饱和状态下开裂混凝土内的氯离子输运

为得出饱和状态下氯离子在开裂混凝土内的输运规律,将饱和状态分为溶液静止和溶液流动2种情况;同时分别考虑表面氯离子质量分数与氯离子扩散系数的时变性和氯离子在混凝土内的线性结合理论,对前者采用传统的双重孔隙介质模型,对后者则采用二维扩散模型进行分析.基于Fick第二定律得出氯离子在裂缝和开裂附近混凝土内输运的计算方程,并根据裂缝自愈的影响对2种模型进行了修正.分别采用这2种模型对所设计的氯离子在预开裂混凝土试件内的侵蚀进行了计算.对比裂缝附近不同时间混凝土内氯离子质量分数的试验结果表明：短期侵蚀采用2种模型计算的结果均接近于试验值,长期侵蚀采用二维扩散模型能得到更加精确的结果.该结果为氯盐侵蚀下的混凝土结构耐久性设计与评估提供了参考.     

孔隙分形修正的混凝土中氯离子扩散系数

在已有的氯离子扩散理论和孔隙分形理论的基础上,提出小孔的孔轴线分形维数表征氯离子扩散的曲折度、大孔的孔表面分形维数修正孔隙率,并推导得到基于孔隙分形修正的氯离子扩散系数模型。通过分析龄期为14 d和28 d不同配比混凝土的基于孔隙分形的氯离子扩散系数模型的计算结果和快速氯离子扩散试验(ASTM C1202)电通量,发现两者之间有良好的线性关系。采用基于孔隙分形修正的氯离子扩散系数代入Fick第二定律的解析解,对试验后各组混凝土中不同扩散深度的氯离子浓度进行拟合,计算结果与实测值吻合情况较好。     

基于可靠度理论的海工混凝土结构寿命预测

对相关试验研究成果和工程调研数据进行统计分析,讨论了氯离子扩散的影响因素以及海工混凝土结构耐久性寿命的概率特性。结果表明,混凝土保护层厚度、临界氯离子浓度、初始氯离子浓度、表面氯离子浓度、氯离子扩散系数以及衰减指数均服从正态分布,海洋环境下混凝土结构的耐久性寿命服从Weibull分布。在此基础上,采用相应的失效准则,建立了基于可靠度理论的混凝土结构氯离子侵蚀耐久寿命预测模型,并对模型进行了工程验证,预测结果较好地反映了工程实际状况。     

养护湿度对混凝土内氯离子传输的影响

为得出早期养护湿度对混凝土内腐蚀介质传输的定量影响,以氯盐侵蚀为例,从水化度及孔隙率角度分析了混凝土养护湿度与氯离子扩散系数之间的相互关系,建立了不同养护湿度下氯离子扩散系数的计算模型.对制作的普通混凝土及掺纤维混凝土试件采用不同湿度进行养护,然后将试件在Na Cl溶液中分别浸泡60 d和180 d,测试得到的氯离子质量分数表明,早期养护湿度越大,混凝土的表观氯离子扩散系数越小.相对于正常浇水养护,饱水养护可降低氯离子扩散系数10%~20%,而不养护将使氯离子扩散系数增大14%~29%.纤维的加入能减弱不正常养护对混凝土耐久性的影响.最终利用试验数据回归得出了模型中不同材料所对应的参数,给出了不同湿度养护后混凝土的表观氯离子扩散系数计算公式.     

不同环境条件下混凝土构件氯离子侵蚀试验

为研究不同环境条件下混凝土构件氯离子侵蚀劣化规律,开展弯拉应力构件的氯离子浸泡侵蚀试验和无应力构件的盐雾侵蚀试验.基于氯离子质量分数、构件弯拉强度及弯拉应变等测试结果,研究了侵蚀时间、环境温度、应力水平、环境氯离子质量分数及侵蚀方式等因素对氯离子扩散特征和构件抗弯性能的影响.试验结果表明:浸泡环境中混凝土内部氯离子质量分数较盐雾环境高;试件内部氯离子质量分数随腐蚀时间、环境温度、环境氯离子质量分数及应力水平的增大而增大;氯离子扩散系数随应力水平和环境温度的提高而增大;在较低应力水平、较低环境温度和较短的侵蚀时间内,混凝土构件极限弯拉强度有小幅度上升趋势,然后随侵蚀时间的增长而衰减;混凝土构件的极限弯拉应变随各影响因素的增大而降低.研究结果可为钢筋混凝土构件在氯盐侵蚀环境下的耐久性评估及设计提供依据,具有一定工程实际意义.     

混凝土中氯离子时变扩散的边界元分析

氯离子在混凝土中的扩散是一个时变过程。考虑氯离子扩散系数的时间依赖性,将时变扩散系数引入混凝土的氯离子扩散模型中,通过变量代换,给出了时变扩散条件下氯离子扩散方程的基本解,并基于误差函数建立了氯离子扩散场补偿长度理论,分析了散场补偿长度系数的取值,在此基础上建立了时变扩散系数下混凝土中氯离子扩散分析的边界元法。通过算例分析验证了氯离子扩散场补偿长度理论对于氯离子扩散分析的数值方法的合理性,证明了该法具有较高的计算精度和计算效率。     

混凝土材料的细观结构数值模拟与性能分析

在细观上将混凝土看作是由粗骨料、水泥砂浆和界面三相介质组成的复合材料,根据体视学原理并应用蒙特卡洛方法模拟出混凝土的二维圆形骨料分布;应用理论公式计算出界面厚度,并将界面看作是包围在骨料外面的一层圆环,在细观上模拟生成混凝土的三相组成;基于骨料随机模型,应用有限单元法提出了混凝土稳态氯离子扩散系数的计算方法并与试验结果进行了对比。结果表明,该模型用于计算混凝土稳定氯离子扩散系数是有效的。     

感潮河段水工混凝土氯离子扩散性能的时变关系及试验

根据暴露在感潮河口环境下的2种水灰比RC梁的水工混凝土暴露试验,测定了不同深度处的自由氯离子浓度;推导了混凝土氯离子扩散性能与时间关系的一维模型,并依据一维时变扩散模型计算了水工混凝土的自由氯离子浓度.结果表明,一维模型公式可以较好地模拟该环境条件下水工混凝土氯离子的侵蚀,并可预测长期侵蚀时水工混凝土中的自由氯离子浓度.     

混凝土中氯离子-硫酸根离子耦合扩散模型

为了研究混凝土中硫酸根离子与氯离子扩散的相互影响,引入硫酸根离子侵蚀损伤演化理论,分析了硫酸根离子侵蚀对混凝土孔隙率的影响和混凝土孔隙率对氯离子扩散的影响,提出了考虑硫酸根离子影响的氯离子扩散系数。通过菲克定律推导出的一维扩散模型对实验数据进行拟合,确定了待定系数a_D的值,建立了考虑硫酸根离子侵蚀损伤演化的氯离子扩散模型。     

干湿循环机制下碳化混凝土氯离子侵蚀试验研究

海工混凝土结构的水上区部分,长期受到氯离子侵蚀和碳化的双重作用,较之一般大气环境下的混凝土结构,这一区域的混凝土结构更易发生钢筋锈蚀.本文开展了干湿循环机制下碳化混凝土的氯离子侵蚀试验,通过分析氯离子浓度分布规律,扩散系数以及微观结构,深入研究混凝土碳化对氯离子扩散的影响.研究结果表明,碳化反应增加了混凝土内部自由氯离子的含量,减缓了氯离子浓度的衰减,对混凝土的抗氯离子侵蚀性能造成了不利影响.碳化后,低水胶比混凝土的氯离子扩散系数有所下降,而高水胶比混凝土的氯离子扩散系数显著增大.碳化反应对混凝土的微观结构有一定的劣化作用,将会加速有害介质的侵入.降低水胶比可显著提高混凝土的密实度,增强混凝土自身的抗氯离子侵蚀性能,同时可以减轻碳化反应对氯离子侵蚀的加剧.     

干湿循环作用下高韧性水泥基复合材料抗氯离子腐蚀寿命预测

为了预测干湿循环下高韧性水泥基复合材料(ECC)的使用寿命,首先,基于氯盐溶液传输边界条件、氯离子扩散侵蚀边界条件等建立以饱和度和时间为变量的氯离子侵蚀模型;然后,考虑腐蚀龄期、温度、物理吸附、化学结合以及饱和度等因素对混凝土的影响,并对氯离子扩散系数进行修正;最后,结合试验数据模拟氯离子侵蚀过程。试验结果表明,随着干湿循环次数的增加,ECC表层氯离子浓度和氯离子侵蚀深度随之增加;随着腐蚀龄期的增加,钢筋发生锈蚀的范围越来越大。当混凝土保护层厚度为50 mm时,内部钢筋不发生锈蚀的临界年限为7 a。     

预估混凝土氯离子分布的新方法

氯离子侵蚀引起钢筋锈蚀是沿海地区钢筋混凝土结构失效的一个主要原因.目前在应用Fick定律进行氯离子扩散分析时,一般不考虑混凝土对氯离子的固化作用以及扩散系数在服役期间的变化.本文基于Fick第一、第二扩散定律,提出了一种简单而可靠的推算氯离子质量分数的方法.该方法考虑了混凝土对氯离子的线性固化,以及扩散系数在服役期间的变化.根据一个自然环境中对混凝土试件现场氯离子质量分数试验的数值分析发现,混凝土中的氯离子质量分数随服役时间的增加而增加,随扩散深度的增加而减少.氯离子扩散系数是一个随时间、扩散深度和氯离子质量分数变化的变量.     

潮差区、浪溅区混凝土中的氯离子输运模型及仿真研究

潮差区、浪溅区处于干湿交替的复杂环境中,是腐蚀劣化最为严重的区域,直接影响着海工结构的耐久性和使用寿命。为了更好地描述潮差区、浪溅区的氯离子在混凝土中的侵蚀规律,本文采用Hamilton型变分原理建立氯离子的输运方程,结合细观角度,建立了一个有效的孔隙水饱和度的定量计算公式,并引入时间因素和孔隙水饱和度对非饱和状态下氯离子的扩散系数进行修正。利用有限单元法模拟氯离子在混凝土迁移过程,并与实验数据以及水下区氯离子的计算值进行对比验证。结果表明:模型计算结果和实验数据吻合较好,并且符合氯离子输运的一般规律。验证了本文提出的模型可以为潮差区和浪溅区混凝土结构的耐久性设计及服役寿命预测提供参考。     

关于人工气候环境下混凝土梁中氯离子侵蚀规律的研究

在设定的人工气候氯盐腐蚀的环境下,针对两种不同水灰比(质量比)的钢筋混凝土系列梁进行腐蚀试验,同时对同一水灰比的试验梁做腐蚀时间不同的对比研究.试验通过氯盐腐蚀后在钢筋混凝土梁中钻取不同位置的芯样,测定每个芯样不同深度处的自由氯离子质量分数值,并计算各试验梁的扩散系数,从而得出氯离子在混凝土试验梁中的侵蚀规律.结果表明,氯离子在试验梁中侵蚀可分为对流区和扩散区两部分,并且梁的氯离子质量分数和扩散系数都是随着混凝土水灰比增大而增加.     

混凝土氯离子扩散系数预测的三相复合圆—格构模拟方法

提出了混凝土氯离子扩散系数预测的三相复合圆—格构模拟方法.基于骨料分布的体视学分析,给出了界面面积百分数的解析算法.应用能量等效原理,导出了梁单元和连续体氯离子扩散系数之间的解析关系式.将混凝土模拟成三相复合圆,应用格构模拟方法确定每一个梁单元的刚度矩阵,并计算混凝土氯离子扩散系数.在数值方法的有效性得到试验结果的证实后,定量评价了最大骨料直径、界面氯离子扩散系数、骨料级配和界面厚度对混凝土氯离子扩散系数的影响.     

海洋环境中考虑温湿传导耦合的氯离子渗透模型

针对海洋环境中混凝土构件遭受氯离子侵蚀过程的复杂性,完善考虑温湿传导耦合的氯离子渗透模型。该模型的控制方程以及各项参数均充分体现了侵蚀过程中热量传导、水分扩散以及氯离子渗透的交互影响,并根据与侵蚀性海水的接触程度不同区分了四种温湿—氯离子表面浓度的边界条件,提出了一套依据区域宏观环境信息确定局部微环境的方法,从而实现了对该过程的多参数仿真模拟。通过试验实测数据对模型进行了验证,对比模型分析结果与试验数据发现两者吻合度很高,并证实了处于潮汐影响区的混凝土是遭受氯离子侵蚀最显著的部位。     

季冻区盐冻作用下结构氯离子侵蚀耐久寿命预测

为了预测季冻区盐冻作用对预应力混凝土结构耐久性的影响,本文进行了混凝土盐冻损伤、氯离子扩散系数和结构耐久寿命的研究。根据中国季冻区主要城市的环境温湿度和混凝土冻融试验数据,分析了混凝土在盐冻环境下的损伤度;考虑混凝土盐冻循环损伤的影响,建立了预应力混凝土结构中氯离子时变扩散系数模型;采用Monte Carlo模拟分析了四个参数对预应力混凝土结构盐冻环境下氯离子侵蚀耐久寿命的敏感性;使用Matlab中JC算法,预测了盐冻作用下氯离子侵蚀预应力混凝土结构耐久寿命。结果表明:中国华北季冻区结构氯离子侵蚀耐久寿命最短,且混凝土表面氯离子浓度是影响耐久寿命的最敏感参数。     

混凝土氯离子综合机制扩散模型及敏感性研究

为了更深入了解氯离子侵蚀造成钢筋混凝土结构使用寿命缩短的原因,研究了各种因素对氯离子扩散的影响,基于Fick第二定律,推导出考虑综合影响机制的氯离子扩散理论迁移模型,确定了温度、时间以及结构劣化效应和混凝土结合作用与氯离子扩散系数的关系,并对各影响机制的内在相关性和重要性进行了敏感性分析,同时对迁移模型进行了实验和工程验证．     

盐雾环境下疲劳损伤混凝土氯离子扩散性能

针对沿海地区桥梁结构实际服役情况,开展了盐雾环境下弯曲疲劳损伤混凝土的氯离子侵蚀试验研究.研究结果表明:弯曲疲劳荷载对混凝土造成损伤,劣化了混凝土抗氯离子侵蚀性能.氯离子在混凝土中的扩散系数随疲劳损伤变量的增加而增大,并且氯离子在弯曲疲劳受拉区的扩散系数大于受压区.最后引入疲劳荷载影响系数反映疲劳损伤对氯离子扩散系数的影响,拟合得到疲劳荷载影响系数与损伤变量的关系式,为沿海地区桥梁混凝土结构的耐久性研究提供参考.     

混凝土中氯离子扩散数值研究

针对混凝土氯离子扩散系数以及表面氯离子浓度受时间效应的影响,采用COMSLOL有限元软件对氯离子扩散过程进行数值模拟,将预测结果与实测试验结果相比较,验证该方法是一种有效的氯离子扩散分析方法.考虑实际环境中氯离子扩散受时间因素及不同氯侵蚀环境因素影响,分别对不同水灰比及不同龄期下的混凝土氯离子扩散进行模拟,为分析近海和除冰盐环境下结构混凝土中氯离子浓度分布提出了一种新的预测方法.