骨料形状对混凝土水渗透性影响的初步研究.pdf

第 4 8 卷第 1 期 2 0 1 2年 1 月 甘 肃 水 利 水 电 技 术 GA NS U WA T E R R E S O URC E S AN D H啊) l 【 0P 0WI 阻 T 1 陇舶 0I 0 GY Vo 1 4 8， No 1 J a n ， 2 0 1 2 设计与研究 骨料形状对混凝土水渗透性影响的初步研究 r 胡 浩， 郑建军， 周欣竹 ( 浙江工业大学 建筑工程学院， 浙江 杭州 3 1 0 0 1 4 ) 摘要： 基于流体力学的基本方程， 取一元胞单元， 通过人工压缩算法求解流体速度场和压力场， 提出了混凝土水渗透 系数预测的数值方法。 数值结果表明： 正方形、 正八边形和圆形骨料混凝土。 相对水渗透系数均随着面积百分数的增 大而减小。当骨料面积百分数小于4 o 时， 圆形骨料的相对水渗透系数最大； 而当骨料面积百分数大于4 O 时， 正方 形骨料的相对水渗透系数反而大于圆形骨料的相对水渗透系数。对于椭圆形骨料混凝土， 对于给定的骨料面积百分 数 ， 当夹角为0 o 时， 相对水渗透系数随着长细比的增大而增大， 但是当夹角为 9 0 o 时， 相对水渗透系数反而随着长细 比的增 大而减 小。 关键词 ： 混凝土； 水渗透系数； 骨料形状； 人工压缩算法 中图分类号： T U 5 2 8 O 1 文献标志码： A 文章编号： 2 0 9 5 0 1 4 4 ( 2 0 1 2 ) O l 一 0 0 2 4 0 3 1 前 言 混凝土是一种多孔介质材料 ， 水可以通过混凝 土内部的连通孔隙和裂缝以渗透、 扩散或层 流的形 式传输 ， 混凝土水渗透系数是衡量混凝土结构耐久 性的关键参数 ， 为此 。 国内外学者在实验研究和理论 分析方面均做了大量工作。 在实验方面， C r i s t i a n a 等人 的试验结果表 明， 粗骨料混凝土 比细骨料混凝土具 有更强的真空吸水能力 和更高的气渗透性 。 增加粗 骨料导致毛细孔增多和孔隙连通性增强 1 。B a s h e e r 等人的研究显示 ， 当粗骨料尺寸较大、 含量较高时 ， 混凝土气密性较差 ， 细骨料含量越高 ， 混凝土内部孔 隙路径曲折性增大 。 混凝土气密性越好 2 。 在理论预 测方面 ， N o k k e n等人和 N e i t h a l a t h等人基于 K a t z T h o m p s o n 渗透理论建立了混凝土水渗透系数与临界 孔径和总空隙率之间的定量关系 3 I4 ， 但 T u mi d a j s k i 等人却认为用 K a t zT h o m p s o n渗透理论来描述混 凝土有其局限性 ， 预测结果有时 比试验结果高出两 个数量级C 5 。C u i 等人基于一般有效介质理论 ， 把水 泥石看成两相复合材料 。 提出了普通水泥石水渗透 系数的预测方法 ， 合理地考虑了凝胶孔和毛细孔在 水渗透过程中所起 的不同作用 6 。周欣竹等人对有 效介质理论进行了修正 ， 提出了硬化水泥石水渗透 系数的解析解 ， 与试验结果 良好吻合 7 】 。 S o n g 等人应 用一般有效介质理论和混凝土微观结构模型 ， 提出 了硅粉混凝土水渗透系数 的解析解 ， 考虑了硅粉的 火山灰反应和不同水化程度对水渗透性的影响 8 。 从上面的文献综述可以看出，骨料形状对混凝 土水渗透性的影响研究还不充分， 因此， 本文基于流 体力学问题求解的数值计算方法在此方面作一些初 步的探索。 2 基 本 方法 2 1 控 制方 程 在笛卡尔坐标系下 ，二维不可压缩黏性流动的 纳维尔一 斯托克斯方程组 9 为： ( ) ， ， + = V( 1 aO t P ) 口 u = O ( 1 b ) 这里 ， 、 p 4 9 和 t 分别为流体速度矢量、 压力 、 密 度和时间。 引入特征长度 、 特征速度 和流体动力 黏度系数 ， 将上述各物理量进行无量纲化 ： = = ( 2 ) ， p ， ( 2 ) 这里 ， e为雷诺数。 将式( 2 ) 代入式( 1 a ) 和( 1 b ) 有 ： 争 ) R e V ( 3 a ) V =0 ( 3 b ) 对于二维不可压缩黏性流体的定常问题 上述 方程简化为 ： ( V ) + = V ( 4 a ) 收稿 日期： 2 0 1 2 0 1 0 6 基金项目： 国家 自然科学基金项 目( 5 0 8 7 8 1 9 6 ) 作者简介： 胡浩( 1 9 8 7 一 ) ， 男， 浙江金华人， 硕士研究生， 研究方向： 混凝土材料耐久性。 2 4 第 1 期 胡浩 ， 等 ： 骨料形状对混凝土水渗透性影响的初步研究 第 4 8 卷 V = O ( 4 b ) 左右两边 的压力差 p ： 一 -，由达西定律可求得混凝 与方程 ( 3 a ) 和( 3 b ) 相对应的初始条件和边界条 土水渗透 系数 k ： 件为 ： = V o ， l = 。 J厂 = ， ( 5 ) ( 6 ) 这里 ， 厂为所考虑问题的边界。 2 2数值 方法 水在混凝 土孔隙和裂缝中传输非常缓慢 ， 经过 一 段时间后成为定常流动。C h o r i n E 0 提出了人工压 缩算法 ， 在定常不可压缩黏性流体方程 中添加一项 压力 的时间导数项 ， 将不可压缩流场随时间的变化 阶段当成可压缩流处理 们 ， 这样 ， 方程 ( 3 a ) 和( 3 b ) 转 化为 ： 雾 + ( + = 1 ( 7 a ) + c v =0 ( 7 b ) 当 - o o 时 。 该方法能保证压力对时间的导数项 等于零 ， 这样就能满足流体的连续性方程 ， 非定常可 压缩黏性流动逼近定常不可压缩黏性流动。 在运用差分法求解方程( 7 a ) 和( 7 b ) 时， 采用交错 网格并将时间离散踟 ， 根据乞时刻所求得的速度 、 和压力 计算乇 + 。 时刻的速度场和压力场。对于 给定 的 ， 利用下列条件判断数值解 的收敛性 ： m ax( n+l一 An，I，吉 I I I， I 一 I) ( 8 ) 这里 ， 为时间增量。如果 忽略动量方程 中压 力梯度项 ， 利用线性稳定性分析方法 ， 可得到有限差 分格式的稳定性条件 ： I ) 2 MR e l ( 9 ) 再略去动量方程 中对流项 。 采用线性稳定性方 法得到如下稳定条件 ： 4 M( 尺 1 +譬) 1 ( 1 o ) 为了模拟骨料形状对水渗透性 的影响 。 取一单 位边长的正方形元胞单元( 图 1 ) ， 骨料位于单元的 正中心。初始条件 ： 各点压力为零 、 方向速度为常 数 、 夕 方向速度为零。 边界条件 ： 上 、 下两边的速度 为零 ， 左 、 右两边 方 向速度为常数 、 方 向速度 为零 。这样 ， 就可 以应用差分法计算各 时刻流体的 速度场 和压力 场 。 再计算水平方向的平均速度 和 JI = p 、 一p 图 1 元胞单元 3计算结果和分析 先考虑正方形 、 正八边形和圆形 3种骨料 。 其面 积百分数从 1 O 变化到 6 0 ， 计算结果如图 2所示。 可以看出， 无论是那一种骨料， 混凝土相对水渗透系 数均随着骨料面积百分数的增大而减小这是 因为 骨料面积越大， 元胞单元左右两端 的压力差也越大。 当骨料面积百分数在 1 0 一 4 0 之间时 相对水渗透 系数迅速下降， 而且对于给定的骨料面积百分数 ， 圆 形骨料混凝土的相对水渗透系数最大 ，正方形骨料 混凝土的相对水渗透系数最小 ，这是因为流体更容 易绕 圆形 骨料流动的缘故 。当骨料 面积百分数为 1 0 、 1 5 、 2 0 和 3 0 时 ，圆形骨料混凝土的相对水 渗透系数 比正方形骨料混凝土的相对水渗透系数分 别大 8 4 1 、 9 6 2 、 1 0 2 O 和 7 4 7 。 当骨料面积百分 数等于 4 0 时， 3种骨料混凝土的相对水渗透系数基 本相等。当骨料面积百分数大于 4 0 时 。 相对水渗透 系数缓慢减小 ，而且正方形骨料混凝土的相对水渗 透 系数反 而大于圆形骨料混凝土 的相对水 渗透系 数 。这是因为此时骨料上下端的孔径对水渗透起控 制作用 ， 当骨料面积百分数为 5 0 和 6 o 时 ， 正方形 骨料混凝土的相对水渗透系数较圆形骨料混凝土的 相对水渗透系数分别大 1 5 6 和 4 1 6 。 赧 1 j 斑 捉 骨料面积百分数 图2 相对水渗透系数与骨料面积百分数关系 2 5 2 0 1 2年第 1 期 甘肃水利水电技术 第 4 8卷 再考虑椭圆形骨料 ， 长细 比 分别为 1 、 2和 3 ， 椭圆长轴与曼 轴之间的夹角 0分别等于 0 。 和 9 O 。 ， 骨 料面积百分数从 5 变化到 2 0 ， 计算结果如图 3和 图 4所示 。从这两个 图可以看 出， 对于给定 的骨料 面积百分数 ， 当夹角为 0 o 时 ， 混凝土相对水渗透系 数随着长细比的增大而增大 ， 这是 因为骨料长细比 越大， 骨料上下两端的孔径也越大 ， 当骨料面积百分 数为 5 、 1 0 、 1 5 和 2 0 时，骨料长细 比为 3的混 凝土相对水渗透系数 比骨料长细 比为 1的混凝土相 对水渗透系数分别大 1 3 1 、 2 4 、 3 7 5 和5 3 8 ； 但是当夹角为 9 O 。 时 ，混凝土相对水渗透系数反而 随着长细 比的增大而减小 ， 这是 因为骨料长细 比越 大 ， 骨料上下 两端孔径越小 ， 当骨料面积百分数为 5 、 1 0 、 1 5 和 2 0 时 ，骨料长细 比为 3的混凝土 相对水渗透系数比骨料长细 比为 1的混凝土相对水 渗透系数分别小 3 7 2 、 5 9 9 、 7 9 1 和9 3 5 。因此 ， 骨料形状对混凝土水渗透性影响较大。 O 5 o 4 籁 o3 o2 餐 o I 籁 蝴 莨 骨料面积百分数 图4 e = 9 0 。时长细比对水渗透系数的影响 4结论 ( 1 ) 提出了考虑骨料形状时混凝土水渗透系数 预测的数值方法。 2 6 ( 2 ) 对于正方形 、 正八 边形和 圆形 3种骨料混 凝土，混凝土相对水渗透系数均随着骨料面积百分 数的增大而减小。 当骨料面积百分数小于 4 0 时 ， 圆 形骨料混凝土的相对水渗透系数大于正方形骨料混 凝土的相对水渗透系数 ； 而当骨料面积百分数大于 4 0 时 ， 正方形骨料混凝土 的相对水 渗透系数反而 大于圆形骨料混凝土的相对水渗透系数 。 ( 3 ) 对于椭圆形骨料混凝土 ，对于给定的骨料 面积百 分数 ， 当夹角为 O 。 时 ， 混凝 土相对水渗透系 数随着长细 比的增大而增大 ； 但是 当夹角为 9 O 。 时 ， 混凝土相对水渗透系数反而随着长细比的增大而减 小 ， 骨料形状对混凝土水渗透性的影响较大。 参考文献： l 1 J C fi s t i a n a G P ， J o an C G， L u i z P D 0 I n fl u e n c e o f n a t u r a l c o a r s e a g g r e g a t e s i z e ， mi n e r a l o g y a n d w a t e r c o n t e n t o n t h e p e r me a b il i t y o f s t r u c t u r al c o n c r e t e 【 J j C o n s t r u e - t i o n a n d B u il d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 0 9 ， 2 3 ( 2 ) ： 6 0 2 6 0 8 2 B a s h e e r L ， B a s h e e r P A M， L o n g A E I n fl u e n c e of c o a r s e a g g r e g a t e o n the perm e a t i o n， d u r abi l i ty a n d the mi c r o s t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c s o f o r d i n a r y P o r t l and c e - mc n t c o n c r e t e J 】 C o n s t r u c ti o n and B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 0 5 ， 1 9 ( 9 ) ： 6 8 2 6 9 0 3 N o k k e n M R， H o o t o n R D U s i n g p o re p a r a m e t e r s t o e s t i ma t e per me a b i l i t y , o r c o n d u c t i v i t y o f c o n c r e t e J Ma te ri a l s and S t r u c t u r e s ， 2 0 0 8 ， 4 1 ( 1 ) ： 1 1 6 4 N e i thal a th N， S u ma n a s o o r i y a M S ， D e o O C h ara c t e ri z i n g p o r e v o l u me s i z e s a n d c o n n e c ti v i t y in p e r v i o u s c 0 n c r c t e s f o r p e r me a b i l i t y p red i c fi o n c J Ma t e ri a l s C h a r a c t e ri z a ti o n ， 2 0 1 0 ， 6 1 ( 8 ) ： 8 0 2 8 1 3 5 T u m i d a j s k i P J ， B O n t h e v a l i d i ty o f t h e K a t z T h o m p s o n e q u a ti o n f o r p e rm e a b i l i ti e s in c o n c r e t e J C e me m and C o n c re t e R e s e a r c h ， 1 9 9 8 ， 2 8 ( 5 ) ： 6 4 3 6 4 7 6 J C u i L ， C aby a d i J H P e r m e a b i l i t y and p o re s t r u c t u r e of O P C p a s te J C e me n t and C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 1 ， 3 1 ( 2 ) ： 2 7 7 2 8 2 7 周欣竹， 郑建军， 夏才安 硬化水泥石水渗透系数预测的 解析法 J 水力发电学报， 2 0 0 8 ， 2 7 ( 4 ) ： 1 1 6 1 2 0 【 8 J S o n g H W ， P a c k S W E s ti m a ti o n o f the p e rme a b il i ty o f s il i c a f u m e c e me n t c o n c r e t e J C o n s t r u c ti o n and B u i l d i n g Ma t e ri als ， 2 0 1 0 ， 2 4 ( 3 ) ： 3 1 5 3 2 1 9 P e y r e t R， T a y l o r T D C o m p u t a ti o n al Me tho d s f o r F l u i d Fl o w M N e w Y o r k ： S p r i n g e r - V e d a g ， 1 9 8 3 1 0 C h o r i n A J A N u me ri c al m e tho d for s o l v ing i n c o m p r e s s i b l e v i s c o u s f l o w p r o b l e ms J J o u rnal of C o m p u t a t i o n a l P h y s c i s ， 1 9 6 7 ， 2 ( 2 ) ： 1 2 2 6