原文传递
基于有限元数值模拟的水泥混凝土路面冰冻损伤机理研究
| 论文题名： | 基于有限元数值模拟的水泥混凝土路面冰冻损伤机理研究 |
| 关键词： | 水泥混凝土路面;冰冻灾害;损伤机理;温度应力;有限元数值模拟 |
| 摘要： | 冰冻灾害是在我国北方以及西南地区普遍存在的一种自然灾害，冰冻灾害给交通基础设施造成了巨大的破坏，严重影响了人民群众的生产生活。 冰冻对水泥混凝土路面的破坏过程首先是路面内充水孔隙在温度降低到冰点后结冰，冰的形成使得产生孔隙拉应力,使得路面内部出现微裂纹，进而微裂纹在持续应力下扩大，成为可见的大的裂纹，最终使得路面丧失承载能力而破坏。混凝土作为一种脆性材料，其抗拉强度远远小于其抗拉强度，因此张拉应力对混凝土的破坏是致命的因素。路面内部的孔隙拉应力主要可分为三种：1.在闭合孔隙饱水状态下，孔隙水结冰，由于冰和水密度的差异，造成体积膨胀，对路面内部造成拉应力。2.在开口孔隙中，孔隙水结冰，驱使一部分自由水向尚未冻结的小孔隙移动，产生渗流压力。3.同一孔隙中冰和水由于毛细孔表面张力的作用的压力差。一般认为，第二和第三种应力对路面在冻结状态下的破坏是主要的。本文主要研究基于凝冰对路面的破坏是渗流压力这一假设。 同时，在温度改变的过程中，由于孔隙中冰的存在，会显著改变路面内部的温度场，给路面造成温度应力。 本文主要内容如下： 1.介绍了作为水泥混凝土路面的主要材料-混凝土的微观结构，冰在混凝土孔隙中形成和扩大的微观过程，以及冰的形成过程中产生的压力。 2.建立了一个纳米尺度的路面微观模型，在其中布置一个孔隙，利用有限元软件Ansys，基于热传导的基本原理，模拟和分析了不同孔隙半径、不同冰水含量在路面降温过程中对路面内部温度场的影响。得出了由于孔隙中冰晶体的存在，会对原本均匀的路面温度场造成显著地扰动；通过分析还发现了在结冰过程中，作用于孔隙的温度应力是一个先减小再增大的过程。 3.基于应力场、多孔体系渗流场和温度场的多物理场耦合理论，利用Comsol软件，对水泥混凝土路面内部结冰的现象进行了数值模拟。根据不同的降温速率、孔隙率、渗透系数和孔隙累积分布函数，设计了四组模型，每组4个模型进行对比。计算了结冰对路面造成的应力和应变，得到了参考点的应力和应变随温度变化的曲线图。初步得到了凝冰对刚性路面损伤的机理。 |
| 作者： | 潘晨 |
| 专业： | 道路与铁道工程 |
| 导师： | 赵茂才 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工业大学 |
| 学位年度： | 2010 |
| 正文语种： | 中文 |
检索历史
应用推荐
