混凝土中氯离子随机时变扩散过程及浓度分布

鉴于海洋混凝土结构的材料特性及环境因素具有随机性和时变性,在混凝土的氯离子扩散模型中引入氯离子扩散系数和表面氯离子浓度时变函数.采用高斯随机场描述混凝土的氯离子扩散系数的随机特性,然后在以局部平均法离散该随机场的基础上,研究建立了混凝土中氯离子随机时变扩散分析的摄动随机有限元法（SFEM）,并推导了氯离子浓度均值和协方差的计算表达式.通过与试验值和Monte Carlo有限元法（MCFEM）的比较,验证了SFEM具有较高的计算效率和精度.算例分析表明：氯离子扩散系数的随机时变性对混凝土中氯离子扩散过程具有显著影响;对于长期服役的混凝土结构,混凝土表面氯离子浓度时变性对氯离子扩散过程的影响可以忽略.     

自然扩散法预测感潮环境下混凝土氯离子侵蚀

通过对自然感潮环境下混凝土的自由氯离子浓度分布的分析,研究了既有混凝土氯离子侵蚀的特征及扩散特性,采用室内自然扩散法进行了模拟扩散试验,并根据Fick第二定律和Monte Carlo法分析了既有混凝土和试验混凝土的扩散参数及钢筋初始锈蚀时间.结果表明:自然环境下混凝土的氯离子侵蚀存在明显的对流区,自然扩散法的氯离子扩散系数大于自然环境下2个数量级,模拟混凝土中钢筋表面的自由氯离子浓度是自然环境下实际浓度的2倍,钢筋初始锈蚀时间是实际的240倍.     

随机有限元法分析混凝土中氯离子随机扩散规律

氯离子随机扩散分析是海洋混凝土结构可靠性和服役寿命的基础。利用局部平均法,将混凝土的氯离子扩散系数随机场离散为一组随机变量,利用Taylor级数将氯离子分布矩阵、扩散矩阵和节点浓度向量进行摄动展开,建立了氯离子扩散分析的随机有限元法递归方程,据此分析氯离子随机浓度的均值和变异系数,并研究了氯离子在混凝土中随机扩散的规律。通过算例比较分析,表明了所建立的摄动随机有限元方法具有较高的计算精度,而且计算结果对随机场的相关结构不敏感。验证了氯离子扩散系数的变异性对氯离子扩散过程具有显著影响。     

硬化水泥浆体中Cl-扩散系数测定的计时电位法

提供了一种测量水泥浆体中氯离子扩散系数的新方法--计时电位法.这种方法是基于浆体内部孔溶液的电化学反应产生浓度梯度并导致扩散的原理,方法简便有效,结果正确可靠.     

硫酸根离子对带裂缝混凝土中氯离子扩散性能的影响研究

通过单一氯盐溶液、氯盐-硫酸盐混合盐溶液中带裂缝混凝土的浸泡试验,研究了裂缝、硫酸根离子的存在对氯离子在混凝土中扩散性能的影响。试验中先测定混凝土中的总氯离子含量的分布规律,再使用电通量法来评价氯离子扩散性能,然后运用XRD测试方法对混凝土试验前后微观组成的变化进行了分析。结果表明,裂缝能够扩大氯离子扩散系数,离裂缝越近,总氯离子含量越高;硫酸根离子能够降低氯离子在混凝土的扩散性能;XRD图谱所反映的混凝土内部固相组成演变规律同样验证了上述裂缝与硫酸根离子对氯离子扩散系数的影响。     

基于非球形颗粒水化堆积的水泥浆氯离子扩散系数预测

为深入研究水泥浆体中氯离子的扩散性能,更好地考虑水泥颗粒形状特征带来的影响,建立了基于非球形颗粒水化堆积的水泥浆水化模型,通过第三方试验充分验证其可靠性后,明确了长细比对水化度和孔结构特征的影响;将First-passage理论应用于所建立的水泥浆水化模型,提出了综合考虑内、外水化层和未水化层扩散特性的布朗运动算法,并通过对比氯离子扩散试验数据对其可靠性进行了验证;利用建立的布朗运动算法分析了长细比对水泥浆氯离子扩散系数的影响.结果表明,本文建立的分析水泥颗粒形状对氯离子扩散系数影响的新方法,可为混凝土耐久性设计提供参考.     

硅烷憎水处理混凝土的氯离子电场迁移模型研究

电场下的氯离子迁移试验常被用来评价混凝土中的氯离子扩散系数及抵抗氯离子侵蚀的能力。研究了硅烷憎水处理混凝土的氯离子电场迁移模型。以往的试验发现忽略普通混凝土中孔隙结构分布对离子迁移过程的影响将导致预测值和试验值不吻合。Stanish等人因此提出了考虑氯离子扩散迁移速度离散性的氯离子电场迁移模型,并较好地预测了试验结果。在Stanish模型的基础上,假设氯离子扩散系数而不是氯离子迁移速度符合对数正态分布,从而简化了氯离子电场迁移模型的理论表达式,并更清晰地反映了混凝土微观结构的随机性,计算结果表明两种假设等价。基于上述理论模型,对于饱水的硅烷憎水处理混凝土试件的电通量试验结果进行分析,证明上述理论模型适用于硅烷憎水处理混凝土试件。分析结果亦表明:硅烷憎水处理过的混凝土的电通量试验结果,只反映硅烷憎水性涂层对混凝土表面氯离子浓度的影响,并不反映憎水处理对内部混凝土的扩散系数的影响,硝酸银显色法并不适用于硅烷憎水处理混凝土的电通量试验。     

氯离子对钢筋混凝土结构的侵蚀分析

氯离子侵蚀引起钢筋锈蚀破坏十分突出,是造成钢筋混凝土结构过早破坏的主要原因之一.分析氯离子进入混凝土中的途径、存在形式和氯离子在混凝土中的扩散模式,考虑温度变化、时间变化、湿度变化以及混凝土内部缺陷特征不同对扩散系数的影响,基于Fick第二扩散定律建立了氯离子在混凝土中的扩散模型,并分析了氯离子表面浓度、氯离子临界浓度和有效氯离子扩散系数的影响因素和确定方法,由此建立的模型可供寿命预测参考使用.     

氯离子在混凝土桩中扩散的解析解

基于菲克第二定律和桩的边界条件,采用分离变量法,得到氯离子扩散方程的解析解。该解析解与基于半无限体边界条件的传统的解析解不同。引用所得计算结果对混凝土桩中的氯离子扩散浓度进行分析,探讨了桩径、扩散系数以及钢筋保护层厚度对氯离子浓度的影响。     

非饱和硬化水泥浆氯离子扩散性能的数值模拟

基于固相分形模型和格子Boltzmann方法,通过数值模拟手段研究非饱和硬化水泥浆的氯离子扩散性能.首先应用固相分形模型来模拟硬化水泥浆的多孔结构,在此基础上采用格子Boltzmann方法模拟相应的氯离子扩散.在固相分形模型中,按照孔隙尺寸分布对硬化水泥浆多孔结构进行逐级饱和来实现饱和度的变化.对比当前数值模拟的结果与经典幂函数型饱和函数的预测结果,发现二者吻合较好,饱和系数的合理取值为4~5.     

Microstructure-based modeling of water diffusivity in cement paste

In view of the crucial influence of water diffusion in cement paste on durability, it is necessary to predict the water diffusivity of cement-based materials. The main purpose of this paper is to present a computational approach to predict the water diffusivity in cement paste. A computer-based cement hydration model HYMOSTRUC3D is used to generate the 3D microstructure of cement paste. The simulated pore structure is compared with the experiments. Based on the generated microstructure, finite element method (FEM) is applied to simulate the diffusion process of tritiated water through the saturated cement paste. In the FE simulation, cement paste is modeled as a three-phase composite material, consisting of capillary pores, un-hydrated cement and hydration products. Un-hydrated cement is considered non-diffusible. The contribution of capillary pore phase and hydrating products phase to the diffusivity of tritiated water in cement paste are taken into account. Finally, the diffusivity modeling is applied for series of hardened cement paste with variations on water-to-cement (w/c) ratio and curing age. The simulations are validated with experimental data obtained from literature. The comparison between simulation and experiments indicate that the simulated and experimental data are of the same order of magnitude. Furthermore, the tendency of simulated relationship (diffusivity vs. w/c ratio, diffusivity vs. curing age) shows a good fit to the experiments.     

硬化水泥浆体的弹性模量预测

应用复合材料细观力学理论及三维微观水化模型,建立了描述硬化水泥浆体弹性力学性质的多相细观力学模型;将水泥浆体中的水化产物、未水化水泥颗粒和水(孔洞)分别视为基体、夹杂及等效介质,计算了水泥浆体在不同水灰比情况下的弹性力学性质随水化程度的演化.该模型所需要的参数为水泥浆体各相矿物组成含量及自身的弹性力学性质.通过与试验结果比较,证明了该模型可以用于预测水泥浆体的弹性力学性质.     

Multi-scale prediction of the effective chloride diffusion coefficient of concrete

The N-layered spherical inclusion theory is applied to develop a multi-scale model to predict the effective diffusion coefficient of chloride ion in concrete. The model treats concrete as four-phase composite materials consisting of matrix phase, aggregate phase, ITZ (interfacial transition zone) and their homogenization phase. With hardened cement pastes characterized by three parameters such as the porosity, tortuosity and constrictivity, the effect of the cement paste microstructures and ITZ on the chloride diffusivity in concrete is taken into account and the porosity distribution function and effective chloride diffusion coefficients of the ITZ are given in the model based on the cement particle distribution characteristics of the ITZ in concrete. To validate the proposed model, the diffusion coefficient of chloride ion by the steady-state migration test is measured on a series of mortar and concrete specimens and good agreement between the model and experiment is obtained. In addition, the model predicts that the chloride diffusivity of concrete composite materials depends on the chloride diffusion coefficient of the matrix and ITZ, volume fraction of the aggregate and ITZ, with the volume fraction of the ITZ influenced by aggregate size distribution, the volume fraction of aggregate and thickness of the ITZ.     

水泥石氯离子扩散系数预测的有限元方法

提出了水泥石氯离子扩散系数预测的二维数值方法。首先，根据混凝土的试验结果给出了水泥石有效孔隙率与总孔隙率关系的经验公式。然后将水泥石看成是一种由固体相和孔隙所组成的两相复合材料，建立了圆形单元细胞。采用推进前沿法尽可能准确地剖分单元细胞，然后应用有限元法获得水泥石氯离子扩散系数的数值解。最后，将数值结果与文献中试验数据进行比较，初步验证了二维数值方法预测氯离子扩散系数的有效性。     

基于电化学阻抗谱的偏高岭土水泥性能研究

利用电化学阻抗谱、压汞法和抗压强度试验研究了偏高岭土(MK)水泥净浆从早期水化到养护28d的性能发展规律,分析了MK水泥净浆的电化学参数随养护龄期的变化规律,提出了1种同时考虑弥散效应和水泥净浆/电极界面扩散过程的等效电路模型,分析了电化学参数与抗压强度、孔结构参数的关系.结果表明:MK能够促进水泥净浆的水化进程;利用等效电路模型得到的MK水泥净浆电荷转移电阻R_(ct1)能够很好地反映MK水泥净浆的抗压性能;MK水泥净浆的孔隙率与电荷转移电阻R_(ct1)、高频区阻抗模数|Z|_1呈负相关关系.     

水泥水化过程的电化学研究（Ⅰ）——氯离子在硬化水泥浆体中的毛细扩散

通过低频下的交流阻抗测量,提供了有效地测量氯离子扩散系数的方法。对毛细扩散的特征进行了探讨,提出根据平行毛细管模型由扩散系数求取等效毛细管半径并据此来描述微结构的方法。根据水泥浆体氯离子扩散系数随是变化可经了解水泥水化过程微结构的变化。     

渗透结晶材料对混凝土裂缝宽度的修复性能

为研究渗透结晶防水材料对混凝土裂缝的自修复功能,采用人为制造裂缝后进行混凝土抗渗的试验方法,结合扫描电子显微镜(SEM)对混凝土的微观结构进行了分析和表征。结果表明,在既定的混凝土和水泥浆配合比下,28d龄期时渗透结晶防水材料对混凝土小于1.0mm的裂缝具有很好的自修复作用。掺加渗透结晶材料的水泥浆与混凝土间的界面结合程度与表面无裂缝的混凝土界面过渡区结构基本相同。裂缝宽度大于1.0mm,水泥浆与混凝土间的界面处空隙较大,混凝土抗渗性能降低。     

Effect of temperature on porosity and on chloride diffusion in cement pastes

This paper is related to the effect of temperature upon the diffusive properties and the microstructural features of cementitious materials. Our experimental studies aim at linking the transport properties to the porosity and the cracks network of the microstructure.

The studied materials were three cement pastes having different water to cement (W/C) ratios (W/C = 0.35, 0.45 and 0.60). Rise of temperature in concrete structures was simulated by heating at different temperatures (45 °C, 80 °C and 105 °C). Evolution of microstructure was essentially characterized by mercury intrusion porosimetry (MIP). Diffusion tests in non-steady-state regime were carried out in order to characterize the diffusive properties. Apparent diffusion coefficients were determined from colorimetric method to follow the ingress of chloride and an analytical solution of Fick’s second law.

Our results showed that rise of temperature induced macroscopic cracking network and modification of pore size distribution. As a consequence, the transport properties were modified by thermal treatment. These modifications were mostly explained by the increase of capillary porosity.     

基于渗流理论的水泥石微结构模型构建

渗流理论是处理随机几何结构最好的理论之一,可对系统的宏观性能进行至少是半定量的描述。通过对水泥石中各相的组成、含量及分布等微结构特征的分析,认为水泥石微结构具有随机几何结构的特征,为此构造了一个基于渗流理论的水泥石微结构模型。模型认为水泥石微结构与其宏观性能的关系是水泥石内各相在其空间内的多色渗流问题。模型的构造为水泥基材料微结构与其宏观性能关系的量化表征奠定了基础。     

硬化水泥石弹性模量预测的分级模拟方法

提出了硬化水泥石弹性模量预测的分级模拟方法.根据水泥石中各组分的几何尺度,将硬化水泥石结构分为两级:第一级由C-S-H和CH组成,第二级由水化凝胶、未水化水泥和毛细孔组成.应用两相复合材料弹性模量的精确解求得低密度、高密度水化凝胶的弹性模量.将三相复合球模型分解成2个两相复合球模型,逐步计算实心、硬化水泥石的弹性模量.分级模拟方法的优点在于以定量的方式将硬化水泥石弹性模量与各组分的体积分数和弹性模量联系起来,为硬化水泥石优化设计提供了理论依据.最后,通过与文献中的实验结果进行比较,初步验证了分级模拟方法的有效性.