混凝土中氯盐传输的三维细观模型

为研究真实混凝土中氯盐的传输过程,采用X-ray CT测试技术,原位重构了混凝土三维骨料分布与孔隙结构,建立了混凝土的三维细观数值模型;考虑界面过渡区(ITZ),并基于Fick第二定律,研究了氯离子在混凝土中的三维传输规律,同时通过电子探针技术验证了模型的准确性.研究表明:骨料表面的凸起及凹陷处对氯离子等值线的疏密、形状及扩散方向均有很大影响;不规则骨料增加了流线迂曲度,而ITZ的存在导致骨料周围形成快速传导路径,加快了氯离子的扩散速率.     

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。     

荷载裂缝对混凝土中氯离子扩散的影响

混凝土结构中的荷载裂缝会缩短氯离子向钢筋表面传输的路径,导致钢筋局部脱钝起锈。采用二次加载法制作了8个带有自然开裂裂缝的普通混凝土(CO)和掺加矿粉混凝土(CS)试件,在恒温、盐水浸泡条件下进行开裂混凝土中的氯盐传输试验。将硝酸银显色法和电子探针扫描技术分别应用于定位裂缝周围区域氯离子的分布范围和测定氯离子浓度。结果表明,带有自然开裂裂缝的混凝土试件可用于非稳态氯盐传输试验;裂缝中氯离子浓度存在梯度,裂缝宽度增大浓度梯度变小;而缝宽增大会导致裂缝深度增加,因此对氯离子扩散的影响提高;混凝土中掺加矿粉有利于抑制氯离子的传输,对提高混凝土结构服役寿命有利。研究成果可为建立更加准确的开裂混凝土氯离子传输模型提供参考。     

混凝土中氯离子-硫酸根离子耦合传输模型研究

海水中同时具有丰富的氯离子和硫酸根离子,处于海洋环境下的混凝土实际上遭受氯离子和硫酸根离子的复合侵蚀。通过同时考虑硫酸根离子化学反应的填充效应对氯离子在混凝土中传输过程的影响,以及氯离子与水化产物的化学结合对硫酸根离子在混凝土中传输过程的影响,建立了混凝土中氯离子-硫酸根离子耦合传输模型,并基于试验数据对模型进行了验证。分析表明,与不考虑离子间相互影响的单一离子传输模型相比,建立的氯离子-硫酸根离子耦合传输模型的计算结果与试验结果更为接近,能更好地表征混凝土中遭受氯离子和硫酸根离子复合侵蚀的过程。     

干湿循环状态下PHC管桩中氯离子的传输研究

设计了管桩的加速腐蚀试验,研究了裂缝和预应力对氯离子传输的影响,并采用数值模拟手段进行对比,结果表明,管桩中氯离子浓度分布呈近似对称的U形;裂缝的存在增大了氯离子的传输速率;而PHC管桩的预应力能够有效地抑制氯离子在混凝土中的传输,其效果在预应力筋附近最为显著;通过合理选择模型参数,数值模拟能较好地反映管桩中氯离子传输的基本规律。     

非饱和混凝土中氯离子传输机理

基于Fick第一定律和质量守恒定律,在水的质量守恒方程中考虑对流作用引起的水的改变量,建立了扩散和对流完全耦合的非饱和状态混凝土中的氯离子传输理论模型;采用交替方向隐式有限差分法(ADI)对传输控制方程进行数值求解,与Ababneh等提出的氯离子传输理论模型以及美国道路与运输协会的试验数据进行了对比.另外,基于物质守恒定律,通过定义容量矩阵、传递矩阵和氯离子通过率向量,并与瞬态热平衡方程中的各参量进行等效,给出了基于ANSYS热分析模块模拟非饱和状态混凝土中氯离子传输的数值方法.结果表明,所提出的非饱和状态混凝土中氯离子传输理论模型与美国道路与运输协会的试验数据之间的吻合程度要比Ababneh模型更好,但2种传输理论模型与试验数据之间的差距都非常小.因此,考虑对流作用引起的水的改变量对于实际工程不会起到太大影响,但能更好地与氯离子传输的物理过程相吻合,有助于完善非饱和状态混凝土中氯离子传输的理论体系.基于ANSYS的非饱和状态混凝土中氯离子传输模拟方法的精度不如氯离子传输理论模型高,但计算代价较小,适用于实际工程.     

干湿循环下混凝土氯离子传输模型研究

在混凝土结构耐久性设计中,水位变动区通常被认为是最为关键的区域。首先从干湿循环下氯离子传输机理出发,考虑环境温度影响以及干燥过程和湿润过程水分传输差异,推导出了干湿循环状态下氯离子传输模型。其次设计出模型的有限体积算法,编制Matlab程序进行求解,利用该程序分别对暴露在海洋环境潮汐区3年混凝土结构中氯离子浓度分布进行了模拟计算,并与文献中的试验数据进行了对比,结果表明:所提出的干湿循环状态下的氯离子传输模型可以较好地模拟出潮汐区混凝土中的氯离子传输,由于考虑了全年环境温度周期变化以及干燥过程和湿润过程水分传输的差异,研究模型得到的计算结果较忽略这两方面影响得到的结果与文献中的试验数据更加吻合。     

非饱和混凝土氯离子传输模型研究综述

在非饱和氯盐侵蚀环境中,混凝土结构受到干湿交替作用其钢筋锈蚀往往较为严重。主要对非饱和状态下混凝土中氯离子的传输机理进行了归纳总结,重点分析介绍了非饱和混凝土中氯离子传输模型,并指出各传输模型的优缺点和适用性,为建立完善的非饱和状态下混凝土中氯离子传输模型提供参考。     

细观层次混凝土动态性能的影响因素研究综述

混凝土是三相复合材料,其宏观力学特性与界面过渡区(ITZ)有关。本文总结了ITZ力学性能的试验与数值模拟研究现状,并就ITZ影响混凝土宏观动态力学性能的参数进行了归纳。结果表明,由于缺乏ITZ动态力学性能的试验数据,目前基于细观数值模拟技术研究混凝土试样动态力学性能的成果均是在一定假设条件下开展的。然而,这些假设条件的可靠性有待相应试验数据的验证。经过对ITZ的几何和力学影响因素的总结,指出针对ITZ影响混凝土宏观动态力学性能问题中尚待深入研究的内容。     

碱激发混凝土抗氯离子侵蚀性能的数值研究

综合考虑碱激发粉煤灰/矿渣（AAFS）混凝土的孔隙率影响、氯离子结合作用和多种离子间电化学耦合效应,在细微观尺度下建立多相多离子传输模型,并通过第三方试验对模型的可靠性进行验证.基于该模型,开展了粉煤灰/矿渣比和激发剂模数对AAFS混凝土抗氯离子侵蚀性能影响的数值研究.结果表明：较低的粉煤灰/矿渣比可明显提高AAFS混凝土抗氯离子侵蚀性能,这归因于其对降低孔隙率的贡献;激发剂模数为1.00时AAFS混凝土抗氯离子侵蚀性能最佳,过低或过高的激发剂模数均会增加氯离子在混凝土中的渗透深度.     

带裂缝混凝土内氯离子的输运规律

通过分析带裂缝混凝土内的氯离子扩散系数,建立了裂缝处氯离子扩散的数值理论模型,借助有限元数值分析的方法,模拟了带裂缝混凝土内氯离子在的输运过程,主要考察了裂缝特征参数对氯离子扩散过程的影响。数值模拟结果表明,裂缝的存在对氯离子在混凝土中的传输有一定影响,裂缝周围的氯离子浓度明显高于无裂缝混凝土中的氯离子浓度,与裂缝的距离越大,截面上的氯离子浓度越低,而裂隙频数的增加,加强了氯离子在混凝土中的扩散过程;裂缝的宽度、深度及侵蚀时间对氯离子在混凝土中的扩散有一定的影响,其中裂缝宽度的变化比较敏感,随着侵蚀时间的增加,氯离子的浓度随裂缝宽度的增加而增大;当裂缝宽度介于上下限值之间时,裂缝深度的变化对氯离子浓度的影响的不敏感,裂缝深度的变化在裂缝宽大于上限值时,对氯离子的浓度分布影响较大。     

氯盐环境作用下的混凝土耐久性研究

首先从氯离子侵蚀混凝土传输的机理、扩散机制、对流机制、渗透机制、毛细吸附作用和迁移机制进行了研究;其次从氯盐侵蚀速率常用的两个计算模型Fick定律计算模型、Darcy定律的计算模型进行研究;最后从试验角度论证了混凝土微环境对氯离子侵蚀的影响规律,证明了:混凝土微环境温度升高,提高氯离子活跃度,使氯离子运动速度加快,加速侵蚀混凝土。混凝土微环境相对湿度(空隙水饱和度)提高,在温度不变的情况下,混凝土空隙水分增多会减小阻止氯离子传输能力,加速侵蚀混凝土。并对其他影响因素进行了浅析研究。     

沿海钢筋混凝土结构腐蚀全过程数值模拟

沿海钢筋混凝土结构的氯离子腐蚀全过程可分为3个阶段——氯离子侵蚀阶段、钢筋电化学腐蚀阶段和保护层开裂阶段.利用COMSOL软件,将3个腐蚀阶段进行耦合,建立混凝土腐蚀全过程的综合数值模型,并对某海湾大桥一桥墩进行数值模拟.结果表明:该模型可有效模拟沿海混凝土的腐蚀过程,得到氯离子侵蚀、腐蚀产物分布和混凝土裂缝开展等重要信息,并可对结构耐久性进行预测.     

海洋潮汐区混凝土中氯离子传输过程的试验室模拟方法

Cl-侵蚀是造成混凝土内钢筋锈蚀的主要原因,研究混凝土中氯离子侵蚀过程的试验室模拟方法是进行氯离子侵蚀过程研究的重要条件。本文通过实际海洋工程潮汐区和水下浸泡区氯离子传输过程的对比试验,揭示了干湿循环条件下氯离子在混凝土中的传输速率远大于饱水混凝土内外浓差引起的氯离子扩散速率,从而证明传统的浸泡试验方法无法用来预测干湿循环条件下氯离子传输速率,并在此基础上提出了实际海洋工程潮汐区氯离子传输过程的模拟试验方法,试验证明氯盐溶液喷淋—风干循环加速试验的氯离子传输机理和实际海洋环境潮汐区相同,是模拟海洋潮汐区的氯离子传输过程非常有效的方法。     

冻融循环下海工预应力混凝土结构的耐久性

从冻融与氯盐侵蚀机理出发,分析了影响预应力混凝土结构耐久性的主要因素;通过试验,测定了不同冻融条件下的氯离子扩散深度.以预应力混凝土氯离子扩散模型为基础,综合考虑冻融损伤、氯离子扩散系数的时间依赖性等因素,建立冻融条件下预应力混凝土结构氯离子扩散模型,并采用Crank-Nicholson格式差分进行数值模拟,运用实测数据验证了模型的正确性.结果表明:冻融循环是引起混凝土破坏的动力;应力水平加速了混凝土的损伤与劣化过程;水化龄期的选取对提高氯盐侵蚀下的混凝土结构耐久性起着非常重要的作用.     

混凝土圆柱中氯离子扩散的数值分析

为了更好地理解氯离子在混凝土中的扩散机制,运用有限差分法,对混凝土圆柱在氯盐环境下服役时的氯离子扩散过程进行数值模拟,模型同时考虑了混凝土圆柱表面氯离子浓度和柱内氯离子扩散系数的时间依赖效应,得到了氯离子在混凝土圆柱截面内随时间变化的浓度分布云图。结果表明:为延长服役寿命,工程实践中可以考虑适时更换钢筋外侧的混凝土保护层,混凝土保护层的更换会产生结构内氯离子浓度的重新分布,可通过减小钢筋附近的氯离子浓度来有效延长结构服役寿命,数值模拟的结果对混凝土结构中钢筋的布筋位置具有指导意义。     

持续荷载下混凝土的氯离子扩散性能研究

基于实际海洋环境暴露条件,研究了力学荷载作用下混凝土中的氯离子扩散性能.以Fick第二定律理论为基础,用误差函数对混凝土中随深度变化的氯离子含量分布进行了曲线拟合,从而得到氯离子表现扩散系数,并以此表征氯离子在混凝土中的传输性.分析了氯离子的扩散系数与原材料、配合比、暴露环境以及力学荷载间的关系.结果表明,力学荷载对海洋环境下混凝土中的氯离子传输性能有显著影响,在利用氯离子扩散模型预测暴露海洋环境下混凝土结构的使用寿命时,需要考虑荷载因素的影响.     

北部湾海域混凝土结构中氯离子扩散模型研究

混凝土结构的耐久性和服役寿命长期以来一直是一个备受关注的问题,特别是暴露于氯盐环境下的混凝土结构,氯离子的侵蚀就成为影响混凝土结构耐久性的主导因素,因此搭建合理的氯离子扩散模型研究氯离子的扩散规律是研究氯盐环境下混凝土结构耐久性和服役寿命的关键性问题。通过对防城港、钦州港和铁山港三个码头的混凝土结构取样研究,在综合考虑胶凝材料、温度、湿度胶凝材料、混凝土结构养护龄期、暴露氯盐环境龄期、水灰比、结合氯离子等因素对混凝土结构中氯离子扩散系数影响的情况下搭建氯离子扩散模型,并与Life365模型和LNEC E465模型进行对比分析,发现文中所搭建的氯离子扩散模型更加准确反映北部湾氯离子在混凝土内部的传输特性。     

对流与扩散耦合作用下氯离子传输机理研究

干湿循环作用下氯离子在混凝土中的传输过程实质上是非饱和状态下混凝土中水分渗流和氯离子传输的耦合作用.通过试验方案设计,先令氯离子在混凝土中一维扩散,进而在混凝土的氯盐暴露面的对立面进行吸水,使水在混凝土中朝着与氯离子扩散方向相反的方向传输,带动氯离子向相反方向迁移,进而得到氯离子分布曲线.通过与自由扩散下的氯离子分布曲线相对比,得出反向对流作用下氯离子在混凝土中的迁移规律.试验结果表明:由于对流作用,氯离子在混凝土试件浅层3mm区域有一定的累积效应,但未出现明显峰值,且随着吸水时间的延长,这种效应在降低;在混凝土浅层6mm区域内,对流作用对氯离子含量的影响高于自由扩散情况,但在混凝土内部较深区域,两者对氯离子含量的影响并无太大区别.     

ITZ形成机制及其对混凝土力学性能与传输性能的影响

界面过渡区被认为是混凝土的薄弱环节,对混凝土的性能有较大的影响。针对界面过渡区结构和性能特点,综合国内外的研究成果,根据混凝土的成型和水化硬化过程,探讨了界面过渡区的形成机制。从混凝土的强度、弹性模量以及断裂力学性能等3个方面,综述了界面过渡区对混凝土力学性能的影响,并论述了其对混凝土传输性能的影响。通过加入辅助性胶凝材料改善界面过渡区的孔结构和分布,同时选取适宜的骨料、W/C等可以改善ITZ与基体之间的性能差异,减少ITZ对混凝土力学性能的不利影响。