【《混凝土内部湿度场的模拟分析案例》3000字】

混凝土内部湿度场的模拟分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u9392混凝土内部湿度场的模拟分析案例 1305331.1引言 1321081.2湿度场计算模型的建立 2191221.2.1系数形式偏微分方程的建立 2305641.2.2边界条件的确定 3227031.3影响湿度场的因素 4204381.1.1混凝土模型的扩散系数 4260401.1.2混凝土模型的水化作用 832631.1.3混凝土模型湿度交换系数 1134801.1.4环境湿度 13228991.4小结 161.1引言湿度场方程如下，其推导过程可以参考温度场：(1.1)或(1.2)由已有的研究结果[8]可知，混凝土内部水分扩散和水泥水化反应耗水是引起内部湿度场变化的主要原因。混凝土内部水分扩散的研究目前基本上采用基于Fick第一第二定律[2]建立的水分扩散模型，Fick第一定律指出：浓度梯度越大，扩散通量越大。Fick第二定律指出：在非稳态扩散过程中，浓度随时间的变化率等于该处的扩散通量随距离变化率的负值。初期，国内外研究者认为水分扩散系数为常数，建立了线性的水分扩散方程，用线性方程计算所得结果与实验值有一定偏差。实际上，随着研究的深入，发现水泥浆体的孔结构及其分布对混凝土内部水分的扩散速度有影响，同时毛细孔湿度也对扩散速度有一定的影响，因此混凝土内部的湿度扩散受到多种因素的影响，其扩散方程是高度非线性的。研究证实扩散系数是水灰比和成熟度的函数，仅仅采用线性方程来描述混凝土中水分的传输是不可靠的。本章将建立综合考虑水泥水化耗水和水分扩散的混凝土内部湿度场计算模型，其中湿度扩散系数将采用非线性扩散方程的形式定义，取值来源于文献[2]。1.2湿度场计算模型的建立1.2.1系数形式偏微分方程的建立与温度场的计算不同，湿度场的计算需要建立系数形式偏微分方程，在这之前，首先需要定义湿度扩散系数D，D与相对湿度和温度有关，其计算公式如下：(1.3)(1.4)(1.5)(1.6)一个可能的解释[8]是，在更高的环境温度下，更多的能量被提供给水分子，以克服等同于与具体水扩散相关的活化能的能量障碍。从文献中了解到随着环境温度和w/c的增加，D0增加(即D的最大值)，因此水的扩散速率更快。在COMSOL中定义四个解析函数，即可建立系数形式偏微分方程，如下图：图1.1系数形式偏微分方程1.2.2边界条件的确定自然状态下，混凝土表面时时刻刻和外界环境发生着湿度交换，引入表面湿度交换系数这个概念来描述这种交换活动的强弱,其公式如下：（1.7）其中为环境湿度，为混凝土表面湿度交换系数，其单位为m/h，量级一般在之间，它表示水分在空气中的扩散特征，一般通过试验测定，考虑水灰比、温度等因素的影响：（1.8）其中a1、b1为回归系数。在COMSOL中需要设定混凝土模型的六个面是否和外界环境发生湿度交换以及这种交换的强度，定义如下：图1.2边界条件1.3影响湿度场的因素1.1.1混凝土模型的扩散系数扩散系数的求解较为复杂，本文直接采用文献[2]中的计算值来研究其对内部湿度场的影响，建立400*200*200mm的模型，分别取=1.894、11.376、24.733，表面湿度交换系数为5.56，环境湿度取0.6，气体常数R=,分别计算模型只有上表面与环境有湿度交换和所有表面都有湿度交换的情况，绘出以下六幅图：图1.3只有上表面有湿度交换（=1.894）图1.4所有表面均有湿度交换（=1.894）图1.5只有上表面有湿度交换（=11.376）图1.6所有表面均有湿度交换（=11.376）图1.7只有上表面有湿度交换（=24.733）图1.8所有表面均有湿度交换（=24.733）可以看出，随着湿度扩散系数的增大，混凝土模型内部中心点湿度的最终值有明显降低，而且边界条件的变化对内部湿度也有一定的影响。因为扩散系数可以简单理解为一个描述混凝土内部不同部位之间湿度交换的参数，这种交换也包括混凝土与外界之间的湿度交换。同一个混凝土浇筑块，由于外界条件的影响，其不同部位的湿度变化也是不相同的，这样就在混凝土内部形成了湿度梯度，湿度不同的部位之间存在湿度交换，一般来说，中心部位的湿度是最高的，随着湿度扩散系数的增大，中心点与周围的湿度交换就会变强，其湿度也会随之降低。此外，根据已有文献[9]研究表明混凝土内部相对湿度的发展均呈现两阶段发展模式，即首先经历一段内部相对湿度为100%的时间（湿度饱和期），接着内部相对湿度开始下降，进入湿度下降期，从上图可以看出，随着湿度扩散系数的增大，模型湿度饱和期的时长显著降低，可以认为湿度饱和期的长短和湿度扩散系数呈现负相关的关系。1.1.2混凝土模型的水化作用混凝土内部的水化反应，不仅对温度场有明显的影响，对湿度场同样如此，水化作用在湿度场研究中也可以被称为自干燥作用，其公式[2]如下：（1.9）这是一个分段函数，其中，是仅考虑自干燥作用时水泥最终水化度对应的相对湿度，为的函数，可由试验确定；是混凝土内部水泥的最终水化度；是混凝土内部相对湿度由100％开始下降时的水化度，可由测定的湿度开始下降时间计算获得。参数为取值范围在1.5-1.8之间的常数。水化度为时间t的函数，其公式为：（1.10）在COMSOL中求解偏微分方程时，源项定义如下：图1.9源项的定义从文献[2]中取三组参数列于下表：表1.1三组参数编号10.8350.51941.18720.7330.49092.27030.7030.43761.108建立400*200*200mm的模型，计算结果绘图如下：图1.101号模型湿度变化图1.112号模型湿度变化图1.123号模型湿度变化可以看出，随着参数值的减小，混凝土模型内部湿度饱和期的时间也随之缩短，其湿度的最终值也随之降低。从式(5.9)可以看出，模型的最终湿度与三个参数之间应该呈现一个负相关的关系，所以参数值越小，水化反应进行的越充分，耗水量越多，其最终湿度就越小。从但与文献[2]相比，本文的研究结果中，混凝土内部湿度到达稳定阶段的速度太快，其趋势也不是太平滑，可能是湿度交换系数的影响。1.1.3混凝土模型湿度交换系数湿度交换系数前文已有说明，由于此参数的变化范围很大，影响因素较多，且定义它的公式也有很多，除1.2.2中的水灰比函数外，还有描述其是风速的函数的：（1.11）其中A为经验系数，取决于混凝土水灰比。本文取三个不同量级（）的湿度交换系数，建立400*200*200mm的模型，且设定混凝土模型只有上表面与环境有湿度交换，环境湿度取0.6，来研究其对湿度场的影响，运用三维绘图组更能直观地看出这种影响：图1.13交换系数为时的湿度场图1.14交换系数为时的湿度场图1.15交换系数为时的湿度场可以看出，随着湿度扩散系数的增大，模型上表面与环境之间的湿度交换越来越强烈，其最终表面湿度也越接近环境湿度0.6，而且，湿度扩散系数的增大也会影响模型内部的湿度梯度，具体来说，扩散系数越大，湿度梯度越不明显。1.1.4环境湿度环境湿度对混凝土内部湿度场也有一定的影响，沿海湿润地区和内陆干燥地区的混凝土制品及建筑使用寿命和性能都会有较大的差异，由于缺少相关文献资料，本文取三个不同的环境湿度0.4，0.6，0.8，对为0.6的模型分别设定其通量只有上表面和全部表面，来研究环境湿度的影响，计算绘图结果如下：图1.16=0.4时模型的湿度变化图1.17=0.6时模型的湿度变化（上表面有通量）图1.18=0.6时模型的湿度变化（全表面有通量）图1.19=0.8时模型的湿度变化由上图可以看出，在只有上表面通量的情况下，随着环境湿度的增大，混凝土内部湿度降低速率逐渐减缓，环境湿度越大，其内部湿度降低速率越大，且其最终湿度都和环境湿度相接近，特别的，当为0.8时，最终湿度基本等于环境湿度。边界条件的差异对湿度场的影响同样很明显，全表面通量时，混凝土内部湿度下降速率很大，最终湿度直接等于环境湿度。1.4小结本章集中对混凝土内部湿度场进行了模拟计算研究，得到以下结论：（1）扩散系数对湿度场的影响是最直接和明显的，扩散系数越大，湿度下降就越明显，同时边