随着混凝土科学技术的发展，配制高强超高强混凝土已不再是难题，然而由于混凝土材料耐久性引起的病害问题越来越严重，混凝土的研究已逐步聚焦于耐久性。目前，高性能混凝土(HPC)的研究应用方兴未艾，从其定义来看，不管是美国学者认为的“易于浇筑、捣实、不离析、能长期保持高强、高韧性与体积稳定性，在严酷环境下使用寿命长”，还是日本学者强调的“高填充能力，在新拌阶段不需振捣就能完成浇筑；在水化、硬化的早期阶段很少产生由于水化热和干缩等因素而形成的裂缝；在硬化阶段具有足够的强度和耐久性”，不难看出，体积稳定性是混凝土高耐久性实现与否的重要影响因素，更是高性能混凝土的标志之一。但在混凝土耐久性的研究中，对体积稳定性的重视程度仍然还很不够，在人们的思维中仅将冻融、碳化、碱集料反应、化学侵蚀、钢筋锈蚀等劣化形式看作影响耐久性的主要因素。但随着水泥和混凝土工业的新发展，混凝土从浇筑开始产生的体积变化引起的开裂破坏成为混凝土耐久性的重要导因，而却不能被上述影响因素所概括，实际上就是混凝土材料变形(体积稳定性)问题。而且，因体积稳定性不良产生的裂缝，不论大小，都会使混凝土的渗透性大幅增加，使混凝土各种耐久性能劣化过程更容易进行，对混凝土耐久性极为不利。混凝土的多种变形是与水分损失、温度变化密切相关的。即使是碳化收缩，也是相对湿度的函数。可见，混凝土产生体积变化的主要原因在于环境或混凝土内部温湿度变化产生的内部应力，混凝土变形有着湿热变化本质。 本文围绕混凝土的湿热耦合变形数值模拟的中心问题，从混凝土材料的多孔介质特性及混凝土体积变形的湿、热变化本质入手，研究分析了混凝土多孔介质材料的湿热耦合变形机理及内部湿热传输机理，分析了混凝土内部湿、热传输的理论模型，并推导建立了适用于混凝土材料的湿热祸合传输数值计算模型；提出了混凝土湿热耦合变形数值模拟的方法体系，根据“基于Visual Basic调用Matlab及ANsYS”的策略，编制开发了CTMSoft数值模拟计算软件：计算和模拟了普通混凝土材料在试验条件下的湿热耦合变形，并在实际工程中加以应用，对浅埋湖底隧道主体结构混凝土材料的变形及发展规律进行了数值模拟分析。研究成果一方面为分析预测混凝土变形及其发展规律提供了便捷的手段，另一方面也从理论上丰富了混凝土变形数值模拟的研究，也为从控制体积稳定性方面改善混凝土材料及结构耐久性提供了理论依据。在混凝土湿热传输及耦合变形计算的基本理论研究方面，对混凝土体积稳定性及体积变形的湿、热变化本质、多孔介质混凝土湿热耦合变形机理、湿热传输机理及其相关数理方程进行了深入研究。经过分析总结，明确提出混凝土体积变形有其湿、热变化本质，是材料内部及表面温、湿度状态的反映，无论在混凝土浇筑后早期水泥水化过程中，还是在混凝土结构服役运营期间，温、湿度变化都是影响混凝土材料变形的最重要因素。混凝土是一种典型的多孔介质材料，其内部湿热传输类似于一般多孔介质材料的传输原理及模型，混凝土内部湿传输机理在于蒸汽、液态水的扩散。水蒸汽的传输符合液体扩散原理，也是混凝土湿传输的主要形式。根据混凝土的实际孔结构尺寸，其内部水分扩散应由分子扩散和Knudsen扩散共同作用。这些都为进行混凝土湿热耦合变形数值模拟计算提供了理论依据。 文章在混凝土湿热耦合变形数值模拟计算方面，经过系统研究分析，提出了适用于混凝土的湿热耦合传输方程、“基于多孔介质湿热传输的耦合变形数值模拟计算方法体系”及“基于 Visual Basic调用Matlab及ANSYS”软件开发策略，并通过混合编程实现了《混凝土湿热耦合变形数值模拟计算软件(CTMSoft)》的开发。首先，结合多孔介质湿热耦合传输过程的系统分析及已有的研究成果，提出了考虑相变、Knudsen扩散及内部存在湿、热源情况下的混凝土湿热耦合传输通用偏微分方程(一维)，并对湿、热传输问题的定解条件进行了分析。提出了由求解湿热耦合传输方程的数值解析法、混凝土内部湿度分布的应力转化法、湿热耦合变形模拟的有限元分析法等组成的基于多孔介质湿热传输的混凝土湿热耦合变形数值模拟方法体系，并详细的探讨了各方法的实现过程。根据基于Visual Basic调用Matlab及 ANSYS的软件开发策略，经分析比较及试验性运行检验之后确定了采用Active X自动化技术实现在用户界面调用Matlab；采用Shell函数与APDL命令流结合简单操作实现调用ANSYS的方法；各编程开发工具之间通过中间文件传递参数、输入数据及运行结果。编制开发的CTMSoft可用于实现不同试件尺寸类型、边界条件类型、混凝土湿热物性参数变化与否及环境温湿度变化等情况下的混凝土湿热耦合变形数值模拟分析。利用本文提出的混凝土湿热耦合变形数值模拟方法体系对HUNDT混凝土变形试验、室内干燥收缩试验及湿热耦合变形试验等进行了数值模拟分析，验证了基于多孔介质湿热传输原理的混凝土湿热耦合变形数值模拟方法的有效性。 文章在参数确定及试验研究方面，对数值模拟分析中必需的主要湿热物性参数的确定方法进行了研究，并开展了相关试验。提出了基于硬化混凝土结构及组成的基本热物参数推算方法，解决了常规方法(从混凝土拌合前原材料进行推算)不能反映混凝土凝结硬化过程中的化学反应对其的影响及热物参数随温度的变化事实而存在的弊端。利用差示扫描量热仪测试法(DSC法)对未水化水泥颗粒、硬化水泥浆体的比热容进行了测定，并在此基础上对混凝土比热进行了推定。相关实验及分析结果表明，该方法测定水泥基材料的比热容，具有结果准确、精确度高的优点。不同方法的推算结果与平行平板试验结果的比较分析表明，本文提出的推算方法理论基础更加合理，计算结果更为可靠。对混凝土湿扩散系数的确定方法进行了分析研究，提出了考虑Knudsen扩散的湿扩散修正系数及计算方法，在温度为20℃时，Knudsen扩散系数K<,f>的取值约为0.9271。在混凝土湿热耦合变形数值模拟应用研究方面，结合课题组实际科研项目的研究工作，将湿热耦合变形理论模拟计算应用于实际，对某浅埋湖底隧道主体结构混凝土在实际环境温湿度变化情况下的变形发展进行了数值模拟分析，并与现场实际测试及光纤光栅监测结果进行了比较分析。试验及数值模拟结果表明：距离内表面越近，随环境温、湿度的波动幅度越大，且其变化比实际环境温、湿度变化在时间上有一定滞后；而在隧道外侧的混凝土则变化波动很小；湿度变化曲线与温度变化曲线呈现相对的变化趋势，大约在八、九月份时的较大的湿度变化，应该与混凝土在此时期内的蒸发比较活跃有关。数值模拟与现场实测结果的比较分析发现：模拟值与实混凝土变形随时间的发展走势基本相同，不同时间二者的数值相差很小(不超过30×10<-6>)，比较准确地反映了混凝土在实际环境中的变形发展情况。隧道外侧条件作不同假定时(绝热绝湿或绝湿变温)的模拟结果有一定差别，总体上作绝湿变温考虑时的混凝土收缩值稍大，而前期几乎没有差别。材料和结构参数对隧道混凝土变形影响的计算分析表明，根据单一的参数评价其对混凝土变形的影响规律是不科学的，湿热耦合作用不容忽视；通过涂刷隔热防水层或设置隔热隔湿板的效果并不明显，甚至小于改变湿热物性参数的效果；对墙板底面变形加以限制也不会明显改变混凝土的湿热耦合变形，这也表明文中实际隧道混凝土变形分析中忽略单面受限制的影响并不会造成数值模拟结果的明显偏差。混凝土变形发展规律的数值模拟结果与光纤光栅监测结果是基本一致的，较好地反映了真实结构中混凝土的变形及其发展情况。现场测试结果及数值计算结果也表明：该浅埋湖底隧道主体结构所用混凝土体积稳定性好，受环境条件变化的影响不大，对工程结构的正常使用和耐久性有利。也进一步证实了以混凝土内部及环境的温湿度变化为主要因素研究混凝土的变形、根据基于多孔介质湿热传输理论的混凝土湿热耦合变形计算方法体系进行混凝土湿热耦合变形数值模拟分析的可行性、正确性及准确性。此外，开展了材料参数对混凝土变形影响的数值试验，并借助“等效虚厚度”的概念初步分析了结构参数对混凝土变形的影响。计算分析结果表明，单一改变混凝土某项湿、热物性参数对混凝土变形的影响并无确定的关系，应该分析湿热作用的耦合效应；通过涂刷隔热防水层或设置隔热隔湿板的效果并不显著，甚至小于改变湿热物性参数的效果；对墙板底面变形加以限制也不会明显改变混凝土的湿热耦合变形。