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混凝土在冻结温度下的孔隙弹性模型 摘要：在冻融温度下混凝土有很多有竞争性的模型，但是很少有能对其力学性能提供一个全面的定量的预测，物理学限制冰的结晶。当隙中一部分液体凝固时，会逐渐产生压力，多余的液体就会从区向区移动。反过来，随着降温增加冷冻吸力会驱使水向冻结区移动。饱和孔隙弹性理论对这样复杂机理的应力计算和应变发展提出了新观点。冻结过程中各的变形。特别是加气对多孔材料抗冻性的影响。分析表明，孔隙扮演膨胀器和低温泵，且分别对它们的影响定量评估。该理论估计系数。进行了数值分析以研究隙分布对多孔材料在冻结情况下系数和内部的影响。孔隙弹性 冷冻吸力 简介 偶然的机会人们发现水泥砂浆中小气孔的分布网会增强混凝土结构的抗冻性，随着Powers水压模型的发展，这一重要的实践观测很快一个科学的解释。根据此理论，随着温度的降低，在水泥浆的毛细管中形成了冰，为了调节结冰后的体积增长，多余的水被驱逐形成了水压力。如果基体没有足够的抗拉强度来抵抗压力就会产生裂缝，结构耐久性就会受损。相比之下，作为膨胀器孔隙能降低水压力。水压模型的重要验证间距系数为250μ，已经在实验室和中得到确认。Powers和他的合作者的后来工作水压力模型的局限性。Powers 和 Helmuth [2]通过一套典实验证明，如果持续零度以下的温度一段时间，加气的体持续膨胀而加气的体却表现出收缩。水压模型不能解释这些实验现象，作者提出收缩是由于基体中的液态水孔隙扩散导致。 Helmuth进一步批评水压模型指出加气浆体在冻结成熟期不会发生渗透流，相反，毛细管和隙中冰的累积是由于吸力和表面扩散导致的非渗透流动 [3]。Scherer and Valenza [4]扩展了他的结晶压观点和冰晶成核剂重要。 尽管水压模型遭到了强烈的争议，它还是经常被使用和引用，因为它是仅有的能够对应力和系数提供一个数量级的主要理论[]。然而，在[6]中的重新讨论发现，Power模型把浆体作为刚性来考虑，因此不能预测可变形的多孔介质在孔隙，液体的流动，相转变和材料变形能力复杂相互作用下的力学反应。而且水压模型预测了水压强度和冷冻速率的比值，并有试验证据[]。 因为水的凝固牵涉到体积改变，因此知道相应于膨胀基体变形量就很重要。这个变形将影响水压的。测定材料的变形同样需要评估气扮演的力学角色，它作为膨胀器和低温泵来起作用的。因此一个定量的方法可以确立这些影响的力学强度理论也可以研究布对材料抗冻性的影响和评估系数。 最初由Biot[7]发现，多孔变形体内的水的物相变化能在孔隙弹性背景下用公式表示，Coussy[8-9]在更广泛的连续热力学背景下扩展了它。已经证明，有孔介质力学对模拟水泥基材料的力学性非常有用[11]，并且已经成功的用来预测此类材料的干缩the drying shrinkage)[12,13]. 这篇论文扩展基本方程需要模拟混凝土在冻融温度条件下的变形，包括像在[14]中最初探究的并在[15]中进一步得到发展的水压力和冷冻吸力。有介质力学方程被用来研究孔隙分布对应变强度的影响和在冻温度下的水泥浆内孔隙压的影响。模型可以鉴定孔隙作为膨胀器和低温泵来起作用的相对重要性。最后，用现有的实验和现场结果对该理论预测的系数进行了验证。 在融点下孔分布对液体饱和曲线的影响 在水泥基材料背景下，就像在[16]中彻底探究的，对于给定的，水的凝固温度取决于进入尺寸。首先回顾下，固体—液体热力平衡要求两的化学势相等。忽略对于晶体压力Pc和液体压力PL之间压力差的二阶压力，忽略对于融点下降温的二阶温度，这个等式 (1) 其中，T是温度; Tm= 融点；Σm。 固体-液体界面的力学平衡的曲率半径rLaplace定律确定 其中，γCL是晶体液体界面能； 等式（1）和（2）结合给出了著名的Gibbs-Thomson定律： 为了简单起见，我们现假定液体与固体基质接触角为零，因此r也是固体液体界面处的半径。从Gibbs-Thomson定律（3）可以推断出，r是在温度T低于融点温度Tm时冰晶体能传播的最小通道的半径。因此，所有半径大于r的在中给定的温度T下都将冻结。 标准的法提供确定孔隙入口径大于r的累积体积分数的方法，利用文献[18]中的数据，图1三种不同硅含量的砂浆函数1–S(r)从初饱和水泥浆开始，在温度T保持冻的液体体积SL, SL可以由下式导出 图1. 对图给定的三种砂浆饱和SL和降温ΔT=Tm?T的。为了这个定使用了以下值：零接触角和γCL=0.0409 JM?2 [19], 在T=Tm=273 K 时Σm=1.2MPa K?1 [20]。值得注意的是SL–ΔT曲线的定仅需要知道累积孔隙体积函数1?S(r)而不需要进行进一步的冻融。然而，SL–