（材料学专业论文）混凝土多功能软件开发及温湿度场数值计算.pdf

c o n c r e t em u l t i f u n c t i o ns o f t w a r ed e v e l o p m e n t i i 1 l l l i l 1 l i i i l l 1 l l l f i l i l l l l l l l i i l 。l l l l l l l l l y 17 616 8 5 a n dn u m e r i c a lc a l c u l a t i o no ft e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y at h e s i ss u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y l i u y u - j u n s u p e r v i s e db y p r o f q i a nc h u n - x i a n g s c h o o lo fm a t e r i a l ss c i e n c ea n de n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y n a n j i n g ，e r c h i n a j u n e2 0 1 0 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：翌垒至：堕 日 期：型墨鱼：f l 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：趔圣堕：导师签名：e t 期：型 混凝土多功能软件开发及温湿度场数值计算 摘要 在计算机飞速发展的时代，将计算机技术运用到混凝土行业中已经成了现代化发展的 趋势。传统混凝土主要以试验结果分析为主，以及建立模型或计算公式，现在的计算机技 术让公式的计算以及试验的过程用电脑模拟完成，大大简化了计算量和试验量，并且可以 指导新的工程实践，同时还避免了人为测量计算的失误。混凝土内部温湿度的分布不均会 产生试件内部的应力，在有约束时造成试件的开裂。因此，研究混凝土内部温湿度场也有 着重要的意义，尤其对于大体积混凝土，作用更为明显。 本研究采用c + + 语言及其编程系统，集成开发具有混凝土外观图像处理及测评、混凝 土高温后损伤的综合评判、混凝土高温下温度场和压力场差分计算、混凝土级配设计、混 凝土湿热耦合变形数值模拟及应用和混凝土二维温湿度场数值计算等功能的应用软件，并 使其具有功能扩展能力。其中在混凝土二维温湿度场数值计算方面提出了新的计算方法， 并与试验结果进行对比，证实其准确性。该软件受到软件著作权保护。对于已经完成界面 的程序，采用了函数的调用方式，保存了程序的完整性，并且实现较容易：对于v c + + 与 m a t l a b 混合编程的部分，采用了m 棚a b 引擎( e n g i n e ) ，运用了一系列接口函数实现， 使在v c 的应用程序中实现对m a t l a b 的控制，m 棚a b 引擎函数库在后台工作；对于 各个独立程序段，建立了可视化界面，遍于操作；开发了软件的启动画面和总界面框架； 开发了软件五大模块的操作界面并进行实例演示。 同时在温湿度场研究中，对较大体积混凝土试件的温度湿度随时间变化进行测量并对 试验结果进行详细的分析。混凝土在二维传输条件下表现出了内部温湿度变化的特性，其 中内部温度对湿度变化有一定的影响，而湿度在前期温度变化大的时间内，一直保持着饱 和状态，因而影响很小。接着在计算方法中采用软件中混合编程的m a t l a b 数值计算的 方法，对试验算例进行模拟计算，阐述热、湿传输模型的建立方法，以及水化放热模型和 用水模型的建立方法，并且对各项参数的确定进行讨论，尤其对湿扩散系数的确定做了较 多研究，最终将计算结果与试验结果进行比较，验证了计算程序的有效性。 关键词：计算机、混凝土、图像处理、高温损伤、温度场、压力场、级配设计、耦合、二 维、数值计算、v c + + a b s t r a c t i nt h er a p i dd e v e l o p i n ge r ao fc o m p u t e r , t h eu s eo fc o m p u t e rt e c h n o l o g yi nt h ec o n c r e t e i n d u s i r yh a sb e c o m eam o d e mt r e n d t r a d i t i o n a lc o n c r e t et e s t sa r eb a s e dm a i n l yo na n a l y s i so f t e s tr e s u l t sa n dt h ee s t a b l i s h m e n to fm o d e lo rf o r m u l a c o m p u t e rt e c h n o l o g yn o wa l l o w st h e c a l c u l a t i o nf o r m u l aa n dt h ep r o c e s so ft e s t i n gac o m p u t e rs i m u l a t i o n ，w h i c hc a l ls i m p l i f yt h e c a l c u l a t i o na n dt e s tc a p a c i t y , a n dc a l lg u i d et h en e we n g i n e e r i n gp r a c t i c ew h i l ea l s oa v o i d i n g h u m a ne r r o r si nm e a s u r e m e n ta n dc a l c u l a t i o n t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yi n s i d et h ec o n c r e t ew i l l h a v eu n e v e nd i s t r i b u t i o no fs t r e s sw i t h i nt h e s p e c i m e n ，r e s u l t i n g i nc r a c ki nc o n s t r a i n e d s p e c i m e n t h e r e f o r e ，t h es t u d yo ft e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yi n s i d et h ec o n c r e t ea r ea l s oo fg r e a t s i g n i f i c a n c e ，e s p e c i a l l yf o rm a s sc o n c r e t e ，m o r ee f f e c t i v e i nt h i ss t u d y , c + + l a n g u a g ea n di t sp r o g r a m m i n gs y s t e ma r ea d o p t e dt od e v e l o pt h e s o f t w a r ew h i c hc o n t a i n ss e v e r a lf u n c t i o n sa sc o n c r e t ee x t e r i o ri m a g ep r o c e s s i n ga n de v a l u a t e ， c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o no fc o n c r e t ed a m a g ea f t e rh i g ht e m p e r a t u r e ，c o n c r e t et e m p e r a t u r ea n d p r e s s u r ef i e l dd i f f e r e n t i a lc a l c u l a t i o na th i 【g ht e m p e r a t u r e s ，c o n c r e t eg r a d i n gd e s i g n ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o no fh y d r o - t h e r m a ld e f o r m a t i o no fc o n c r e t e ，a n dc o n c r e t et w o - d i m e n s i o n a ln u m e r i c a l c a l c u l a t i o no ft e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y i th a sf u n c t i o ne x p a n s i o n o fw h i c han e wc a l c u l a t i o n m e t h o di sf o u n d e do nt w o d i m e n s i o n a lt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n si nt h e c o n c r e t e t h e ni ti sc o m p a r e dw i t ht h et e s tr e s u l t st oc o n f i r mi t sa c c u r a c y t h es o f t w a r e c o p y r i g h ti sp r o t e c t e d t h ep r o g r a m si n t e r f a c eh a sb e e nc o m p l e t e d ，u s i n gt h ef u n c t i o nc a l l a p p r o a c h ，p r e s e r v i n gt h ei n t e g r i t yo ft h ep r o g r a m ，a n da c h i e v ee a s i e r ：f o rv c + + a n dm a t l a b p r o g r a m m i n gp a r to ft h em i x ，u s i n gt h em a t l a be n g i n e ( e n g i n e ) a n das e r i e so fi n t e r f a c e f u n c t i o n st oa c h i e v ev cc o n t r o l l i n gm a t l a b ，w i t hm a t l a be n g i n el i b r a r yi nt h eb a c k g r o u n d f o re a c hs e p a r a t ep r o g r a ms e g m e n t ，t h ev i s u a li n t e r f a c e sa r eb u i l t ，e a s yt oo p e r a t e as o f t w a r e s t a r t - u ps c r e e na n dt h eo v e r a l li n t e r f a c ef r a m e w o r ka r ed e v e l o p e d i n t e r f a c e so ff i v ef u n c t i o n m o d u l e sa r ed e v e l o p e da n dh a v ee x a m p l e so fd e m o a tt h es a m et i m e ，i nt h et e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yf i e l ds t u d y , t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yo f c o n c r e t es p e c i m e no ft h el a r g e rv o l u m ea r em e a s u r e do v e rt i m ea n da n a l y z e d c o n c r e t ei nt h e t w o d i m e n s i o n a lr a d i a t i o ns h o w sc h a r a c t e r i s t i c so fi n t e r n a lt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yc h a n g e s i n t e r n a lt e m p e r a t u r eh a si n f l u e n c eo nt h eh u m i d i t yt oac e r t a i ne x t e n tw h i l eh u m i d i t yh a sl i t t l e e f f e c to nt e m p e r a t u r ea si ti ss a t u r a t i o ni nt h ee a r l ys t a g e t h e nm a t l a bn u m e r i c a lm e t h o di n t h es o f t w a r ei su s e dt oc a l c u l a t et h et e s te x a m p l e h e a ta n dm o i s t u r et r a n s f e rm o d e l sb u i l d i n g m e t h o da n dh y d r a t i o nh e a tm o d e la n dw a t e rm o d e l sa r ee x p l a i n e d t h ev a r i o u sp a r a m e t e r sa r e d i s c u s s e d ，e s p e c i a l l yt h em o i s t u r ed i f f u s i o nc o e f f i c i e n t t h ef i n a lr e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t ht h e t e s tr e s u l t st ov e r i f yt h ev a l i d i t yo ft h ec o m p u t e rp r o g r a m k e yw o r d s ：c o m p u t e r , c o n c r e t e ，i m a g ep r o c e s s i n g ，h i g ht e m p e r a t u r ed a m a g e ，t e m p e r a t u r ef i e l d ， p r e s s u r ef i e l d ，g r a d i n gd e s i g n ，c o u p l i n g ，t w o d i m e n s i o n a l ，n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n ，v c + + i i 目录 摘 要1 a b s t r a c t 1 l 第一章绪论1 1 1 ：；i 言1 1 1 1 混凝土工程及研究中的计算机技术1 1 1 2 混凝土内部温湿度场研究的重要意义3 1 2 软件各模块功能研究现状及其评述5 1 2 1 混凝土裂缝外观质量的评价方法5 1 2 2 混凝土高温下损伤评价方法及温度场压力场计算6 1 2 3 混凝土级配设计方法综述7 1 2 4 混凝土湿热耦合研究现状9 1 2 5 混凝土温湿度场研究现状1 0 1 3 本文研究的意义及思路1 1 第二章混凝土多功能软件集成开发1 3 2 1 概i 2 基1 ：i 2 2 v i s u a lc + + 以及m f c 简介。1 3 2 3 软件各模块实现方法1 5 23 1 混凝土外观图像处理方法及测评实现过程1 5 2 3 1 1 混凝土外观质量的半定量评价1 5 2 3 1 2 混凝土塑性收缩裂缝的定量测试与评价1 7 2 3 2 混凝士高温下损伤评价和温度场压力场计算实现过程1 9 2 3 2 1 混凝土高温下损伤评价1 9 2 3 2 2 混凝土高温下温度场压力场计算2 0 2 3 3 混凝士级配设计实现过程2 3 2 3 4 混凝土湿热耦合模型和数值模拟实现过程2 4 2 3 5 混凝土温度场湿度场计算实现过程2 5 2 4 本章小结2 6 第三章软件模块功能及使用。2 7 3 1 概述2 7 3 2 软件界面框架2 7 3 3 混凝土裂缝和外观评价功能模块2 8 3 3 1 混凝土外观特性分析。2 8 3 3 2 混凝土收缩裂缝的定量评测。2 9 3 4 混凝土高温下损伤和温度场压力场功能模块3 0 3 4 1 混凝十高温下温度场和压力场差分计算3 0 3 4 2 混凝十高温损伤综合评定，3 2 3 5 混凝土级配设计功能模块3 3 1 1 1 3 6 混凝土湿热耦合变形功能模块3 5 3 7 混凝土二维温湿度场计算功能模块。3 8 3 8 本章小结。3 9 第四章混凝土温湿度测量试验及分析。4 0 4 1 概述4 0 4 2 试验材料与装置。4 0 4 3 试验方案。4 0 4 4 试验结果与分析4 2 4 4 1 温度测量结果与分析。4 2 4 4 1 1 距离表面不同深度对试件内部温度变化的影响4 2 4 4 1 2 表面散热条件对试件内部温度变化的影响4 3 4 4 1 3 试件内部温度梯度随时间的变化趋势与分析4 4 4 3 2 湿度测量结果与分析。4 5 4 4 本章小结。4 6 第五章混凝土二维温湿度场数值计算4 8 5 1 概i 鲞4 8 5 2 混凝土二维温度场湿度场计算方程的提出4 8 5 3 计算温湿度场问题的定解条件分析4 9 5 3 1 初始条件。5 0 5 3 2 边界条件5 0 5 4 热源、湿源表达式的确定5 1 5 4 1 水泥水化放热模型分析5 1 5 4 2 水泥水化用水量模型分析5 2 5 5 混凝土二维温度湿度场数值计算方法5 3 5 6 计算结果与试验结果比较分析5 4 5 6 1 二维计算建模5 4 5 6 2 边界条件选择确定。5 4 5 6 3 基本参数的确定5 4 5 6 4 利用m a t l a bp d et o o l b o x 对混凝土二维温湿度场进行计算及分析。6 0 5 7 本章小结6 2 第六章结论与展望6 3 6 1 结论6 ：i 6 2 展望6 4 参考文献6 6 硕士期间论文发表情况7 0 致谢7 l 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 1 1 1 混凝土工程及研究中的计算机技术 混凝土是一种组成多变的复合材料，其成分和结构的多变性造成了其性能的差异。在 实际工程应用中，使用混凝土多数凭借经验，关于混凝土的计算多数采用经验公式，主要 就是由于其不确定性。因此，混凝土的研究大多以试验为主，以及对试验获得的较为离散 的现象和结果进行分析和总结，得到一定的规律，有利于进一步的研究和应用。随着信息 技术的发展，计算机技术对产业界和社会生活的各个方面的影响越来越大。在实际应用中， 人们把使用“硬件”时所要用到的方法和技术统称为“软件”。就计算机软件而言，1 9 8 0 年美 国版权法案将软件定义为“在计算机中被直接或间接用来产生明确结果的一组语句或指 令”。我国定义为“是一系列按照特定顺序组织的计算机数据和指令的集合”。 程序设计的最终结果是软件。软件是用户与硬件之间的接口界面。用户主要是通过软 件与计算机进行交流。软件是计算机系统设计的重要依据。为了方便用户，为了使计算机 系统具有较高的总体效用，在设计计算机系统时，必须全局考虑软件与硬件的结合，以及 用户的要求和软件的要求。 ( 1 ) 运行时，能够提供所要求功能和性能的指令或计算机程序集合。 ( 2 ) 程序能够满意地处理信息的数据结构。 ( 3 ) 描述程序功能需求以及程序如何操作和使用所要求的文档。 对于混凝土的各项性能指标等的测试和评价，在过去的实际工程中主要还是采用选样 测量，或者凭借经验等，这些方式均会带来结果的各种误差。例如由仪器原因造成的系统 误差和环境、人为因素造成的偶然误差。此外，在工程应用中，很多结构和材料不能直接 测量或者测量很困难，例如对大体积混凝土的体积稳定性、耐久性的分析、预测等。再者， 计算机系统另一方便之处在于令计算人员减轻计算负担，更高效率地得到计算结果，避免 了复杂的公式计算，只需要输入参数，利用计算机强大的计算能力得到需要的结果。 当前，计算机在混凝土行业的应用越来越广泛，特别是近几年，发展更加迅速。1 9 9 4 年成立的a c l 2 3 5 委员会，其目标是研究、开发、宣传混凝土知识库系统、预测混凝土材 料特性、建立数学模型、指导草案实施、促进对混凝土知识库系统的认识和使用【l l 。自1 9 9 4 年以来，混凝七技术知识的计算机化已取得了相当大的进步。知识库系统的计算机应用实 例如下：高速公路混凝土专家系统( h w r o n ) ；混凝土材料科学电子专题；胶凝材料( 水泥) 水化三维模型；现在，关于混凝土技术知识实际设计义取得了发展。 进而出现了一批刚丁检测、管理、辅助模拟等的计算机软件系统。例如材料检测中， 东南大学硕二f j 学位论文 清华大学土木工程系与中建一局四公司合作开发的试验室管理软件- t z l a b s l 0 i 2 1 ，主要用于 建筑材料检测试验室的管理。该系统包括建筑企业一级试验室所应承担的所有检测项目， 具有材料质量检测和配合比设计数据的录入、检验结论和试验报告的生成、查询、统计和 用户权限管理等功能，并可在网络上实现信息资源共享。该软件从1 9 9 9 年1 月1 日起在中 建一局四公司中心试验室正式使用，迄今已有不同省市的试验室使用该系统。 在辅助模拟方面，对于混凝土生产过程，施工过程，结构使用过程中的计算机模拟运 用越来越多，如在大坝施工过程中的采用计算机模拟系统协助进行工程进度控制，可方便、 快速的进行敏感分析，发现影响工程进度的关键因素，并能定量分析出各种因素对工程进 度的影响程度，从而达到控制和指导施工的目的。再如用计算机模拟技术模拟碾压混凝土 坝施工运输系统，分析拌和楼，自卸汽车和坝面卸位之间相互制约关系，确定设备最优组 合方案【3 】。 国外混凝土行业计算机应用技术也在不断发展，早在上个世纪六七十年代就有相关的 文章发表，但鉴于当时计算机技术未发展到今天的强盛，应用也相对较少，这方面的成果 也不多。例如在1 9 6 8 年就有p l a u n a y ，qc h a r p e n e t ，c v o u i l l o n 等人设计的用于预应力混 凝土压力容器的二维热弹性计算机系统【4 1 。之后计算机被用于混凝土的辅助设计上，例如 b a s f l egr a b b a t ，m i c h a e lpc o l l i n s 等人利用计算机辅助设计在复合荷载下的混凝士构件。 八十年代有c s k r i s h n a m o o r t h y , d r m o s i 等人的用于增强混凝_ 十结构的非弹性分析计算 机程序。在近几年，出现一些用于工程模拟的计算机软件，于是人们逐渐把精力放在了利 用软件的辅助模拟上，例如2 0 0 7 年m s j a a f a r ，k h b a y a g o o b ，j n o o r z a e i ，w a l e e d a m t h a n o o n 等人对大坝混凝土热分析的有限元程序以及2 0 0 4 年j p b l e i t e ，vs l o w i k ，h m i h a s h i 等人对混凝土在荷载下断裂过程的计算机模拟【5 1 。国际著名杂志c o m p u t e r s s t r u c t u r e s 中就刊登了相当多的计算机技术使用的例子。数值模拟技术是现代工程学形成 和发展的重要动力之一，而具有巩阎理论基础和广泛应用效力的有限元法是主要模拟手段。 从应用数学角度看，有限单元基本思想的提出可以追溯到1 9 4 3 年，c o u r a n t 第一次尝试应 用定义在三角区域上的分片连续函数和最小位能原理相结合求解s t v e n a n t 扭转问题。但到 1 9 6 0 年以后，随着电子计算机的广泛应用和发展，有限单元的发展才显著加快，目前己广 泛应用于弹性力学平面问题、空间问题和板壳问题中，分析的对象从弹性材料扩展到塑性、 粘弹性、粘塑性和复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、传热学等连续介质力学领域 【6 】。在混凝土结构温、湿度场及变形的数值模拟方面，国内外研究者已在混凝土高温下热 学性能、大体积混凝土温度场、湿度场和应力场、混凝土早期热力学分析等方面有所实践。 实践证明，采用计算机管理材料检测以及辅助模拟，在实际工作具有诸多优点。然而， 虽然计算机的应用有了相当人的进展，但对于传统的混凝土行业来说，这还是远远不够的。 2 第一章绪论 1 1 2 混凝土内部温湿度场研究的重要意义 混凝土是最重要的建筑材料之一，也是当代使用最多的人造材料，广泛应用于各种工 业与民用建筑中，如公路桥梁、机场跑道、地下工程、水工结构以及军事工程等。通常认 为，混凝土是一种很耐久的结构材料，经正确设计、认真施工和养护的混凝士的使用寿命 可达百年以上。在施工过程中，现在考虑最多的就是混凝土的早期强度，而在早期强度符 合标准的前提下，混凝土结构却常会发生未达到预期使用年限而过早破坏的情况。因此人 们开始重视混凝土材料以及结构的耐久性。混凝土的耐久性是指混凝土结构在自然环境、 使用环境及材料内部因素作用下保持其工作能力的性能。材料性质、结构特点、施工及环 境条件都将影响到混凝土结构耐久性。在现实工程结构中，结构与周围环境作用较直观反 映了混凝土耐久性，具体表现为冻融、碳化、碱集料反应、化学侵蚀、钢筋锈蚀等劣化形 式，这些是通常认为的耐久性的主要影响因素。但随着水泥和混凝土工业的新发展，混凝 土从浇筑开始产生的体积变化引起的开裂破坏成为混凝土耐久性研究的热点，也就是混凝 土材料体积稳定性问题【7 】。体积稳定性和耐久性都是高性能混凝土应该达到的基本标准。 体积稳定性是高耐久性实现与否的重要影响因素，更是高性能混凝土的标志之一。 在混凝土材料自身发展及使用环境中发生变形( 体积变化) 的主要原因有塑性收缩、 干燥收缩、自收缩( 内部干燥) 、温度收缩、碳化收缩、徐变等。简单来讲，塑性收缩是混 凝十浇灌后的初期，在新拌混凝土状态时表面水分蒸发而引起的变形；干燥收缩是混凝土 在终凝后，混凝土毛细孔水分蒸发而引起的变形；自收缩是由于水泥在水化过程中，混凝 土中的水量或内部湿度自发减少而导致的收缩变形；温度收缩是由于温度变化而产生的混 凝土收缩变形；碳化收缩是大气中的c o ：对混凝土产生碳化作用而引起的混凝士收缩变形。 混凝土的各种体积变形使整体宏观体积和局部微观体积发生变化，进而使混凝土内部出现 应力，尤其是在混凝土结构中，混凝土受到内部或外部的约束作用，混凝土内部的应力更 大、更不均匀，超过混凝土极限抗拉强度或极限拉伸应变时就会出现开裂。 对于实际混凝土结构，在没有外力条件下的体积变形，主要表现为温度收缩、干燥收 缩、自收缩及塑性收缩等变形，碳化和碱集料反应也影响到混凝士的体积稳定性。引起混 凝土各种变形的诱因主要有温度变化、水分( 湿度) 变化及化学反应，这种分类方法能够 涵盖混凝土体积稳定性的各种变形。 ( 1 ) 温度变化 温度变化引起的混凝土变形包括通常所谓的温度收缩和混凝土结构在使用环境中的热 胀冷缩，甚至冻融循环造成的混凝土体积变化。温度收缩主要是混凝十内部由于水泥水化 温度升高，而后期又冷却到环境温度时产生的收缩，其产生的原冈在于温度变化；热胀冷 缩是众多州体物质的基本性能，混凝十及混凝十结构在服役期间必然要受到环境温度变化 的影响。冻融循环破坏主要是混凝十内部孔隙水在发生冻融交替冈水结冰体积膨胀及冰融 化体积减小造成的犹如疲劳般的破坏。 3 东南大学硕十学位论文 ( 2 ) 水分( 湿度) 变化 混凝士内部或表面的水分因蒸发、迁移或其它原因而失水或吸水而造成的混凝土变形 可归类于水分( 湿度) 变化引起的变形，包括通常所谓的塑性收缩、干燥收缩、湿胀，低 水灰比混凝土在水化过程中由于“白干燥”而造成的宏观体积的减小也可以归入此类。 塑性收缩基本上发生在混凝土搅拌后3 1 2 h 以内混凝土硬化之前，由于表面的水分蒸 发速度大于混凝土内部向外的泌水速度而发生的收缩，主要诱因在于水分蒸发。干燥收缩 是混凝土停止养护后在不饱和空气中失去内部水分而引起的体积减小，主要诱因在于水分 蒸发及浓度差引起的水分迁移；当然，在外部环境湿度高于混凝土内部湿度时，水分会由 外向内部迁移使水泥凝胶体及毛细孔、宏观孔等吸水而引起体积增加，也就是湿胀。高强 混凝土中非常重要的混凝土自收缩产生的根源在于水灰比较低，水泥硬化后未水化水泥继 续水化时无外界水或水泥水化耗水速率大于周围补给水的迁移速率，混凝土因此而产生收 缩变形。虽然自收缩起因于水泥水化，但根本原因在于水分的缺乏引起毛细孔压力增大造 成收缩。 ( 3 ) 化学反应 因化学反应反应物和产物体积变化引起的混凝土体积变化通称为化学反应引起的变 形，因此可以包括通常所谓的化学收缩、碳化收缩、碱集料反应膨胀等。当然，碳化、冻 融循环对混凝土的破坏不仅在于它们引起了混凝土体积变化，其非体积变化原因导致的混 凝土耐久性降低更为重要。 化学收缩主要指的是在混凝土内水泥水化的过程中，水化产物的绝对体积比水化前反 应物水泥和水的绝对体积之和相对减小而带来的混凝士体积收缩，通常化学收缩对体积变 化的影响在施工过程中已经消除，对混凝土结构而言主要表现在影响混凝土内部孔隙。碳 化收缩是由于大气中二氧化碳与水泥中的水化产物发生化学反应产生碳酸钙、硅胶和游离 水等而引起的收缩。碱集料反应膨胀主要是因水泥等胶凝材料中的碱与集料中的活性氧化 硅及白云质石灰岩等之间的反应而引起的局部膨胀。 从上述混凝土体积稳定性的诱冈及其表现形式的分析中，也可以看出混凝土体积稳定 性的好坏表现在混凝土在环境中由于温、湿度变化的变形大小、开裂与否及严重程度等方 面，进而对混凝土耐久性造成影响。水分蒸发或扩散引起水分散失，并由此导致收缩应变 的产生，在不足以抵抗因收缩受到限制而引起的应力时就会产生开裂，严重影响混凝土及 结构性能。干燥收缩主要是由于饱和的水泥浆体露置于低湿度的环境中，其中的水化硅酸 钙因毛细孔和凝胶孔中水分蒸发或扩散，失去物理吸附水而导致收缩应变。其收缩机理可 用毛细管麻力、拆开压力、表面臼由能和层间水移动等来解释，但能够在整个湿度范围解 释混凝土可逆及不可逆收缩的综合机理还有待探索。 温度收缩主要指温度f 降所引起的体积收缩，当受剑约束时就会产生裂缝。其收缩机 理主要是混凝十材料热性能上的热胀冷缩，决定于混凝十的热膨胀系数与温度高低变化的 4 第一章绪论 程度，而热膨胀系数则是由混凝土的比热、导热系数等基本热物性参数表征的。明显的温 度收缩往往由水化热引起，一般发生在水化热温度上升结束、温度开始下降的时候，多在 混凝士浇注后一周内的龄期发生。混凝土中的水泥在水化过程中产生大量的水化热，在一 般结构混凝士施工中，胶凝材料水化产生的热很快释放到环境中，通常不会产生危害。然 而在超长或大体积混凝土构件或结构中，如果散热条件较差，混凝土在浇筑后的初始数天 内，内部温度大幅升高，当环境温度较低时，混凝士的温度逐渐降至环境温度，混凝土就 会产生温度收缩应变，而混凝土的抗拉强度有限，极易造成开裂。在实际工程设计中，对 于超静定结构必须计算由于温度变化而产生的应力，尤其是在大体积混凝土结构中，水化 热的影响不容忽视。 在混凝土结构使用环境的温度变化也同样会影响到混凝土的变形，温度变化造成影响 温度变形的温差主要有三种：季节温差，混凝土初凝时的温度与构件使用期间由于季节 变化而出现的最高或最低温度的差值；内外温差，主要指使用期间内外气温不同而在构 件内外表面产生温差；日照温差，结构使用期间向阳面与背阴面之间的温度差。混凝土 结构在正常使用环境中，温度应力在特定情况下可能是混凝土结构失效的关键因素，尤其 对于大体积混凝土，正确评价混凝土结构在施工期及服役期的温度是非常重要的。 总之，混凝土变形的产生是材料内部及表面温湿度状态的反映。无论在混凝土浇筑后 早期水泥水化过程中，还是在混凝土结构服役运营期间，温、湿度变化都是影响混凝士材 料变形的最重要因素。很明显，混凝十的多种变形是与水分损失、温度变化密切相关的。 即使是混凝土的碳化收缩，虽然与干燥收缩在本质上是完全不同的【8 】，也可以视之为干燥 收缩的一个特例，而且碳化收缩也是相对湿度的函数，并指出在中等相对湿度( 5 0 ) 时 碳化速率最高，收缩值也最大1 9 1 。因此，对于研究混凝土耐久性和体积稳定性，内部温度 场、湿度场成了必须要先研究的重要方面。 1 2 软件各模块功能研究现状及其评述 1 2 1 混凝土裂缝外观质量的评价方法 虽然人们对混凝土外观质量表示重视，但是目前国内外对它的评价还缺乏有效的方法 与手段。在实际工程中，常常需要计算出缺陷面积尺寸及其与混凝土表面总面积的百分比 例，以衡量表面瑕疵的程度，从而评定混凝土及混凝土工程施t 等级。我国目前对混凝七 外观质量测评与计算主要还靠质检人员肉眼判断及利用标尺等下具人工测量后进行模糊推 算，尚无量化的方法与标准。 在一些数据表中，对可用标尺量出的“建筑物外观尺寸”、“表面平整度”等四项给出了 确切的“允许偏差”和“实测值”两项数据，而不易用一l ：具测量的“混凝士表面缺陷”等项却没 给出具体的检奄数据。原冈也许止是这儿条评测项目只能以检测员经验为主，直接川肉眼 5 东南人学硕。l ：学位论文 判断定级，无法给出定量的参考数据【5 5 j 。 这些过去沿用的测评方法虽然简单，但效率低，更重要的缺陷是因主观性、模糊性、 随机性等原因造成的巨大误差( 特别是在某些缺陷形状不规范或较分散，不易衡量该缺陷 面积大小及色差不均衡的时候) ，由此给实际应用带来很大的不确定性。 因此随着人们对产品质量要求的提高，迫切需要找到一种客观准确的测评方法来代替 人眼观察。 计算机像素处理己成为近年来随着计算机技术的迅猛发展而新兴的一种技术，它广泛 应用于各种通过对二维数字像素的结构特征进行分析而得到所需的特征指标的测评工程中 【1 1 】，如材料科学的另一分支“金属材料”已把“铸造合金金相分析像素处理系统”应用于 实际科研中，应用这项技术可以对金属材料内部微观结构和组织状态进行快速、简便、有 效的分析和测定，并可获得金属材料性能的多种指标。 然而用计算机图像纹理分析的方法对混凝土结构外观质量进行检测及评级还是一个全 新的研究课题，它对于混凝土外观质量测评的量化有着重要的意义。 1 2 2 混凝土高温下损伤评价方法及温度场压力场计算 混凝土的高强化己引起世界各国土木建筑与材料工程界的高度重视，近年来取得了较 大的进展。高强混凝土的应用前景非常广阔，如：高层建筑、桥梁工程、海洋工程、深层 矿井等领域。但经历火灾后，高强混凝士结构性能将产生严重的劣化，结构安全性下降【1 。 因此混凝土结构受火后的受损程度、结构安全性的检测与评价成为我国亟待研究的实际问 题。 由于火灾后建筑物评估的复杂性，给损伤评价带来较多困难。国外常用的损伤评价方 法有：外观调查、回弹法、钻芯法和超声检测等。国内一些学者也提出了混凝土结构火灾 损伤的评估方法，但至今尚未形成完整的评价体系。在检测的基础上，我国学者根据实践 经验及试验验证，对火灾后混凝构件的受损程度进行综合评定、分类或分级。所得的研 究结论有助于火灾后建筑物诊断与评估体系的建立。 火灾发生后如何科学正确地评估混凝士建筑物的承载能力，尽快采取合理的修复加固 措施是建筑业必须解决的问题。高温后混凝土材料性能的劣化表现在许多方面，如：材料 力学性能、耐久性、物理化学变化、外观损伤、环境因素等等，而这些因素之问又存在着 相互的关联性及不确定性，因此，采用模糊数学中的模糊综合评价理论将能取得更好的实 际效果1 1 2 j 。 目前国外所采用的混凝土结构火灾诊断以评估程序为主体，偏向定性评价。彭立敏等 【1 3 】将模糊数学方法应用到火灾后混凝士损伤的评- n ，采用模糊理论米评定隧道火灾后衬 砌损伤等级的划分方法，并对衬砌的受损程度进行了综合评判。这种多冈素偶联的模糊评 6 第一章绪论 判方法，考虑了火灾后各种受损因素对衬砌损伤的影响，并使各等级互相渗透。 同一事物或现象往往具有多种属性，因此在对事物进行评价时，就要兼顾各个方面， 对多个相关因素进行综合考虑，这就是所谓的综合评判问题。模糊综合评判作为模糊数学的 一种具体应用方法，最早是由我国学者汪培庄提出的，已得到了广泛的应用【1 4 1 。模糊综合 评判，即f u z z yc o m p r