《Materials & Design》：Prediction method of volumetric stability and cracking resistance of concrete coupled with moisture and heat based on maturity theory and engineering application
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本文针对现代混凝土在大规模基础设施建设中因水化热释放剧烈、湿度梯度明显而导致的多场耦合作用下体积变形不可控与开裂风险突出的核心问题，研究人员开展了基于成熟度理论与湿-热耦合的混凝土体积稳定性及抗裂性能预测方法研究。该研究首次提出了一套考虑温度与湿度相互反馈的控制方程组，通过引入非常数形式的扩散系数、潜热项和非稳态热源项，建立了湿-热耦合模型，并进一步结合徐变松弛、钢筋约束、结构约束和模板导热特性，形成了涵盖温度场、湿度场、应变场和开裂指数场的多场耦合评估框架。该方法成功应用于大型混凝土基础底板、桥墩承台、大面积长跨边墙及预制管片等工程场景，通过仿真结果与现场实测数据对比验证了模型的准确性与可靠性。研究成果为高精度混凝土裂缝控制提供了新视角，有助于减少不必要的材料消耗和环境影响，对推动可持续发展和资源高效利用具有重要意义。
现代城市建设的宏大叙事中，混凝土无疑是当之无愧的主角。从深不见底的地下空间到高耸入云的摩天大楼，从横跨天堑的桥梁到穿山越海的隧道，这种古老又现代的材料构筑了我们文明的地基。然而，随着建设规模日益庞大，一个看似微小却足以撼动整个结构的隐患悄然浮现——开裂。尤其是近年来，为了追求更高的强度与性能，现代混凝土中胶凝材料用量增加，水胶比降低，导致其早期水化放热异常剧烈，如同在混凝土内部点燃了一座座微型的“火山”。热量积聚带来显著温升，而水分的蒸发与迁移又会产生湿度梯度，在温度、湿度、变形的多重“魔法”作用下，混凝土的体积变形变得难以捉摸，最终演化为不受控制的裂缝。这个问题在大体积混凝土、桥梁墩台、侧墙以及隧道预制管片中尤为突出，严重威胁着工程的安全与使用寿命。传统的预测方法大多基于经验公式或单一物理场模型，难以刻画多场耦合下的非线性时变特征，常常“失之毫厘，谬以千里”。因此，如何精确预测湿-热耦合作用下混凝土的体积演变，并评估其抗裂性能，已成为制约高性能混凝土工程应用的核心瓶颈。
为解决这一难题，来自东南大学材料科学与工程学院的科研团队在《Materials 》上发表了一项突破性研究。他们独辟蹊径，将成熟度理论引入作为参数演化的内核，构建了一套全新的湿-热耦合控制方程及开裂指数预测模型，并成功应用于多项重大工程实践，为混凝土的精准“体检”与“防裂”提供了强有力的工具。
为开展此项跨学科的综合研究，研究人员综合运用了多种关键技术方法：首先是基于等温量热法和阿伦尼乌斯(Arrhenius)方程的热源函数计算新方法，以更精确地模拟实际工程中的水化放热过程；其次，基于质量、能量和动量守恒定律，推导了包含潜热项和非稳态热源项的湿-热耦合控制方程组；第三，利用符号回归(PySR)工具，基于实验数据建立了湿度扩散系数与成熟度、含水率的动态经验关系式，取代了传统的固定参数假设；第四，基于成熟度理论，建立了混凝土弹性模量和抗拉强度随实际温度历程发展的计算模型；最后，将优化的计算模型通过有限元软件(如ABAQUS、COMSOL Multiphysics)应用于实际工程案例（包括大型基础底板、桥墩承台、大面积长跨边墙及预制管片混凝土），并通过现场埋设的智能传感器进行温度、湿度及应变的实时监测，以验证模型的准确性。
研究结果
2. 优化混凝土湿-热耦合抗裂性评估模型
研究人员系统地构建了优化的多场耦合评估框架。
2.1.温度场控制方程：明确了混凝土内部热源主要来源于胶凝材料的水化热，并基于阿伦尼乌斯方程和等温量热数据，建立了考虑温度影响的动态热源函数q(t, T)。
2.2.湿度场控制方程：基于质量守恒定律和菲克(Fick)定律，推导了描述混凝土内部水分迁移的扩散方程，并指出湿度扩散系数D并非常数，而是湿度、温度、时间和空间位置的函数。
2.3.湿-热耦合控制方程：核心创新在于明确刻画了温度场与湿度场的相互反馈机制。温度通过阿伦尼乌斯关系影响湿度扩散系数（式9），而湿度变化（水分蒸发）则通过潜热效应影响温度场（式10），从而建立了强非线性的耦合系统。
2.4.守恒方程：完整给出了描述系统内质量、能量和动量传递的守恒方程组，为数值求解奠定了理论基础。
2.5.应变场计算：基于成熟度理论将实际温度历程转化为等效龄期，分别计算了温度应变和湿度应变。进而，创新性地引入了钢筋约束系数、徐变松弛系数和结构约束系数，共同修正了理论应变，得到了更符合工程实际的耦合有效应变（式25）。
2.6.应力场与开裂指数计算模型：通过有效应变与弹性模量计算拉应力，再与同期的抗拉强度进行比较，定义了开裂指数η（式27）。当η> 1.0时混凝土开裂，0.7 < η≤ 1.0时存在较高开裂风险，η≤ 0.7时基本不开裂。
2.7.关键参数的确定方法：研究提出了一系列创新的参数测定与计算方法，包括基于等温量热和阿伦尼乌斯方程的热源函数计算、基于符号回归的动态湿度扩散系数确定、基于成熟度的弹性模量与抗拉强度发展模型等，确保了模型参数的时效性和准确性。
3. 大体积混凝土基础底板的应用
研究将上述理论框架应用于某大型地下空间工程的C50混凝土基础底板（一次浇筑约31800立方米）。
3.4.关键参数：测得了所用混凝土的热物性参数（导热系数、比热容），并基于实验数据拟合得到了胶凝材料的总放热量Qmax和活化能Ea，建立了弹性模量、抗拉强度与成熟度之间的关系式。
3.5.有限元模拟与现场监测结果对比：
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温度场对比：使用新提出的热源函数（基于等温量热）进行模拟，其预测的温度发展历程与现场监测值高度吻合，预测精度(R2)显著高于传统基于绝热温升转换的“旧方法”。模拟结果显示，在浇筑后28天，混凝土中心最高温度仍可达65.2°C，而表面温度为44.5°C，呈现出显著的内高外低分布。
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应变场对比：基于预测的温度场和成熟度理论，计算了混凝土弹性模量随龄期的发展。进而计算得到的应变变化趋势与工程实际相符。
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开裂风险分析：综合温度场、湿度场、应变场及材料性能发展，计算了底板混凝土的开裂指数。分析表明，在良好的保温保湿养护条件下（现场相对湿度接近100%），该工程底板混凝土的开裂指数被有效控制在较低水平，验证了模型对工程抗裂设计的指导作用。
结论与讨论
本研究成功构建了一套基于成熟度理论与湿-热耦合的混凝土体积稳定性及抗裂性能预测方法。该方法的核心贡献在于突破了传统模型采用常数参数假设和解耦场相互作用的局限，通过动态的湿度扩散系数、耦合的控制方程以及综合考虑钢筋约束、徐变松弛和结构约束的应变计算，实现了对混凝土早期复杂行为的更精确刻画。
研究的重要意义体现在理论与实践两个层面。在理论层面，它深化了对混凝土早期湿-热-力多场耦合机理的理解，提供了一套更为完备和精确的数学描述与计算框架。在实践层面，该方法通过应用于实际的大型基础底板等工程，并与现场监测数据进行了充分验证，证明了其工程适用性与可靠性。它为解决大体积混凝土、高强混凝土等易裂结构的裂缝控制难题提供了新的预测工具和设计思路，有助于工程师在设计和施工阶段更精准地评估开裂风险，优化配合比、养护方案及结构设计，从而避免因过度保守设计造成的材料浪费，或因预测不足导致的结构安全隐患，最终服务于基础设施的长寿命、高耐久和可持续发展的宏观目标。这项研究为混凝土科学与工程领域从经验走向精准预测迈出了坚实的一步。
