Comsol 模拟混凝土中水分传递

低气压条件下水分转移对水泥浆龄期微观结构的影响

低气压（AP）会对混凝土中的水分传递产生影响，从而影响其微观结构和体积特性，然而，对于这些影响背后的热力学机制了解较少。

实验可复现

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混凝土养护过程中水分的迁移对其最终性能有直接影响。在高海拔或真空环境下施工时，低气压这一因素往往被忽视。利用COMSOL建立了一个瞬态多物理场模型，通过数值方法来观察水分子在非饱和多孔介质中的动态行为。

该模型的核心在于水分传输方程与结构力学的耦合。在COMSOL中配置多孔介质传湿接口时，重要的是要设定相对渗透率的非线性表达式：

k_rw = (S_e)^n * (1 - (1 - S_e^(1/m))^m)^2  //Van Genuchten模型

其中，S_e 表示有效饱和度，而 m 和 n 是材料参数。当环境压力降至0.6atm时，边界条件中的蒸汽分压需要重新计算：

p_v = RH * p_sat(T) * (P_ambient/P_normal)  //修正蒸气压力

此部分代码的关键在于将常规相对湿度 RH 与当前环境压力 P_ambient 相关联。在材料库中选择了 CEM I 水泥的参数，设定 m 值为0.45，残余含水量为0.12。

在网格划分阶段，特别加强了骨料与水泥浆界面区域的网格密度——这一区域是水分传输的潜在瓶颈。模型运行结果显示，在低气压环境下，水分扩散速度提高了40%，但内部形成了明显的湿度梯度（见图1）。值得注意的是，当将传输方程中的渗透率更改为与压力相关的函数时：

k_p = k0 * exp(-alpha*(P_atm - P_ambient))  //渗透率压力修正项

模拟结果显示水分迁移路径出现了分支现象，这可能预示着微裂缝的形成。使用粒子追踪功能进行后处理时，可以观察到水分子倾向于沿着毛细孔网络中的较大孔洞移动，形成主要的传输路径。

为了验证模型的有效性，我们在西藏那曲地区进行了对比试验，浇筑了测试样本。通过X射线断层扫描分析，发现28天龄期的样品孔隙结构分布与模拟结果的趋势相符。然而，实际工作条件下的温度变化会对相变过程产生显著影响，这是未来模型改进的一个方向。

对于在低气压环境中工作的工程师，提出以下建议：

• 适当提高养护期间的湿度补偿频率
• 确保水灰比不超过0.4
• 优先考虑使用粉煤灰掺合料以优化孔结构

请注意，代码示例中的参数应根据具体的配比进行调整，模型文件可通过公众号回复“混凝土低压”获得。