考虑时间和结合效应的混凝土氯离子扩散模型

本文基于Fick第二扩散理论,建立了考虑时间和氯离子结合效应的混凝土氯离子扩散模型,该模型考虑时间和氯离子结合对混凝土中氯离子扩散的影响,并结合试验数据对模型的参数进行了求解,同时验证了模型的合理性.

冻融作用下混凝土氯离子扩散模型的研究

通过对混凝土氯离子扩散系数影响因素分析总结,采用偏最小二乘回归分析模型,对冻融作用下混凝土氯离子扩散模型进行探究,认为偏最小二乘法可以克服扩散系数影响因素之间多重共线性和样本数量少的问题,根据所建的数学模型表达式系数,在一定情况下,增加降低水灰比、水胶比,或者增加掺合料掺量、含气量,都可以降低冻融作用下混凝土中氯离子扩散系数。

海工预应力混凝土氯离子扩散模型的研究

预应力混凝土具有良好性能、且跨度大等特点,在土木、海工及水利等领域得到了广泛应用。但在海工中,受到海洋和化冰盐的影响,氯离子对钢筋会产生一定程度的侵蚀。为提高海工稳定性、延长工程使用寿命,构建氯离子扩散模型非常必要,能够帮助我们了解氯离子对海工预应力混凝土产生的影响,为海工设计及施工提供科学依据。文章从相似理论角度,结合具体工程构建相关模型,通过对室内加速模拟环境与现场实际环境相似关系进行研究,最后结合分析结果提出相关建议。

考虑非饱和效应的跨海隧道衬砌混凝土氯离子非线性对流-扩散侵蚀模型及其求解方法

为准确预测跨海隧道衬砌内部氯离子含量,本文提出了一个考虑非饱和效应的跨海隧道衬砌混凝土氯离子非线性对流-扩散侵蚀模型。首先,分别引入Langmuir等温吸附结合模型、幂函数型非饱和扩散方程和VG-Mualem水分传输模型,依次考虑氯离子结合效应、混凝土内部非饱和扩散以及非饱和水分渗透作用对氯离子传输的影响,建立非饱和状态下的隧道衬砌混凝土氯离子侵蚀理论模型;其次,基于有限差分原理提出模型的数值求解方法,并验证求解方法的有效性;最后,通过试验分析模型的可靠性,开展参数讨论。研究结果表明:在非饱和状态下,水分渗透对混凝土内离子输运有双重促进作用,使得混凝土内部的饱和度、扩散系数和渗透系数均随时间增加而逐渐增大;在外水压作用早期,混凝土内部处于非饱和状态时,混凝土内部的毛细压力对离子传输效率的影响占主导作用,且呈现出显著的正相关性;饱和渗透系数越大,溶质流速越快,氯离子传输效率也更高。本文提出的基于有限差分原理的数值求解方法是有效的,建立的非饱和状态下隧道衬砌混凝土氯离子非线性对流-扩散侵蚀模型具有可靠性,可用于分析混凝土内部非饱和状态时的氯离子传输规律。

开裂混凝土中氯离子等效扩散系数计算方法

氯离子侵蚀对钢筋混凝土结构有严重的劣化作用,混凝土中的裂缝为氯离子的快速扩散提供了通道,进而加快了结构力学性能的失效速度。现有研究多集中于单一裂缝特征因素对氯离子扩散系数的影响,根据试验结果给出的拟合公式具有局限性。结合机器视觉技术提取和量化多个裂缝特征因素,构建考虑裂缝密度、裂缝内界面粗糙度和裂缝取向度叠加影响的代表性单元体积(REV)模型,并计算其等效扩散系数,将已有研究的试验结果与基于REV模型的计算结果进行对比。结果表明:不同盐冻条件下的平均相对误差为1.6%,完成28次盐冻后不同初始裂缝条件下的平均相对误差为2.9%,计算结果与试验结果较为吻合,表明提出的开裂混凝土中氯离子等效扩散系数具有较好的可靠性。

硅粉混凝土氯离子扩散系数的试验研究

利用电加速测试方法系统探究了水胶比、硅粉掺量、骨料含量和龄期对混凝土氯离子扩散系数的影响。研究发现:在影响氯离子扩散系数的影响因素中,硅粉掺量和水胶比的影响最大,且会随着硅粉的掺入和水胶比的减小而大幅减小;从硅粉掺量对氯离子扩散系数的递减率看,硅粉的适宜掺量可达15%;氯离子扩散系数随骨料含量的增加而出现线性减小的趋势;硅粉混凝土氯离子扩散系数随龄期的递减效应主要出现在120 d内。

基于三维非凸骨料的混凝土模型在氯离子侵蚀下的模拟研究

氯离子在混凝土中的扩散会受到其细观结构的影响,而骨料的影响是极其重要的一方面,研究更符合真实形状骨料对氯离子扩散的影响是有意义的。利用单位球收缩法并通过水平集函数构建了三维非凸骨料随机堆积结构。利用Abaqus二次开发读取数据,从而构建含有骨料、ITZ、基体的三相混凝土细观模型,再通过有限元数值模拟得到的计算结果与解析解和试验结果进行对比,验证了有限元模型的可行性和有效性。最后探究了混凝土细观结构对氯离子扩散的影响,得出混凝土界面过渡区和粗骨料对混凝土中氯离子扩散的影响规律。

基于凸多边形粗骨料模型的混凝土氯离子扩散细观数值模拟

细观数值模拟是研究海洋环境下钢筋混凝土结构中氯离子传输的重要方法之一。细观数值模型将混凝土视为由水泥砂浆、粗骨料及界面过渡区组成的三相复合材料,目前建立的氯离子传输细观数值模型大多将粗骨料简化为圆形、正多边形等规则的几何形状,与实际粗骨料形状存在较大差异;少数学者建立的不规则形状粗骨料模型,其生成和投放效率较低,不适于大规模数值模拟计算。文章提出了随机生成凸多边形粗骨料的插点排序算法,建立了基于随机凸多边形粗骨料模型的混凝土氯离子扩散细观数值模型,相比于目前延凸算法得到的凸多边形骨料模型,文章建立的细观数值模拟方法具备更高的计算效率。通过物理试验实测数据,对细观数值模型进行了验证。基于建立的细观数值模型,研究了粗骨料体积分数对氯离子扩散性能的影响规律。

三维混凝土细观模型构建与骨料形态对氯离子扩散影响的数值研究

氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀是影响混凝土结构耐久性的首要因素,而骨料自身特性对氯离子在混凝土中的传输行为有重要的影响。本工作提出了一种高效构建细观尺度下混凝土三维几何模型的方法,能够实现工程中常见碎石、卵石和片状骨料的生成和投放。将生成的几何模型进一步应用于氯离子扩散行为预测,并与第三方试验结果进行对比,验证了其可行性与准确性。本工作所提出的三维混凝土细观模型能够实现混凝土几何参数的精细控制,能够对骨料形状、体积分数、粒径以及连续级配等骨料形态学特征对氯离子传输的影响进行较全面的量化分析。此外,本工作还探究了实际中因振捣而导致的骨料不均匀分布对氯离子传输性能的影响。结果表明骨料的曲折度和体积分数的增大会降低氯离子的扩散速率;骨料级配连续的混凝土中小粒径骨料可填充在大粒径骨料的间隙中,相比于单一骨料级配的混凝土,其抗氯性能更高;混凝土振捣而产生的骨料不均匀分布对混凝土耐久性的影响同样不可忽视。

氯离子在混凝土中扩散效应分析的MCA模型

氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀是影响混凝土结构发生耐久性失效的主要原因之一,研究氯离子在混凝土中的扩散机理具有重大意义。以组成混凝土的三相复合特点,采用细观尺度模拟和元胞自动机相结合的方法,提出用于描述混凝土氯离子时变扩散效应的MCA模型,并对影响模型计算效率和应用限制的元胞尺寸进行讨论。根据已有的氯离子浓度实测结果对所提出的模型进行验证。利用MCA模型对影响氯离子扩散效应的各细观结构参数进行分析。理论和试验结果表明:推荐采用的元胞尺寸为最小骨料粒径的0.707倍;MCA模型模拟的氯离子浓度平均值与试验值偏差不超过10%,且随时间和深度的变化规律与试验结果一致;模型具有描述材料变异性的能力,能够准确描述氯离子在截面内的浓度分布;界面扩散特性对氯离子扩散效应影响最为显著,骨料含量次之,氯离子扩散效应随界面扩散特性的增加而增加,随骨料含量的增加而减小,而骨料分布形式基本不会对氯离子扩散效应产生影响。

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。

受压混凝土中硫酸根离子的扩散与损伤机理分析

针对沿海、盐渍土环境下荷载和硫酸盐侵蚀的耦合作用对混凝土结构耐久性造成的损伤,提出了一种受压混凝土中硫酸根离子扩散的数值模型。首先,基于Fick第二定律,考虑应力和混凝土孔隙率之间的关系建立了荷载作用下混凝土内硫酸根离子的理论扩散模型;其次,通过自编程序构建包含水泥砂浆、界面过渡区和天然骨料的混凝土三相随机凸多边形骨料模型,从而实现了受压混凝土中硫酸根离子扩散的细观模拟;最后,通过与受压混凝土在硫酸盐溶液中全浸泡的实验结果对比分析,验证了理论模型和细观模型的有效性。进而对不同水灰比的受压混凝土试件在不同浓度硫酸盐溶液中的离子扩散与损伤过程进行了数值分析,分析结果表明:随着压应力水平的提高,同深度处硫酸根离子浓度逐渐减小;与压应力相比,侵蚀溶液浓度和水灰比对硫酸根离子扩散的影响更加明显;水灰比对压应力抑制离子扩散程度的影响要大于侵蚀溶液浓度;适当减小水灰比更有利于受压状态下的混凝土抵抗硫酸盐侵蚀。

钢纤维和碳纳米管对超高性能混凝土抗氯离子渗透性能的影响

碳纳米管的掺入对超高性能混凝土(UHPC)的抗氯离子渗透性能的影响尚不清晰,且很少有涉及加载对UHPC抗氯离子渗透性能影响的研究。因此,通过氯离子扩散系数测试法测定氯离子扩散系数,盐溶液浸泡下测定不同深度处氯离子浓度,观察微观结构等试验方法来探究碳纳米管和加载对UHPC抗氯离子渗透性能的影响。结果表明:加载造成的损伤会降低UHPC的抗氯离子渗透性能;在不同的加载程度下,不同浓度的碳纳米管对UHPC的抗氯离子渗透性能的影响是有区别的;碳纳米管既起到了填充孔隙的作用,又起到了促进钢纤维电化学腐蚀的作用。

氯盐浸泡环境下混凝土中氯离子扩散的时间与压应力依赖性

为研究混凝土中氯离子扩散时间与混凝土压应力的依赖特性,对压应力水平为0.1,0.2和0.3的试件进行5%的NaCl溶液浸泡,氯离子侵蚀时间分别为56,112,168 d及224 d。通过对试件不同深度处氯离子浓度数据进行分析,得到了表观氯离子扩散系数D_(a)和表面氯离子浓度C_(s),建立了压应力与氯离子侵蚀时间耦合作用下表观氯离子扩散系数D_(a)的计算模型与混凝土表面氯离子浓度C_(s)的计算模型,并提出了混凝土内部氯离子浓度预测模型。研究表明,氯离子侵蚀时间、混凝土压应力水平影响氯离子扩散模型中的表观氯离子扩散系数D_(a)与表面氯离子浓度C_(s);当混凝土压应力水平保持不变时,随着氯离子侵蚀时间的增长,混凝土的表观氯离子扩散系数D_(a)逐步降低,而表面的氯离子浓度C_(s)却逐渐升高;当氯离子侵蚀时间相同时,随压应力水平的提高,混凝土的表观氯离子扩散系数D_(a)先下降后上升,而表面氯离子浓度C_(s)逐渐减小;建立的混凝土内部氯离子浓度预测模型具有较高的精度,预测值与试验值基本一致。研究结果为钢筋锈蚀预测模型的建立奠定了一定基础,为钢筋混凝土结构的寿命评估提供一定参考。

随机球形骨料再生混凝土氯离子扩散研究

基于Monte-Carlo原理及Fuller级配理论,依据PYTHON算法及COMSOL软件建立由天然骨料、老界面区、老砂浆、新界面区及新砂浆组成的再生混凝土三维球形细观模型,模拟计算了不同骨料体积分数、老砂浆扩散系数及老砂浆厚度的再生混凝土内氯离子扩散过程,对比研究了再生混凝土抗氯离子侵蚀影响规律。研究表明:以随机理论建立的再生混凝土三维球形随机骨料模型接近真实再生混凝土细观结构,满足一般工程需要;基于该模型的氯离子细观数值模拟结果同试验结果吻合;再生骨料体积分数从10%增至30%、50%时,再生混凝土表观扩散系数分别增加了6.56%和19.43%;老砂浆扩散系数增加4倍,表观氯离子扩散系数增加19.28%;老砂浆厚度增加2倍,表观氯离子扩散系数增加8.1%,增加老砂浆的厚度和扩散系数会弱化再生混凝土抗氯离子侵蚀的能力。

冻融循环下混凝土中氯离子传输机制细观模拟

基于经典应力水平-疲劳寿命方程,本文提出了以冻融循环次数为自变量的氯离子扩散系数数学表达式,并在此基础上建立了冻融循环下氯离子在混凝土中传输的三维细观数值模型,研究了冻融循环、混凝土细观结构特征、结合效应等因素对氯离子传输行为的影响。研究结果表明,冻融循环可以促进氯离子的扩散,当冻融循环的次数接近极限冻融循环次数时,这种促进作用十分显著。更重要的是,通过模拟混凝土细观结构中氯离子的扩散轨迹,揭示了界面过渡区促进氯离子扩散的机理。最后,通过对氯离子长期扩散性能模拟发现,在靠近侵蚀面区域出现了结合氯离子饱和区域,混凝土失去了对自由氯离子的固化能力,促进了氯离子扩散。

干湿循环对混凝土氯离子结合能力的影响研究

海洋环境下氯离子侵蚀是钢筋混凝土耐久性破坏的主要因素之一,目前普遍运用的基于Fick第二定律解析解的氯离子浓度预测方法是基于氯离子不与混凝土结合的假设。但在实际情况中,氯离子可以通过化学结合与物理吸附的方式与混凝土结合,混凝土对氯离子的结合作用会降低自由氯离子浓度,从而降低氯离子扩散速率和钢筋前沿的氯离子浓度累积量。文章进行了8组不同干燥时间比和5个暴露时间点的干湿循环试验,研究干湿循环作用和暴露时间对混凝土氯离子结合能力的影响。分别采用线性吸附理论和Freundlich吸附理论对试验数据进行拟合分析,预测氯离子的结合能力。结果表明两种吸附理论表达出的氯离子结合能力均随着干燥时间比的增加而降低,但Freundlich吸附理论的预测结果更为准确,故选取该理论建立了干燥时间比、暴露时间影响下的氯离子结合能力表达式。根据建立的氯离子结合能力公式,建立合理描述氯离子传输特性的数值模型。并通过数值模拟比较考虑氯离子结合能力的氯离子传输模型与基于Fick第二定律解析解的氯离子扩散模型的差异。

再生微粉对混凝土抗氯离子渗透性能的影响

研究了分别单掺与复掺再生混凝土粉(RCP)、再生砖粉(RBP)对混凝土抗氯离子渗透性能的影响,并建立了氯离子扩散系数和电通量之间的关系式。结果表明:单掺RCP或RBP时,随着其掺量从0增至30%,试件的电通量和氯离子扩散系数均先减小后增大,说明抗氯离子渗透性能先增强后减弱,RCP和RBP的最佳掺量均为10%;复掺RCP和RBP时,随着RBP占比的增加,试件的电通量和氯离子扩散系数均先减小后增大,最佳m_(RBP)∶m_(RCP)为1∶1;掺再生微粉混凝土的氯离子扩散系数和电通量之间具有良好的线性关系。

基于混凝土真实三维模型的氯离子传输细观数值模拟

基于混凝土剖面序列图像重建真实三维模型的方法,将MIMICS、SOLIDWORK和COMSOL结合使用,研究混凝土细观结构对氯离子扩散影响。结果表明:模拟值与试验值能够相吻合,验证了真实三维模型的有效性;骨料的长径比越大,骨料的曲折效应越明显,对氯离子渗透的影响越显著;骨料的分布位置对氯离子扩散几乎没有影响;骨料越粗糙,对氯离子的阻滞效应越明显。界面过渡区(interfacial transition zone, ITZ)厚度、扩散系数越大,对氯离子扩散影响越大。将真实三维模型与随机骨料模型模拟结果对比发现:随机骨料模型模拟数值总是小于真实三维模型数值。

荷载与锂渣掺量对混凝土氯离子扩散性与气体渗透性的影响

为探讨不同压应力与锂渣掺量对混凝土氯离子电通量和气体渗透系数的影响,制作了3种不同水胶比、4种锂渣掺量的混凝土试件,并对试件分别施加极限压荷载的10%、30%、50%作为持续压应力,进行氯离子扩散性和气体渗透性试验。结果表明:混凝土的气体渗透系数、氯离子电通量与锂渣掺量、压应力比之间存在明显的相关性。氯离子电通量随着锂渣掺量的增加而减少,随着压应力比的增大而增大。气体渗透系数随着锂渣掺量的增加而增加,随着压应力比的增大而增大。综合考虑电通量与气体渗透系数,C20、C30、C40混凝土最优掺量分别为15%、20%、15%。