Ползучесть и усадка бетона – это зависящие от времени деформации, влияющие, в первую очередь, на эксплуатационную пригодность, а в некоторых случаях и на безопасность железобетонных конструкций, и с предварительным напряжением, и без него. Усадка, в основном, обусловлена как самовысушиванием, так и высыханием влаги, если бетон подвергается воздействию окружающей среды с более низкой относительной влажностью. Вдобавок и в сочетании с этим, большие и в значительной степени неустранимые деформации ползучести бетона могут вызвать значительные изменения воздействий на конструкции с точки зрения распределения внутренних напряжений, чрезмерных прогибов и потерь предварительного напряжения, а также привести к образованию больших трещин. Все эти эффекты влияют на работоспособность и долговечность конструкций, а также могут влиять на их структурную безопасность.

Для объяснения и моделирования зависящего от времени поведения бетона предложено много моделей. Кроме того, в литературе было представлено несколько методов, упрощающих расчет деформации ползучести конструкций, таких как метод эффективного модуля, метод скорости ползучести, метод коэффициента старения (метод AAEM) и подход, основанный на линейной теории вязкоупругости старения. В последнее время разработаны также более совершенные и продвинутые подходы к детальному численному анализу структурных эффектов ползучести и усадки бетона в сложных, неоднородных и последовательно возводимых конструкциях. Однако зависящее от времени поведение бетона должно быть согласовано с определенной обстановкой в более широких всеобъемлющих рамках, поскольку оно является результатом взаимодействия многочисленных химических, физических и механических процессов, которые являются функциями состава материала и его выдерживания, а также воздействия окружающей среды и условий нагружения.

Природа и масштабы, в которых происходят все вышеупомянутые процессы, представляют собой сложную задачу для численного моделирования. Бетон – гетерогенный материал, состоящий из двух компонентов, имеющих очень большие различия: цементной матрицы и заполнителей. Заполнители, как правило, гораздо более жесткие, менее пористые, и их зависящие от времени деформации на порядки ниже, чем у цементной матрицы. Оставаясь на мезоуровне, эти две фазы создают основную гетерогенность бетона, поскольку в этом масштабе вклад границы раздела матрица/заполнитель, называемой «межфазной переходной зоной» (ITZ), можно условно объединить с матрицей и отличить их от заполнителя, чтобы затем описать основную гетерогенность бетона. Путем отделения заполнителя от матрицы можно непосредственно уловить мезомасштабное взаимодействие на этом уровне; например, когда бетон нагружается при сжатии, мезоструктура испытывает хорошо известный механизм расщепления заполнителей. Мезомасштабные модели способны разрешать напряжения и деформации на таком уровне и могут различать деформации растяжения и сжатия, в то время как макроскопические модели должны усреднять их. Это различие становится очень важным при взаимодействии повреждений и ползучести/усадки, или когда внутренние самоуравновешенные напряжения являются единственным источником нагружения, как, например, при неравномерном высушивании или свободном расширении при прогрессирующей щелочной реакции заполнителя (ASR); в этих случаях макроскопические напряжения равны нулю. Следовательно, макроскопические непрерывные модели должны явно учитывать эти явления на более низком уровне в своих основных (конститутивных) законах.

В литературе существует множество мезомасштабных подходов, основанных на континуальных моделях конечных элементов (FE), на дискретных моделях, таких как классические методы дискретных элементов частиц (DEM). Описаны решетчатые методы и комплексный подход, сочетающий в себе оба вышеприведенных метода и называемый «решетчатой дискретной моделью частиц». Известны сети «жесткого тела – пружины» (RBSN), а также интерфейсные модели элементов с определяющими законами, базирующимися на нелинейной механике разрушения. Только через физическую основу конститутивных подходов может быть преодолена проблема создания надежных моделей прогнозирования, но это по-прежнему требует калибровки в обширной базе данных.

В данной статье впервые будет рассмотрен современный мезомасштабный подход, способный удивительно хорошо представить зависящее от времени поведение бетона. Этот мезомасштабный подход состоит из комбинации мезомасштабной дискретной модели, называемой «решетчатой дискретной моделью частиц» (LDPM), которая является всеобъемлющей моделью бетона. Она представляет внутреннюю структуру (неоднородность) материала с помощью набора крупных заполнителей, которые взаимодействуют на дискретных границах раздела. Модель успешно применялась при моделировании образцов бетона и железобетонных конструкций в различных условиях статического и динамического нагружения. Недавно LDPM была объединена с гидротермохимической (HTC) моделью, что привело к созданию мультифизической платформы, которая позже была расширена для учета связанных деформаций ползучести, усадки и щелочной реакции заполнителя (ASR). В этом контексте деформации ползучести и усадки моделируются на основе дискретного варианта теории микропреднапряжения – твердения.

Наконец, для демонстрации возможностей и уникальных особенностей предложенной вычислительной платформы в статье используются различные наборы экспериментальных данных, имеющиеся в литературе. Поскольку вычислительная платформа состоит из нескольких компонентов, она требует объективной твердой стратегии калибровки множества параметров. В цифровых применениях сначала представляется калибровка каждого компонента модели на основе пригодных для этой цели данных испытаний. Затем выполняется валидация с использованием экспериментальных данных, которые не были использованы для калибровки. Примеры, рассмотренные в статье, относятся к ползучести и усадке при различных гидротермических условиях, влиянию старения на прочность, третичной ползучести и ее применению к анализу времени до разрушения, разрушающему эффекту щелочной реакции заполнителей (ASR) в сочетании с ползучестью и усадкой.