海洋和除冰盐条件下混凝土结构的Cl-扩散行为及耐久性设计

研究了海洋和除冰盐条件下暴露7～18a的混凝土结构Cl-浓度分布规律,探讨了混凝土结构的耐久性设计.结果表明,在严酷环境条件下混凝土结构的Cl-扩散行为符合修正的Fick第二扩散定律,混凝土的最大水胶比和最小保护层厚度是保证结构工程使用寿命的重要耐久性设计参数.     

一个改进的混凝土氯离子扩散计算模型

通过对影响混凝土中氯离子扩散的因素分析,根据Fick第二定律导出的简化模型,建立综合考虑水灰比、混凝土掺合料、龄期、温度、湿度、混凝土与氯离子结合能力及冻融损伤影响的扩散模型,通过与现有解析模型和有限差分法模型的计算结果的对比,验证模型的正确性和有效性。与现有解析模型相比,该模型考虑的因素更广泛,综合考虑温度、湿度的季节变化及冻融损伤的时随效应对氯离子扩散的影响;与数值模型相比,该模型计算效率高,便于工程应用。     

矿物掺合料对混凝土氯离子渗透扩散性研究

研究了不同种类、不同掺量的矿物掺合料对混凝土氯离子渗透性的影响,试验结果显示:单掺矿物掺合料(磨细粉煤灰、矿渣、硅灰)改善混凝土抗氯离子渗透能力,且改善效果硅灰最佳,磨细粉煤灰其次,矿渣最差.从机理上分析,矿物掺合料的火山灰效应改善了混凝土中水泥石与集料之间的薄弱界面,降低孔隙率,使孔细化,同时生成更多低碱度的C-S-H凝胶增加混凝土的Cl-固化能力,从而提高了混凝土抗氯离子渗透能力.     

氯离子环境下钢筋混凝土结构的使用寿命预测

近年来,氯离子对混凝土结构的侵蚀已成为混凝土结构耐久性研究的重要内容,尤其是氯离子环境下钢筋混凝土结构的寿命预测问题更是科研工作者们普遍关注的问题.笔者介绍了氯离子环境下混凝土结构基于Fick第二定律寿命预测模型,并对模型中的相关参数进行修正,通过相关参数的改进,使该模型更能符合工程实际情况,从而能够更好的预测混凝土的服役寿命.另外,还介绍了钢筋混凝土结构使用寿命可靠度的概念及其理论计算方法,并从可靠性方面来讨论混凝土在氯离子环境下的服役寿命.     

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。     

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。     

混凝土中氯离子扩散场的补偿长度

混凝土中氯离子扩散过程可以由Fick第二定律描述,利用数值方法分析该扩散过程的关键是恰当选取混凝土中氯离子扩散场计算长度,并据此建立正确的数值分析模型.本文利用误差函数的性质研究建立了混凝土中氯离子扩散场的补偿长度的计算表达式,研究了混凝土中氯离子扩散场的补偿系数取值及补偿原则,并通过算例证明了补偿长度理论对数值模型的重要性和补偿长度系数取值的合理性.     

氯离子在混凝土管桩中的扩散规律

混凝土管桩在海工环境中广泛使用,管桩内表面为封闭面,外壁常常暴露于氯盐环境中。根据菲克第二定律和管桩的边界条件,采用分离变量法,得到氯离子扩散方程的解析解。该解析解包含稳态解和瞬态解2部分,而稳态解由贝塞尔函数构成,与基于半无限体边界条件的传统解不同。采用该解答计算PHC管桩氯离子扩散,探讨内外半径之比、扩散系数以及钢筋保护层厚度对氯离子扩散的影响。当内外半径之比a/b为1.5时,瞬态解的次要部分衰减速率比主要部分约大4倍。     

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.     

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.     

收缩裂缝对混凝土氯离子传输的影响

水泥基材料中介质的传输非常复杂。采用氯盐溶液自然浸泡法研究了收缩裂缝对混凝土材料中氯离子传输性能的影响。采用板式约束收缩方式诱导混凝土裂缝,借助于图像分析技术,并选取平均裂缝宽度参数对裂缝进行表征。通过检测在5%氯盐溶液中浸泡60 d后的混凝土不同部位氯离子的浓度,发现裂缝的存在加强了氯离子在混凝土中的传输,并且氯离子扩散性能随着裂缝宽度的增加而增加,同时讨论了氯离子在开裂混凝土中的传输机理。     

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.     

氯盐对灌注桩混凝土硫酸盐腐蚀规律的影响

复杂盐渍环境多种离子侵蚀灌注桩混凝土等现浇混凝土结构的腐蚀规律研究较少.文中对未经标准养护的混凝土试块进行全浸泡侵蚀试验,模拟混凝土灌注桩受硫酸盐及氯盐共同作用的侵蚀过程,探讨氯盐对现浇混凝土硫酸盐腐蚀规律的影响.结果发现,混凝土试块受侵蚀的前7 d,其抗压耐蚀系数均高于1,之后呈现先增大后减小的趋势;侵入混凝土试块中的硫酸根离子随着侵入深度的增加逐渐减小,并且越向深处侵入混凝土内部的硫酸根离子含量衰减速度越快;氯离子的存在抑制了硫酸根离子在混凝土内部的扩散,且加速了硫酸根离子随深度的衰减速度.由于氯离子的先期反应阻碍了石膏型硫酸盐侵蚀发生,从而减少了硫酸盐对于混凝土侵蚀所造成的强度损失,氯盐含量低时效果最明显.     

暴露时间和扩散深度对混凝土氯离子结合能力的影响

进行了现场海洋大气盐雾环境中混凝土的暴露试验,分别测定了混凝土试件不同深度的总氯离子浓度和自由氯离子浓度,深入研究了混凝土在海洋大气盐雾环境下氯离子扩散过程中的自由氯离子浓度和结合氯离子浓度的经时变化特征.同时考察了各个暴露时间和扩散深度时的氯离子结合能力,运用回归分析探讨了暴露时间和扩散深度对混凝土氯离子结合能力影响的规律性.结果表明,氯离子结合能力与暴露时间符合幂函数关系,与扩散深度满足三次多项式函数关系.数值拟合计算值与实测值吻合,证明了拟合函数的有效性.     

聚天冬氨酸酯聚脲涂层混凝土的附着性及氯离子扩散性研究

采用氯盐自然浸泡及机械静荷载-氯盐浸泡协同作用实验方法,研究交联结构聚天冬氨酸酯(PAE)聚脲涂层混凝土的附着性及氯离子扩散性,探讨氯盐自然浸泡、机械静荷载-氯盐浸泡协同作用下PAE聚脲涂层对混凝土附着性的影响因素,建立氯离子扩散模型。结果表明,在10%NaCl溶液中自然浸泡300d后,T3(PAE-t-HDI prepolymer-D2000H65)和TM(T3面漆/MDI乳液底漆)涂层对混凝土的附着力仅分别降低3%和1.9%,涂层混凝土体系的氯离子扩散系数为10-13～10-14 m2/s数量级;机械静荷载-氯盐自然浸泡协同作用300d后,T3涂层混凝土附着力比单纯自然浸泡作用降低了约14%,TM涂层混凝土附着力始终保持在2.5N/mm左右,T3和TM涂层混凝土体系的氯离子扩散系数保持在10-13～10-14 m2/s。     

混凝土冻融耐久性劣化与孔结构变化的关系

以冻融循环为试验条件，采用光学显微镜测孔法和压汞法测试混凝土的孔结构，研究不同耐久性的混凝土其抗冻性与孔结构的关系，并研究冻融过程中混凝土性能劣化与其孔结构变化的关系。结果表明，掺入优质引气剂、高效减水剂等外加剂及优质矿物掺合料，可显著改善混凝土的孔结构，从而提高混凝土的抗冻耐久性。     

干燥大温差气候下混凝土孔结构研究

采用压汞法对比研究了标准养护条件下和干燥大温差气候下混凝土的孔结构。研究表明,干燥大温差气候下混凝土的孔隙率提高,平均孔径和临界孔径变大,孔体积分布曲线偏向于大孔径段,且孔隙中有害孔和多害孔所占的百分比显著提高。孔结构的劣化造成宏观性能的降低,表现为强度的损失。     

高性能混凝土冻融耐久性与孔结构变化的关系

为了揭示高性能混凝土在非力学破坏因素作用下宏观性能劣化与细观结构变化之间的关系,以冻融作用为试验条件,采用压汞法测试混凝土的孔结构,研究了高性能混凝土冻融耐久性与其孔结构变化的关系．研究证明,正是高性能混凝土良好的孔结构赋予其优异的抗冻耐久性．     

钢筋混凝土中离子渗透扩散的研究

钢筋混凝土中离子的渗透扩散是钢筋混凝土的锈蚀的重要过程．这里对温度场和浓度场进行了相似分析．介绍了如何用温度场来模拟渗透过程中的浓度场的变化过程,为研究钢筋混凝土的耐久性提供了１种切实可行的方法．