开裂混凝土内氯离子扩散机理及数值模拟研究

初始损伤和裂缝的存在,为氯离子等侵蚀性介质的扩散提供便捷通道,将进一步加速氯离子的扩散,使钢筋混凝土的腐蚀劣化加剧。总结了带裂缝混凝土中氯离子扩散问题的研究成果,重点介绍试验方法以及裂缝参数等因素对氯离子扩散的影响,归纳带裂缝混凝土中氯离子扩散系数的表达式,最后用数值方法模拟混凝土试块在浓度为100mol/m3的氯化盐溶液中的扩散过程,并为氯离子在开裂混凝土中扩散的研究进行了展望。     

混凝土中氯离子扩散过程的细观数值模拟研究

在细观层次上将混凝土看成由砂浆、粗骨料及二者界面组成的三相复合材料,提出了适用于物质扩散的细观格构网络模型(Truss network model),模型中的不同类型单元能够描述混凝土各相组成材料的扩散性能。考虑混凝土对氯离子的结合能力和氯离子扩散系数的浓度依赖性,建立了基于格构网络模型的一维氯离子非线性扩散方程及其有限元方程的离散差分格式。计算结果表明,混凝土对氯离子的结合能力和扩散系数的浓度依赖性对混凝土中氯离子的扩散速度具有重要影响。可以预见,该方法能够方便地应用到开裂或损伤混凝土的物质扩散性能评价中。     

混凝土中氯离子扩散的二维有限元法数值模拟

现今研究者大多利用 Fick 第二定律及其数学模型的解析解对暴露于氯离子环境下的混凝土材料和构件进行一维分析.本研究建立了氯离子在混凝土中扩散的二维有限元数值模型,并将计算结果与解析解、无网格法和试验结果进行了比较.结果表明,与一维有限元方法、无网格法相比,使用二维有限元数值模型可以较好的预测混凝土中不同时间、位置变化的氯离子集聚和扩散情况,特别在角点等几何构造较为复杂的区域.     

涂层混凝土氯离子扩散的修正模型与数值模拟

氯离子侵蚀是影响混凝土耐久性能的主要原因之一,通过在混凝土表面刷涂层的方式可以有效阻止氯离子在混凝土中的扩散。通过MATLAB与COMSOL Multiphysics软件联合仿真,建立三维随机骨料混凝土模型,并在COMSOL Multiphysics中建立涂层模型模拟氯离子扩散的影响。而涂层与混凝土材料完全不同,其扩散系数的推导也不相同。通过建立改进的涂层模型,模拟涂层对氯离子侵蚀混凝土的影响。对比无涂层混凝土,试验周期90～150 d的聚氨酯涂层、聚脲涂层混凝土在0～15 mm厚度范围氯离子浓度下降分别可达97%、96%;而水泥基涂层混凝土氯离子浓度下降75%,证明涂层对阻止氯离子侵蚀混凝土效果显著。对比无涂层及不同涂层模型结果,其模拟值与试验值误差在10%左右,相关系数在0.98以上,扩散模型准确性较高,对后续研究具有一定指导意义。     

开裂混凝土中氯离子扩散的数值模拟

在海洋环境中,氯化物引起的钢筋腐蚀是钢筋混凝土结构耐久性的主要问题之一。混凝土结构中,裂缝的存在为氯离子等侵蚀性介质的扩散提供便捷通道,提出了一种数值方法模拟氯离子在不同几何裂缝特性的开裂混凝土中的扩散过程。开裂混凝土可分为两部分,完整区和裂化区。对于无应力混凝土而言,完整区的扩散系数近似假定与完整混凝土的相同,而裂化区的扩散系数表示为裂缝宽度的分段函数。采用二维有限元方法确定氯离子浓度,研究发现,随着裂缝宽度、裂缝深度和裂缝数量的增加,氯离子侵入将加剧,理论分析结果与实验结果大致相同。     

粗骨料对混凝土氯离子扩散影响的模拟与试验

用数值模拟建立了三维随机骨料模型,分析了不同粗骨料形状、含量、粒径以及多粒径组合粗骨料对混凝土氯离子扩散的影响,并结合快速氯离子迁移系数法进行了验证.结果表明：相同体积粗骨料的形状特征参数越小,氯离子扩散受到的阻碍作用越明显;在一定浓度范围内,氯离子扩散系数随着粗骨料含量的增加逐渐减小;当粗骨料体积分数确定时,氯离子扩散系数随着粗骨料粒径的增加而减小;在相同体积分数下,氯离子扩散系数随着多粒径组合粗骨料粒径数的增加而增加.     

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。     

荷载裂缝对混凝土氯离子扩散的影响

水泥基材料中介质的传输非常复杂.首先采用施加劈裂荷载方式诱导裂缝,然后采用图像分析技术对裂缝进行表征,利用氯盐溶液自然浸泡法研究表面单个裂缝对混凝土材料中氯离子传输性能的影响,结果表明裂缝的存在加强了氯离子在混凝土中的传输,并且氯离子扩散随着裂缝宽度的增加而增加.     

模拟海砂混凝土中氯离子扩散研究

采用3%浓度的NaCl溶液浸泡河砂模拟海砂,选取海砂颗粒周围的凝胶表面作为扫描区域,定量分析了氯离子在砂子近端和远端的含量,结果显示海砂型氯离子存在一个从海砂表面到水泥凝胶的扩散过程,在此基础上提出海砂型氯离子扩散的概念,并结合微观试验结果讨论了扩散过程.     

粘贴加固混凝土氯离子扩散的理论模型和数值模拟

基于物质非稳态扩散理论,采用现有研究对 Fick 第二定律的修正方法,并将粘贴加固考虑为对氯离子扩散方程边界条件的调整,提出可用于粘贴加固混凝土的氯离子扩散理论模型。利用ABAQUS、MATLAB PDE tool、MATLAB 自编程3种方法均可对粘贴加固混凝土梁的氯离子扩散过程进行数值模拟。对比未加固与加固构件的氯离子扩散规律,发现粘贴加固可降低钢筋表面的氯离子浓度值,延缓氯离子浓度到达临界锈蚀浓度的时间,增加材料使用寿命,并且加固时间越早,增加寿命越长。     

海工混凝土氯离子扩散系数的试验研究

针对采用VIVID-500聚羧酸超商船化剂配制的海1=混凝土抗氯离子渗透性能,使用RCM法对黄海大桥各部位混凝土进行试验研究,结果表明现场配制的混凝土氯离子扩散系数满足设计要求;同时研究了不同的水胶比、胶凝用量与氯离子扩散系数之间的变化规律,为今后配制海工混凝土提供参考.     

体积分数对梯度结构混凝土扩散系数影响研究

通过室内氯离子侵蚀加速试验及氯离子分布测试,结合Fick第2定理拟合出梯度结构混凝土（GSC）的氯离子浓度扩散系数,以研究面层体积分数、加速试验龄期对扩散系数的影响;采用压汞技术测试面层材料与结构层材料的孔结构参数,分析氯离子扩散系数与孔结构之间的关系。结果表明：GSC体系的氯离子扩散系数随面层体积分数的增加而下降,并逐渐趋于平缓;GSC体系氯离子扩散系数则随加速试验龄期的延长而减小,最后也趋于稳定;与面层体积分数V=0试件相比,其它GSC试件具有更大的时间衰减系数值,说明其抵抗氯离子侵蚀的能力更好。最后根据相似性理论,建立了考虑面层体积分数变化的GSC氯离子扩散系数时变模型,分析显示,与结构层材料相比,面层材料具有较低的孔隙率及最可几孔径,使得孔的曲折性越大、连通性越低,因而面层材料具有更低的扩散系数。     

确定混凝土中氯离子扩散系数的方法及适用性评价

对当前常用的确定混凝土中氯离子扩散系数的方法进行了简要介绍,指出了各种方法的优缺点,并对获得结果的使用范围进行了评述。     

干湿循环条件下早龄期混凝土氯离子扩散系数研究

通过开展干湿循环条件下混凝土受氯离子侵蚀的试验,对比了标准养护的试件,分析了氯离子的扩散系数,并研究了混凝土的早期抗氯离子侵蚀能力,试验结果表明,干湿循环条件下,混凝土氯离子扩散系数明显升高,抗氯离子侵蚀能力大大降低,特别是在早龄期,差异较大。     

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.     

RCM法测试混凝土氯离子渗透扩散性

本文主要介绍一种新型的混凝土氯离子扩散系数快速测定方法——RCM法。对其工作原理及测试方法进行了评述。并测定了氰离子在一系列不同水灰比的混凝土中的扩散系数，结果表明，混凝土的抗氯离子渗透扩散能力随水灰比的减小而提高。     

混凝土裂缝表征方法研究进展及裂缝对氯离子传输影响

氯离子侵蚀导致混凝土中钢筋锈蚀,是钢筋混凝土耐久性劣化的主要表现形式,然而混凝土裂缝的存在将加快氯离子在混凝土中的传输并缩短钢筋混凝土的服役寿命。首先对已有的裂缝表征方法进行了介绍,包括线性位移传感器、图像分析法、CT扫描等。然后综述了带有裂缝的混凝土基体中氯离子扩散的影响因素,重点介绍了裂缝的宽度、水灰比、矿物掺合料、龄期、荷载等因素对氯离子扩散行为的影响。结果表明当裂缝宽度在50~200μm之间时,对氯离子扩散系数的影响最大,在此区间内,氯离子扩散系数随着裂缝宽度的增加而增大;其余因素也对氯离子扩散系数有不同程度的影响。     

氯离子对硫酸根离子在混凝土中扩散的影响

研究了不同氯离子浓度对硫酸根在混凝土中扩散的影响,以单一硫酸根离子浓度溶液、不同氯离子浓度与硫酸根离子为复合溶液作为侵蚀溶液对混凝土试块进行连续浸泡,采用比浊法对一定龄期的混凝土中的硫酸根离子含量进行测定,结果表明:氯离子的存在并不改变硫酸根在混凝土中的扩散规律,即硫酸根随着侵蚀深度的增加含量逐渐减少;氯盐浓度变化对硫酸根在混凝土中的扩散速度有较大的影响,硫酸根在混凝土中扩散速度随着氯盐浓度的增加而下降。