研究的重要課題?；趯λ^程中材料基本性能的認識，人們采用連續(xù)介質力學在宏觀層次上構建了結構混凝土的早期本構模型；與此同時，連續(xù)介質微觀力學的發(fā)展為分析材料微觀結構狀態(tài)對宏觀本構關系的影響提供了新的途徑。.本項目申請針對結構混凝土早期水化溫升、自收縮和力的作用過程，擬基于連續(xù)介質微觀力學和對材料水化過程中微觀結構演化的分析，發(fā)展自收縮變形的多尺度模型；進而將經多尺度分析所得出的自收縮變形引入結構混凝土的早期本構關系，建立和實現(xiàn)能考慮結構混凝土微觀結構狀態(tài)影響的本構模型。.項目研究旨在更為精細地描述結構混凝土早期性能的形成規(guī)律，為探明結構混凝土早期行為的演化特征和分析混凝土結構的工程性能提供依據和基礎。

本項目以地質孔隙材料為對象，深入研究、討論了三類熱力學公設在地質類材料性能研究中的應用，發(fā)展了細觀力學，采用耗散塑性理論，研究了在考慮微觀結構特性和摩擦機制的彈塑性性質、本構關系和屈服特性。 首先，考慮到巖土材料通常含有大量性質不同的夾雜，而傳統(tǒng)細觀力學還沒有有效方法預測這類材料的宏觀剪切模量，本項目提出了基于廣義自洽模型的迭代方案，并發(fā)展了相關的代碼，可以準確快速地給出含有大量性質不同夾雜的巖土材料的有效剪切模量，同時給出對應的體積模量。 其次，目前還沒有有效考慮巖土材料孔隙連通特性的細觀力學方法。本項目針對開孔連通孔隙介質建立了一個新的細觀力學模型及系統(tǒng)的細觀力學方法，推導得到的有效模量表達式與金屬泡沫類型的孔隙材料及地質孔隙材料的實驗結果有很好程度的吻合。 第三，由于孔隙材料具有很大的比表面積，表界面效應對孔隙材料的性質影響很大，本項目在黃筑平教授所提出的界面能理論的基礎上，提出了一套系統(tǒng)研究考慮界面影響的復合材料有效力學和熱學性能的方法，并應用于預測孔隙材料的有效力學和熱學性能。 第四，針對巖土材料屈服性質受靜水壓影響的特性，將變分方法推廣應用到基體塑性可壓的孔隙材料，建立了非線性本構關系和屈服面的表達式，所得結果能夠反映基體塑性可壓的特性，并考慮了含水量及孔隙壓力的影響。 最后，研究了經典塑性理論與耗散塑性理論之間的關系，利用熱力學方法，提出了一個通用的自由能函數(shù)表達式，可以應用于模量隨應力變化的地質材料（金屬材料模量不變的情況是其特例）；進一步，由耗散塑性理論出發(fā)，推導了考慮摩擦耗散機制的屈服函數(shù)。 該屈服函數(shù)保證了外凸性質，且應用范圍更廣。 2100433B

自20世紀50年代初質量成本概念提出以來，關于最優(yōu)質量成本及質量成本優(yōu)化模型的研究吸引了眾多學者的興趣。傳統(tǒng)質量成本理論模型盡管存在諸多的局限性，但它的核心思想一直是理論界對模型進行優(yōu)化研究的基礎，同時也是企業(yè)在實務中加強質量成本管理工作的理論向導。

對傳統(tǒng)質量成本模型的優(yōu)化研究視角多種多樣，但對模型的優(yōu)化研究都是基于現(xiàn)實的經濟環(huán)境，結合現(xiàn)實的經濟環(huán)境和企業(yè)管理的實際需要為企業(yè)質量成本管理出謀劃策。在研究方法方面，往往是以數(shù)理分析和實證研究見長，同時結合理論分析和邏輯推理進行研究。

考慮到經濟生活的復雜性和多樣化，未來關于質量成本模型的優(yōu)化研究還可以從更多的視角去展開，模型將越來越貼近經濟生活，研究方法將趨于多樣化。對質量成本模型的優(yōu)化研究具有重大的現(xiàn)實意義，能夠為企業(yè)加強質量成本管理提供理論指導，促進企業(yè)經濟效益的提高。對國內外質量成本模型的優(yōu)化研究成果進行回顧總結，對于展開進一步的理論研究以更好地指導實踐具有重要意義。 2100433B