横向弯曲裂缝对混凝土内氯离子侵蚀作用的影响

分析了横向开裂混凝土内氯离子的侵入机理及其主要影响因素,建立了基于双重孔隙介质模型的修正Fick定律氯离子扩散模型,并对持续加载下的开裂钢筋混凝土梁构件进行了氯盐干湿循环侵蚀试验。试验采用浓度为5%的NaCl溶液,在进行15个干湿循环后,借助快速氯离子含量检测RCT（Rapid Chloride Testing）法,对各裂缝处不同深度的氯离子含量进行了测定。试验结果表明：1）干湿循环侵蚀作用下,开裂混凝土表层0~20 mm范围内氯离子含量出现峰值,故可取表层对流区深度为15~20 mm左右;2）当表面裂缝宽度小于0.3 mm时,等效氯离子扩散系数平稳增大,模型的预测精度较高;当裂缝宽度大于0.3 mm后,等效氯离子扩散系数快速增大,氯离子侵入受对流作用的影响加大;3）受弯开裂混凝土等效氯离子扩散系数的劣化因子与裂缝宽度有直接关系,建议采用二次幂函数或分段函数来进行描述。     

海洋大气中氯离子在粉煤灰混凝土中的传输规律

为了实现海洋大气环境中粉煤灰混凝土耐久性使用寿命的预测,从氯离子在人工模拟海洋大气环境中粉煤灰混凝土中的传输试验出发,结合氯离子在非饱和多孔介质中的传输机理,研究海洋大气环境下混凝土内部微环境（微环境温度和相对湿度）及粉煤灰掺量对氯离子传输速率的影响程度,并与人工模拟海洋水下环境试验结果进行对比分析.研究结果表明：1) 在海洋大气环境与海洋水下环境下,氯离子在粉煤灰混凝土中的扩散模型形式上一致,粉煤灰的掺入对氯离子传输能力有一定的影响,但不会改变氯离子在混凝土中的传输机理.2) 当粉煤灰掺量一定时,微环境相对湿度越高（微环境温度一定）,海洋大气环境氯离子扩散系数越大;但微环境温度(微环境相对湿度一定)对海洋水下环境和海洋大气环境中氯离子迁移的影响程度不同.3) 粉煤灰掺量(微环境温度、相对湿度一定)对海洋水下环境和海洋大气环境氯离子扩散系数的影响规律不同.     

预应力混凝土氯盐侵蚀模型及耐久性分析

针对氯盐环境下氯离子侵蚀预应力混凝土结构这一耐久性问题,介绍了国内外有关混凝土氯盐侵蚀模型的研究成果,分析评价了几种典型的扩散方程,并改进了预应力混凝土氯离子侵蚀模型.以氯离子扩散速度、表面氯离子浓度以及保护层厚度为分析变量建立了耐久性可靠度分析模型.应采取综合措施提高预应力混凝土耐久性.     

引气粉煤灰混凝土的氯离子扩散模型

基于寒冷盐碱地区的工程环境与混凝土的配制特点,以Fick第二定律修正模型为原型,通过试验数据分析和查阅文献取值建立了引气粉煤灰混凝土的氯离子扩散模型,经游程检验法检验,其相关关系显著.扩散模型体现了混凝土的氯离子结合能力、氯离子扩散系数的时间依赖性、混凝土本体结构劣化、以及水灰比、含气量和粉煤灰掺量三个参数对氯离子扩散的影响,扩展了氯离子扩散实际影响因素的范围,增强了适用性,并能显著表征引气粉煤灰混凝土的氯离子扩散性质.     

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.     

缓流水体污染物向沿岸的渗透

采用对流扩散方程并且考虑渗流作用的影响,研究了缓流水体底泥污染物对周围土层的影响。发现污染物在土壤中的质量浓度分布与渗流速度、作用时间、扩散系数等有关。作用时间越长,扩散系数越大,污染物影响范围越大,质量浓度值越高。渗流作用下污染物分布质量浓度有所减小,但运移时间也减小。     

Multi-scale modeling of the effective chloride ion diffusion coefficient in cement-based composite materials

N-layered spherical inclusions model was used to calculate the effective diffusion coefficient of chloride ion in cement-based materials by using multi-scale method and then to investigate the relationship between the diffusivity and the microstructure of cement-basted materials where the microstructure included the interfacial transition zone（ITZ）between the aggregates and the bulk cement pastes as well as the microstructure of the bulk cement paste itself.For the convenience of applications,the mortar and concrete were considered as a four-phase spherical model,consisting of cement continuous phase,dispersed aggregates phase,interface transition zone and their homogenized effective medium phase.A general effective medium equation was established to calculate the diffusion coefficient of the hardened cement paste by considering the microstructure.During calculation,the tortuosity（n）and constrictivity factors（D_s/D₀）of pore in the hardened pastes are n≈3.2,D_s/D₀=1.0×10^-4respectively from the test data.The calculated results using the n-layered spherical inclusions model are in good agreement with the experimental results;The effective diffusion coefficient of ITZ is 12 times that of the bulk cement for mortar and 17 times for concrete due to the difference between particle size distribution and the volume fraction of aggregates in mortar and concrete.     

海洋大气区氯离子在混凝土中的沉积与传输行为研究综述

海洋大气区氯离子对钢筋混凝土的侵蚀行为可分为两个阶段,首先,氯离子在风力作用下附着在混凝土表面,其次,从混凝土表面向混凝土内部侵蚀。基于海洋大气区氯离子对混凝土侵蚀的全过程,对已有研究进行归纳总结,阐述了各影响因素对沉积过程的影响规律。其中,海水含盐量、风速、暴露时间与混凝土氯离子沉积量呈正相关关系,距海岸距离与混凝土氯离子沉积量呈负相关关系;论述了各影响因素对传输过程的影响规律,水灰比越大、暴露时间越长、温度越高、内外湿度梯度越大、碳化越严重越容易形成对流区。目前,针对海洋大气区氯离子在混凝土中沉积和传输行为开展研究多基于单因素,多因素耦合作用下的沉积和传输行为尚需进一步研究。     

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.     

劈裂裂缝混凝土在海洋潮汐区的氯离子传输

研究了不同尺度劈裂裂缝混凝土在海洋潮汐区环境作用下的氯离子浓度分布、氯离子传输以及钢筋锈蚀规律.试验结果表明:劈裂裂缝在制备过程中存在裂缝回复,裂缝宽度应以卸载后位移传感器获得的裂纹宽度值为准.裂缝混凝土氯离子浓度随深度增加而下降,然后在10 mm深度以下形成稳定段.裂缝区域稳定段氯离子浓度随裂缝宽度增加而呈指数函数增加,裂缝周边区域稳定段氯离子浓度则随裂缝宽度增加而线性增加;但与裂缝区域氯离子增加幅度相比,其增加幅度不明显.裂缝宽度大于0.05 mm,30d海洋暴露后混凝土裂缝面氯离子渗透深度近50 mm,沿垂直裂缝面向内平均渗透20 mm左右,钢筋表面锈蚀率快速增加.裂缝混凝土氯离子扩散系数与混凝土抗氯离子扩散能力、裂缝密度(包括裂缝的基体宽度/裂缝宽度)、裂缝对氯离子结合性能密切相关.当裂缝密度小于70时,裂缝混凝土氯离子扩散系数线性增加;距裂缝位置越近,混凝土氯离子扩散系数增加越大;裂缝越宽,其对混凝土影响范围越大.     

Cellular automata-based chloride ion diffusion simulation of concrete bridges under multi-factor coupling actions

In order to accurately simulate the diffusion of chloride ion in the existing concrete bridge and acquire the precise chloride ion concentration at given time, a cellular automata (CA)-based model is proposed. The process of chloride ion diffusion is analyzed by the CA-based method and a nonlinear solution of the Fick’s second law is obtained. Considering the impact of various factors such as stress states, temporal and spatial variability of diffusion parameters and water-cement ratio on the process of chloride ion diffusion, the model of chloride ion diffusion under multi-factor coupling actions is presented. A chloride ion penetrating experiment reported in the literature is used to prove the effectiveness and reasonability of the present method, and a T-type beam is taken as an illustrative example to analyze the process of chloride ion diffusion in practical application. The results indicate that CA-based method can simulate the diffusion of chloride ion in the concrete structures with acceptable precision.     

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。     

The transport properties of concrete under the simultaneous coupling of fatigue load and environment factors

A set of coupling experimental instrument was designed to study the transport properties of chloride ion in concrete under simultaneous coupling action of fatigue load and environmental factors. Firstly the water-saturated performance of modern concrete was investigated, then diffusion performance of chloride ion under different stress levels and different temperature were studied respectively; meanwhile, the time-dependent behavior of the chloride ion diffusion in concrete was also researched. The results showed that the saturation degree of concrete can reach as high as 99%. Besides, diffusion coefficient of chloride ion increased with increasing of the stress level and temperature, and when the stress level and temperature are at 0.6 and 60 ℃ respectively, the diffusion coefficient is 6.3×10-14 m2/s, moreover the diffusion coefficient of chloride ion in concrete decreased with time under the simultaneous coupling action of fatigue load and environment factors.     

凝石混凝土的抗氯离子渗透性能分析

目的研究水泥混凝土与凝石混凝土的抗氯离子渗透性能,为凝石混凝土的广泛应用提供实验依据．方法根据基于离子扩散和电迁移提出的NEL方法测试水泥混凝土与凝石混凝土试件的氯离子扩散系数,从孔结构、界面过渡区域以及氯离子的固化程度等几个方面分析水泥混凝土与凝石混凝土的渗透性能．结果凝石混凝土具有较小的过渡孔隙率、微观界面过渡区域具有较高的硬度,并且与氯离子的结合能力很强,使得凝石混凝土对氯离子具有很好的固化作用．结论凝石混凝土相比于水泥混凝土具有更好地抗氯离子渗透性,可以提高混凝土的耐久性．     

海洋环境混凝土中氯离子浓度预测的多系数扩散方程

综合考虑了影响氯离子扩散系数的时间效应、混凝土的氯离子结合能力、温度、劣化效应、应力与开裂状态、环境条件等因素,对基于Fick第二定律的扩散方程进行修正,得到了预测混凝土中氯离子浓度分布的多系数扩散方程,给出了解析解.通过浸泡试验和暴露试验对预测模型进行验证,发现预测值与实测值吻合较好,证明了预测方程的有效性.     

混凝土真实细观模型的生成及氯离子传输的数值模拟

基于改进的遗传算法和8邻域边界跟踪法,对混凝土断面的数字图像进行处理,得到二值图像并提取粗骨料的边界坐标;根据提取的坐标编写程序,生成浆体集料界面过渡区（ITZ）,得到真实的混凝土细观模型;将得到的混凝土细观模型导入COMSOL软件,模拟海洋水下区氯离子侵入混凝土内部过程,得到不同时刻混凝土内部氯离子浓度云图。研究结果表明：使用的建模和模拟方法所得结果与长期实海暴露混凝土实验结果一致,可以用来研究和评价海洋环境下混凝土的耐久性能;ITZ的存在会加速氯离子向混凝土内部扩散,其厚度越大,扩散过程越快,界面区厚度增大1倍,混凝土表观氯离子扩散系数增大12.3%;对比真实混凝土细观模型与参数化生成的圆形随机骨料模型中氯离子传输模拟结果发现,圆形随机骨料模型中氯离子的浓度总是小于真实细观模型中氯离子的浓度。     

考虑界面过渡区及集料因素的水泥基材料碳化模型

集料和界面过渡区对水泥基材料抗碳化性能有显著影响。基于Fick第二定律,提出一种考虑集料和界面过渡区影响的CO₂扩散模型,模型中首次引入界面过渡区的扩散系数并给出相应参数的计算方法,并基于质量守恒定律给出CO₂反应模型,利用该模型研究荷载作用下C30和C50混凝土中CO₂的浓度分布。结果表明,考虑集料和界面过渡区影响能更准确地计算CO₂在水泥基材料中的扩散系数及碳化深度值。通过与文献中的试验数据进行比较,进一步验证了理论模型的可靠性。模型将集料和界面过渡区作为评价混凝土耐久性的重要因素,为钢筋混凝土结构的设计和寿命预测提供依据。     

定向渗流诱导的非对称冻结帷幕稳态温度场解析解

受水流对流传热以及冻结管热传导叠加影响,渗流场作用下人工冻结帷幕的形状具有明显的非对称性。为解决冻结帷幕形状不规则给冻结温度场计算带来的困难,以直线排布的三管冻结温度场为研究对象,采用分段等效的方法,对该类冻结帷幕的形状进行简化,基于稳态温度场的求解理论,推导得出定向渗流作用下非对称冻结帷幕稳态温度场解析解以及冻结帷幕厚度、平均温度的计算公式。为了对公式的合理性进行验证,自主构建水热耦合物理模型试验系统,并开展不同流速条件下三管冻结温度场演化规律的模型试验。研究结果表明：关键轴线上冻结温度的计算值与试验结果的吻合程度较高,解析解的合理性得到模型试验的验证。冻结帷幕的交圈时间以及非对称系数随着流速的增加急剧增大。当地层中存在渗流场时,冻结温度场变化过程较为复杂,但冻结帷幕的平均温度整体仍然表现出随着冻结帷幕厚度的增加而降低的规律。本文得出的解析解能够实现对渗流场作用下人工冻结温度场较为准确的数学描述,将为大流速渗透地层人工冻结温度场的计算提供参考。     

考虑干湿交替影响的氯离子侵入混凝土模型

干湿交替条件下,含氯离子的海水通过毛细管吸入作用侵入不饱和混凝土,加速了混凝土中钢筋的锈蚀.通过对干湿交替过程的分析,提出了计算毛细管吸入作用影响深度和受影响区边界点氯离子浓度的方法.在此基础上,对F ick扩散模型的边界条件进行了修正,并利用有限差分法对模型进行数值求解.实验证明,该模型较F ick模型更为合理.     

Modeling the Synergetic Effect of Various Factors on Chloride Transport in Nonsaturated Concrete

Diffusion has been systematically described as the main mechanism of chloride transport in reinforced concrete(RC) structure, especially when the concrete is in a saturated state. However, the single mechanism of diffusion is not able to describe the actual chloride ingress in the nonsaturated concrete. Instead, it is dominated by the interaction of diffusion and convection. With the synergetic effects of various factors taken into account, this study aimed to modify and develop an analytical convection- diffusion coupling model for chloride transport in nonsaturated concrete. The model was verified by simulation of laboratory tests and field measurement. The results of comparison study demonstrate that the analytical model developed in this study is efficient and accurate in predicting the chloride profiles in the nonsaturated concrete.