孔半徑對高溫混凝土熱力學(xué)性能影響的數(shù)值分析

李玉花，楊 明

(湖北理工學(xué)院 a.化學(xué)與化工學(xué)院，b.材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 黃石 435003)

混凝土在現(xiàn)代建筑中應(yīng)用廣泛，其在常溫下受力性能良好[1]。但是隨著混凝土應(yīng)用場地的增多，混凝土建筑材料承受的環(huán)境有時(shí)候惡劣，對混凝土的熱力學(xué)性能提出了更高的要求。在施工早期，混凝土水化熱引起的高溫和應(yīng)力比較大，使得混凝土中含有各種各樣的孔結(jié)構(gòu)，孔結(jié)構(gòu)會(huì)使混凝土產(chǎn)生裂縫，安全性大大降低。因此，研究高溫條件下不同孔結(jié)構(gòu)的混凝土熱力學(xué)性能具有重要意義。

利用有限元模擬，將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，所得出的結(jié)論具有理論指導(dǎo)意義。有限元分析是指通過數(shù)學(xué)近似的方法，用有限數(shù)量的未知量來逼近無限數(shù)量的未知量，模擬真實(shí)的物理系統(tǒng)。其是從結(jié)構(gòu)力學(xué)發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計(jì)算方法，一開始僅適用于線性求解，后來由于許多工程問題單靠線性求解解決不了，為此科研人員豐富了有限元分析材料庫，并開發(fā)了非線性求解器[2]。現(xiàn)如今，有限元分析軟件不僅能實(shí)現(xiàn)流體分析[3-4]、結(jié)構(gòu)分析[5]、電磁分析[6]，在熱分析方面也展現(xiàn)了強(qiáng)大優(yōu)勢[7]。熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射等都可通過有限元分析軟件進(jìn)行模擬分析計(jì)算。

有限元軟件ANSYS功能強(qiáng)大，求解精度高，應(yīng)用廣泛。ANSYS熱分析是基于能量守恒原理的熱平衡方程，用有限元方法計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的溫度，同時(shí)導(dǎo)出其他物理量。ANSYS的熱分析模塊可以對各種材料組成的平面和空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱分析，也可以對含孔高溫混凝土的溫度場及溫度應(yīng)力進(jìn)行分析。ANSYS熱分析分為穩(wěn)態(tài)熱分析和瞬態(tài)熱分析。在工程上，一般用瞬態(tài)熱分析計(jì)算溫度場，并將之作為熱荷載再進(jìn)行熱應(yīng)力分析[8]。

本文基于高溫混凝土的缺陷結(jié)構(gòu)特征，建立含有圓形孔隙的高溫混凝土模型，探索孔半徑對熱力學(xué)性能的影響，以期進(jìn)一步探究高溫混凝土的熱力學(xué)性能。

1 孔隙混凝土的數(shù)值模擬

1.1 數(shù)值模擬模型

由于混凝土中的缺陷結(jié)構(gòu)雜亂無章，不易于分析各種缺陷對混凝土熱力學(xué)性能的影響。針對其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對混凝土內(nèi)的缺陷做合理簡化，剔除存在的微裂紋，將混凝土中的孔隙簡化為圓形孔洞。通過程序編寫，在ANSYS中完成模型的建立。定義圓形孔洞的尺寸，確保圓形孔洞間互不相交。建立有限元模型的流程如圖1所示。

圖1 建立有限元模型的流程

1.2 混凝土性能參數(shù)

建立的高溫混凝土模型中，材料相關(guān)參數(shù)見表1。建立的三維含孔洞的有限元模型及網(wǎng)格劃分模型如圖2所示。

表1 材料相關(guān)參數(shù)

(a) 有限元模型 (b) 網(wǎng)格劃分模型

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 孔半徑對高溫隔熱性能的影響

不同孔徑的高溫混凝土的隔熱性能及其變化分別如圖3和圖4所示。由圖3和圖4可以看出，隨著孔半徑的增加，混凝土的隔熱性能明顯變好。無孔高溫混凝土的隔熱溫度為685 ℃，當(dāng)內(nèi)孔半徑增加到15 μm時(shí)，高溫混凝土的隔熱溫度為710 ℃，隔熱溫度增加了25 ℃。從隔熱性能來看，混凝土內(nèi)的孔使混凝土的隔熱性能變好，且孔徑越大，高溫混凝土的隔熱性能越好。

(a) 無孔 (b) 2 μm (c) 5 μm (d) 10 μm (e) 15 μm圖3 不同孔徑的高溫混凝土的隔熱性能

圖4 不同孔徑的高溫混凝土的隔熱性能變化

2.2 孔半徑對高溫?zé)釕?yīng)力性能的影響

一般情況下，混凝土中的孔由水、空氣或者水汽混合物填充，孔的內(nèi)外材料成分不同，熱膨脹系數(shù)也不同，溫度變化就會(huì)引起變形不協(xié)調(diào)，這樣就會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。不同孔徑的高溫混凝土的高溫?zé)釕?yīng)力性能及其變化分別如圖5和圖6所示。由圖5和圖6可以看出，隨著孔半徑的增加，高溫混凝土的高溫?zé)釕?yīng)力逐漸減小。相較于無孔高溫混凝土，孔徑為15 μm的圓孔高溫混凝土的高溫?zé)釕?yīng)力減少了接近1.5 GPa。從高溫?zé)釕?yīng)力性能來看，孔徑增加，高溫混凝土的熱應(yīng)力減小。

(a) 無孔 (b) 2 μm (c) 5 μm (d) 10 μm (e) 15 μm圖5 不同孔徑的高溫混凝土的高溫?zé)釕?yīng)力性能

圖6 不同孔徑的高溫混凝土的高溫?zé)釕?yīng)力性能變化

2.3 孔半徑對高溫?zé)釕?yīng)變性能的影響

不同孔徑的高溫混凝土的高溫?zé)釕?yīng)變性能及其變化分別如圖7和圖8所示。由圖7和圖8可以看出，當(dāng)孔徑為5 μm時(shí)，其高溫?zé)釕?yīng)變性能與無孔高溫混凝土相比變化不大，隨著孔半徑的增加，高溫混凝土的高溫?zé)釕?yīng)變逐漸增加?？讖嚼^續(xù)增大，高溫混凝土的高溫?zé)釕?yīng)變逐漸增大。孔徑為15 μm圓孔的高溫混凝土比無孔高溫混凝土的高熱溫應(yīng)變增加了2 nm。從高溫?zé)釕?yīng)變性能來看，高溫混凝土內(nèi)含有孔隙是不利的。

(a) 無孔 (b) 2 μm (c) 5 μm (d) 10 μm (e) 15 μm圖7 不同孔徑的高溫混凝土的高溫?zé)釕?yīng)變性能

圖8 不同孔徑的高溫混凝土的高溫?zé)釕?yīng)變性能變化

從高溫隔熱性能、高溫?zé)釕?yīng)力性能、高溫?zé)釕?yīng)變性能3方面分析可知，孔隙結(jié)構(gòu)提高了高溫混凝土的高溫隔熱性能，減小了高溫混凝土的高溫?zé)釕?yīng)力，增加了高溫混凝土的高溫?zé)釕?yīng)變。綜合考慮，含10 μm左右孔徑圓孔的高溫混凝土的熱力學(xué)性能最好。

3 結(jié)論

基于理論分析和數(shù)值模擬，對含孔高溫混凝土的熱力學(xué)性能進(jìn)行研究。建立了含有圓形孔隙的高溫混凝土模型，分析了孔半徑對高溫混凝土隔熱性能、高溫?zé)釕?yīng)力及應(yīng)變性能的影響，得出以下結(jié)論。

1)孔半徑越大，高溫混凝土的隔熱性能越好。單從隔熱性能方面考慮，高溫混凝土內(nèi)含孔是有利的。

2)高溫混凝土的高溫?zé)釕?yīng)力隨著孔半徑增加而減小。單從高溫?zé)釕?yīng)力方面考慮，高溫混凝土內(nèi)的孔隙提高了高溫混凝土的熱力學(xué)性能。

3)隨著孔半徑增加，高溫混凝土的高溫?zé)釕?yīng)變增加，說明高溫混凝土內(nèi)含孔是不利的。

4)孔徑增大使高溫混凝土的隔熱性能變好，熱應(yīng)力減小。但是，隨著孔徑增加，高溫混凝土的高溫?zé)釕?yīng)變也變大。綜合考慮，高溫混凝土的孔徑控制在10 μm左右比較好，此時(shí)高溫混凝土的熱力學(xué)性能最佳。