修正的氯离子在混凝土中的扩散模型及其工程应用

通过参数定义对Fick定律的假定进行修正,推导氯离子在混凝土中扩散的多因素修正模型,综合考虑氯离子扩散系数的时随效应、混凝土的氯离子结合能力和混凝土自身缺陷对扩散过程的影响.经分析试算,给出模型中参数的取值.利用修正的扩散模型,推导定值法、基于概率性能和基于时变可靠度的混凝土结构工作寿命预测方法,并采用上述方法对一在建的实际工程进行寿命预测.结果表明,基于时变可靠度的预测方法不仅可以考虑氯离子扩散系数及混凝土保护层厚度的随机特性,而且可以方便地考虑环境变量的随机特性,通过调整目标可靠度得到的预测结果与定值法和基于概率性能的预测方法的结果相吻合.     

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。     

地下工程混凝土结构高温作用后服役寿命预测

采用扫描电子显微分析、X射线衍射分析研究了不同温度作用后,混凝土内部形貌和物相组成变化;采用NEL法研究了温度作用对氯离子扩散系数的影响;在此基础上,分别采用多因素作用下的混凝土氯离子扩散理论模型和碳化残量模型进行高温后结构服役寿命预测.温度作用3 h,基于氯离子扩散系数的服役寿命预测结果表明:200 ℃时服役寿命无明显变化,300 ℃、400 ℃时服役寿命约降低60%、90%左右;基于碳化的服役寿命预测结果表明:200 ℃时服役寿命无变化,300 ℃时服役寿命降低72.4%;400 ℃以上时,服役寿命为0.     

胶州湾海底隧道衬砌混凝土服役寿命预测

胶州湾海底隧道是中国自行建造的第2条海底隧道,其设计服役寿命为100a。分析了海底隧道衬砌混凝土的服役环境,建立了综合考虑氯离子扩散、碳化和弯曲荷载影响的服役寿命预测模型。调查了海底隧道现行施工里程的混凝土耐久性关键参数,建立了海底隧道混凝土氯离子扩散系数与回弹强度间的函数关系,通过预测模型计算了混凝土中氯离子随时间的演化规律及衬砌混凝土服役寿命。结果表明：隧道衬砌混凝土的保护层厚度波动值-4（-6）～＋15mm,标准养护衬砌混凝土氯离子扩散系数均值为2．1（2．7）×10^-12m2／S,混凝土中初始氯离子浓度小于0．35kg／m3。隧道衬砌混凝土氯离子扩散系数与回弹强度呈线性函数关系,施工里程内氯离子扩散系数波动为1．5～3．5×10^-12m2／S。基于模型计算,胶州湾海底隧道左右线衬砌混凝土的服役寿命均超过100a。     

圆形截面混凝土中的自由氯离子含量分布规律

目的研究圆形截面混凝土构件中自由氯离子含量分布的预测方法和含量分布规律，为混凝土结构的耐久寿命评估提供可靠的方法，为基于耐久性的结构设计提供理论依据．方法基于导出的氯离子在圆形截面混凝土中的扩散传质方程，结合算例。用有限差分法求解方程，研究自由氯离子含量分布规律、结果对于小尺寸圆形截面构件，计算结果与基于Fick定律的一维扩散方程预测值有显著差异．圆形截面钢筋混凝土构件的耐久寿命与保护层厚度同截面半径的比值有关．结论得出了各种因素对自由氟离子含量分布的影响规律，基于Fick定律的一维扩散方程应用于小尺寸圆形截面时有较大误差，圆形截面构件钢筋锈蚀开始时间受截面曲边效应的影响．     

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。     

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。     

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。     

基于耐久性极限状态的预应力混凝土构件全寿命维护成本优化研究

现行混凝土结构耐久性设计规范指出,与普通钢筋混凝土构件不同,预应力混凝土构件以预应力筋表面区域氯离子浓度达到临界阈值作为耐久性极限状态。针对预应力混凝土简支梁构件维护决策问题,结合已有模拟氯离子侵蚀进程的扩散模型,利用蒙特卡洛抽样及多项式拟合方法,建立预应力混凝土构件可靠度时变计算公式。进一步,采用虚拟役龄表征构件的耐久性状态,考虑质量检测工作精度、预防性防护、必要性维修等影响因子,建立基于全寿命成本理论的树形分析模型。通过计算不同预防性防护、检测周期、总维护寿命等多种工况下构件的可靠度和维护成本,与分别基于时间和可靠度指标控制的两类维护方案对比,表明本文提出的模型能在满足构件可靠度要求的前提下,提供更为合理的全寿命维护方案,为预应力混凝土构件的加固维护提供参考。     

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.     

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。     

面层厚度对梯度结构混凝土扩散性能的影响

为了研究面层厚度对梯度结构混凝土(gradient structural concrete,GSC)扩散性能的影响,制备了4种不同厚度的GSC试件;通过海洋环境模拟试验及氯离子分布测试,拟合出GSC的氯离子浓度扩散系数,以研究面层厚度、曝露时间对扩散系数的影响;基于相似性原理,借鉴复合材料中二元串联结构热扩散系数模型,建立了考虑面层厚度变化的GSC的氯离子扩散系数时变模型.结果表明:GSC体系的氯离子扩散系数随面层厚度的增加而下降,并且逐渐趋于平缓;GSC体系氯离子扩散系数则随曝露时间的延长而减小,最后也趋于稳定.     

混凝土氯离子扩散系数预测的两步解析法

针对现有混凝土氯离子扩散理论模型的不足,提出了混凝土氯离子扩散系数预测的两步解析 法．将混凝土看成一种是由骨料、水泥石基体和界面组成的三相复合材料,基于非均匀界面模型,估 算出水泥石基体和界面的水灰比、水化度和氯离子扩散系数,然后根据微分有效介质方法,提出了 混凝土氯离子扩散系数的简单解析解．做了一组混凝土氯离子扩散试验,通过与试验结果比较初步 证实了所提出的两步解析法的有效性．最后通过敏感性分析量化了影响混凝土氯离子扩散系数的 两个主要因素,结果表明：随着水灰比增大或骨料体积分数减小,混凝土氯离子扩散系数增大．     

混凝土灌注桩中混含硫酸盐的时变分布规律

硫酸盐环境下,为模拟混凝土灌注桩施工时混入的硫酸盐在桩中的时变分布行为,基于Fick第二定律并结合初始条件与边界条件,应用分离变量法,建立硫酸盐在桩中的时变分布模型。通过算例将本文解与传统解进行比较,并进一步探讨了硫酸盐扩散分布的影响因素和影响规律。结果表明,传统解用于分析混凝土灌注桩桩中硫酸盐扩散有局限性,而本文解相对于传统解具有一定的优势。混凝土灌注桩半径越小,应用传统解分析灌注桩中硫酸盐时变分布误差较大,同时,误差随时间增大。硫酸盐在混凝土灌注桩中的时变分布呈沙漏形,沿半径方向x=0处和桩表面处扩散行为明显,在x=0处附近区域,初始第一年扩散速率较快,在后续的50 a内扩散速率显著减小,但每10 a的平均速率基本相同。扩散系数和初始浓度梯度对硫酸盐在混凝土灌注桩中的时变分布影响较大。     

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。     

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。     

粉煤灰和矿渣对表观氯离子扩散系数的影响

采用自然扩散法测定了普通混凝土、粉煤灰混凝土和矿渣混凝土在高浓度的氯盐介质中浸泡180 d后的自由氯离子浓度分布,定量探讨了粉煤灰和矿渣掺量对混凝土氯离子扩散系数的影响规律.结果表明:混凝土的氯离子扩散行为能较好地符合Fick第二扩散定律,而且粉煤灰、矿渣混凝土的表观氯离子扩散系数较普通混凝土要小.进一步分析发现,混凝土的表观氯离子扩散系数与粉煤灰、矿渣的掺量之间符合一元二次多项式关系.     

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.     

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.