开裂及接缝渗漏条件下越江盾构隧道管片混凝土氯离子运移规律研究

钢筋混凝土结构耐久性失效多由侵蚀性物质导致钢筋锈蚀引起,而裂缝和渗漏会加速这一劣化过程。在Matlab环境下编写有限元程序计算分析了开裂管片混凝土中氯离子运移分布规律以及裂缝深度与钢筋起锈时间的关系。研究表明:裂缝的出现改变了管片混凝土中氯离子的运移分布规律,且采用一维Fick定律计算裂缝附近处氯离子运移是不合理的;钢筋起锈时间随裂缝深度的增加而缩短,两者之间呈非线性关系,钢筋起锈时间与完整度之间较好地吻合3参数logistic函数关系。建立了管片接缝渗漏情况下,接缝渗漏液与管片混凝土中氯离子运移的耦合模型,并探讨了模型的数值计算方法。结合算例的计算表明:接缝渗漏会加快管片混凝土中氯离子运移,从而促进钢筋的锈蚀。

盐胁迫下土壤-杨树系统中离子运移与分布特征

在温室条件下,采用盆栽根箱培养的方法研究了盐胁迫下土壤-杨树系统中盐分离子的运移与分布特征。结果表明,各处理下杨树根际土壤中K+出现亏缺,Na+、Ca2+、Mg2+均出现富集。在低盐胁迫下,杨树根系优先选择吸收K+、Ca2+和Mg2+,而对Na+的选择性有所减弱;两个杨树无性系能在根中积累较多的阳离子,同时I 69杨对Ca2+,NL 1381杨对K+、Ca2+和Mg2+向地上部分运输的选择性也有所增强,但抑制Na+向地上部分的运输,以减缓Na+对地上部分生长的胁迫。

KCl溶液对土壤入渗及氯离子运移特性影响研究

为了研究不同质量浓度KCl溶液对土壤入渗及溶质运移特性的影响,将KCl溶液质量浓度分别设置为0、2、3、4、5、8和10g/L,基于一维土柱入渗试验,采用CXTFIT模型对Cl-运移特性进行拟合。结果表明,累积入渗量、湿润锋推进速度、入渗率、土壤的导水能力均随着KCl溶液质量浓度的增加而增加。Kostiakov模型、Philip模型对KCl溶液入渗具有良好的适应性,相同历时下的累积入渗量与湿润锋推进距离存在良好的线性关系(R2=0.912 9)。此外,CXTFIT模型能够较好的反应不同质量浓度KCl溶液下的Cl-的运移过程且质量浓度高的KCl溶液在土壤中的对流弥散速度大于质量浓度低的。

有沙层土柱中钾离子运移的试验研究

通过室内有沙层土柱入渗中钾离子运移试验,研究了有沙层土柱中钾离子随入渗水运移的过程和特性。结果表明,入渗过程中,由于沙层阻水造成钾离子在沙层以上积累,而在沙层内钾离子浓度并不增加。经平衡计算和有无沙层试验比较表明,粗沙基本不吸附钾离子,因沙层阻水而使钾离子暂时滞留在土-沙界面上,随水量增大钾离子浓度锋透过沙层。因此,干旱区农田洗盐需要一定水量并持续一定时间,方能使盐锋达到沙层以下,起到抑制盐分的作用。

电提取离子法中离子运移机理初探

首先讨论了大量离子系统的初值问题，随后介绍了６ 个基本概念，估算了地层中离子的平均热运动速度。导出了离子散射的指数规律；得出离子的平均自由时间的数值等于散射几率的倒数；离子的平均漂移速度和电场强度成正比，离子淌度与平均自由时间成正比，与有效质量成反比；介质的电导率和离子浓度、平均自由时间成正比， 与有效质量成反比的结论及有关公式、表达式。指出了离子的运移机理是： 运移—散射—再运移—再散射， 直到离子被吸收为止。

混凝土内修正的氯离子运移模型及耐久性分析

基于Fick第二定律,建立了混凝土内综合考虑扩散、电场迁移与结合作用的氯离子运移耦合模型,并通过已有试验数据对模型进行验证。以南通盐渍土环境为例,运用Comsol Multiphysics软件分析盐渍土内混凝土中氯离子的运移机制以及混凝土内氯离子随时间和空间的分布,研究不同强度等级的普通硅酸盐水泥混凝土和粉煤灰混凝土抗氯盐侵蚀的能力。结果表明:盐渍土腐蚀环境下,普通硅酸盐水泥混凝土结构仅靠提高混凝土强度和保护层厚度不能满足高耐久性要求,采用粉煤灰混凝土能延长结构使用年限;在保证使用年限为100 a的前提下,建议南通盐渍土环境中的钢筋混凝土结构采用粉煤灰混凝土,强度等级为C30、C40、C50和C60的混凝土结构保护层厚度分别为55 mm、50 mm、45 mm和40 mm。

滴灌条件下棉花对土壤盐分及离子运移的影响

【目的】研究棉花对盐分及离子的运移的作用关系,分析滴灌棉田盐分的运移规律和影响机制。【方法】通过田间微区试验,对小区内盐渍化土壤进行混匀,设置种植棉花与未种植棉花试验处理,研究棉田土壤盐分离子的运移特征。【结果】灌溉使得0～40 cm土层土壤盐分、阴、阳离子含量明显下降,在40～60 cm土层浓度增加形成离子聚集区。棉花种植过程对0～30 cm土层土壤总盐分、阴阳离子都有一定的影响,但影响较为显著是10～20 cm土层的总盐分、Cl^-和SO_4^(2-)离子的含量,减缓了其运移过程,对其他离子的影响均未达到显著水平,对土壤pH值影响不大。【结论】棉花种植过程显著影响土壤10～20 cm土层的总盐分、Cl^-和SO_4^(2-)离子向下运移过程。

一维非饱和水平土柱中多离子运移和交换反应的研究

进行的非饱和土壤中多离子运移和交换反应的研究表明,在非饱和非稳态流下,土壤中非反应性溶质Cl^-运移时的锋面趋向滞后于水的湿润锋面。由于交换反应,交换性离子锋面和峰出现的位置则滞后的更多,并与离子的交换能力、浓度和供水强度有关。交换反应主要表现在含水量较为稳定和溶液总浓度较为恒定的区域。在一定浓度范围内,用恒定的2离子 Gapon 交换参数,能够较好地模拟以 Ca^(2+)为主的土壤中 Ca-Mg-Na-K 交换体系中 Ca^(2+)的运移;当某1离子与土壤溶液中总的阳离子的活度比发生较大的变化时,模拟时应考虑 Gapon 交换参数的改变。由本研究确定的供试土壤的 Gapon 交换参数 K_(Mg-Ca),K_(Na-Ca)和 K_(K-Ca)分别为0.9～0.6,2和0.3。本研究利用非水溶的重有机试剂和高速离心技术提取土壤溶液样品,可用小量土样同时获得离子的液相和交换相组成的分布等信息,因而更贴切地反映了土壤溶液和交换反应的实际情况。

氯盐侵蚀钢渣水泥固化淤泥土力学特性及氯离子运移规律研究

为研究氯盐侵蚀对钢渣水泥固化淤泥土力学特性的影响及氯离子运移规律,对氯盐侵蚀下钢渣水泥固化淤泥土的物理力学性质和微观结构展开室内试验。通过无侧限抗压强度试验、氯离子浓度测定试验、扫描电镜SEM试验深入研究了氯盐侵蚀钢渣水泥固化淤泥土在不同条件下的宏观物理力学特性、微观结构的变化及内部氯离子的迁移规律。结果表明:随着侵蚀时间的增加,钢渣水泥土试样的质量变化率明显高于水泥土,其最大质量变化率是水泥土最大质量变化率的1.78倍,含水量数值相差最大的可达9.17%和8.54%;随着侵蚀时间的增加,养护7 d试样的无侧限抗压强度整体呈增长趋势,养护28 d试样的无侧限抗压强度折线呈现出先增加后降低的形态,水泥土试样的无侧限抗压强度明显高于钢渣水泥土,其最大强度是钢渣水泥土最大强度的2.34倍;随着侵蚀时间的增加,内部氯离子浓度先增加后趋于稳定,水泥土试样较钢渣水泥土试样抗氯离子侵蚀能力较好,钢渣水泥土试样的最大氯离子浓度高于水泥土1.52倍。微观上,随着氯盐侵蚀时增加,水泥土试样内部结构排列变得相对疏松,严重破坏试样内部结构,降低其承载能力。

海底盾构隧道管片接头氯离子侵蚀运移规律研究

随着海底隧道服役时间的延长,氯离子侵蚀对衬砌结构的危害会不断递增,需对此进行深入研究。文章从多孔介质中腐蚀离子运移机理出发,采用渗流与离子运移耦合分析的方法,建立了管片接头氯离子侵蚀运移数值模型,重点分析管片接头位置在海底氯盐环境长期侵蚀作用下的氯离子侵蚀运移规律,得到的主要结论有:孔隙水是氯离子在管片混凝土中侵蚀运移的载体,氯离子在管片中侵蚀运移作用主要包括对流、分子扩散、机械弥散等;随着隧道服役时间的延长,氯离子从管片接头外表面向隧道内部渗透的深度越大;隧道外部水压对管片渗透速度与深度影响显著,外部水压越大海水渗透深度越深;接头局部区域的氯离子侵蚀体现出不均匀分布现象,氯离子浓度较远离接缝处较高,到达临界浓度的时间也较短;近接缝面位置处由于边界条件不同及不连续的影响,存在氯离子运移曲线轨迹。

土壤中离子交换和运移的模拟研究进展

养分离子由粮区淋失和对植物吸收利用的有效性，以及污染性离子对土壤和地下水资源的潜在性污染等问题要求有效地模拟离子在土壤-水系统中的动态。本文就土壤系统中离子交换和运移模拟模型，参数确定，研究现状等进行简要综述。

多离子运移Poisson-Nernst-Planck方程的求解及应用

描述多离子在电化学梯度作用下运移的Poisson-Nernst-Planck方程在很多领域都有重要的应用,由于浓度场和电势场的强烈耦合影响,方程求解困难。现有的求解一般基于Nernst-Planck方程,耦合电中性条件或者常电位假定,进行简化分析,且一般为稳态问题。采用多物理场耦合分析软件COMSOLMultiphysics进行求解,软件强大的多场耦合分析能力使求解该方程的稳态、非稳态问题以及全耦合分析成为可能,并和已有的分析结果进行了验证。

基于多离子运移模型扩散试验的参数反分析研究

文章将多离子运移模型模拟扩散试验的参数反分析问题转化为一个非线性约束规划的最优化问题,对优化原理、寻优求解的序列二次规划方法(SQP)以及其在Matlab中的实现方法进行了介绍。采用Comsol对多离子模型进行正分析,并生成Matlab直接调用的目标函数的M文件。算例分析表明,该方法收敛速度快,精度高,对类似的参数反分析及复杂有限元模型的优化分析有一定的参考价值。

基于COMSOL软件的绿洲盐渍化土壤中多离子耦合运移模型构建

了解盐分离子在土壤中的迁移规律可以为盐渍土的综合治理以及高效利用提供科学依据,在COMSOL多孔介质和地下水流模块模拟非饱和土壤水流的基础上,自定义偏微分方程组构建盐渍化土壤SO42–、Ca2+、Na+、Cl–、Mg2+耦合运移模型,考虑阳离子交换过程以及硫酸钙的沉淀溶解反应,并通过新疆绿洲膜下滴灌田间试验对模型进行检验,对比不同活度系数估算方法对模拟结果的影响。结果表明,各离子模拟值与实测值吻合较好,平均相对误差介于9.15%~28.57%,决定系数介于0.41~0.88,该模型能够较好地反映土壤中盐分离子的动态变化规律;在膜下滴灌条件下,膜下0~40 cm土层的盐分离子有不同程度的淋洗,Cl–和Na+的淋洗效果好于Ca2+和SO42–;活度系数的估算对模拟结果的准确性有重要影响,尤其是盐分含量较高时,采用通用的函数关系可能会带来较大的模拟误差。

再生水灌溉土壤主要盐离子迁移模拟

在北京市通州新河灌区,再生水已逐步成为农田灌溉的主体水源。与一般常规灌溉水源不同,再生水虽经过处理,仍含有多种重金属和盐分离子以及一些有机污染物。针对再生水灌溉过程中盐离子可能在土壤中积累进而产生地下水污染问题,运用非饱和土壤水流和溶质运移模型Hydrus-1D,模拟再生水灌溉条件下主要盐离子SO2-4、Cl-和NO3-N在土层中的垂向分布及其随时间向深层的迁移情况,讨论了再生水灌溉是否对地下水构成潜在威胁。模拟结果显示,新河灌区的再生水盐离子主要集中在50 cm以内的表层土壤中,其浓度累积不足以迁移到深层土壤并进而污染地下水,盐离子甚至会随着时间的延长逐渐被作物吸收利用。该灌区的使用现状表明再生水进行农田灌溉是可行的,对地下水污染的可能性极小,但为避免表层土壤含盐量超标影响作物生长,建议采用基于土壤环境和作物生命健康的再生水灌溉制度。

黏土中多离子体系的扩散机理研究

黏土微观结构、颗粒表面电场以及黏土孔隙液中离子之间相互作用对离子运移有着重要的影响,但如何考虑上述因素对离子运移的影响一直是个没有解决的难题。针对黏土颗粒表面电场对离子运移影响这一核心问题,从微观角度(纳米级)采用Nernst-Planck方程和Poisson方程描述离子在带电黏土多孔介质中的运移。在参考已有实验成果的基础上,建立了黏土中微观多离子运移数值分析模型,采用多场耦合分析有限元软件Comsol Multiphysics求解。数值分析表明:由于黏土颗粒表面负电荷的作用,阳离子浓度明显升高,阴离子浓度则明显降低;不考虑颗粒带电,阳离子和阴离子浓度分布相同。在颗粒表面形成明显的双电层,浓度越高,双电层厚度越小;浓度越低,双电层厚度越大。研究成果将有助于深入理解离子在黏土垫层中的扩散运移机理,为进一步宏观分析提供详尽的基础数据。

渗漏水对隧道管片接头氯离子侵蚀劣化的影响研究

海底盾构隧道管片接头易发生渗漏水而加速衬砌结构侵蚀劣化。文章考虑管片内海水渗透、氯离子侵蚀及渗漏水等,建立了海底隧道管片接头渗漏-侵蚀数值计算模型,分析了不同外水压及不同接缝渗水量等工况下管片接头氯离子侵蚀运移规律及影响。结果表明:接缝渗漏水导致临近区域渗流场分布形态改变,孔隙水压增大,且外水压的影响作用大于渗水量;接缝渗漏水加重管片接头内侧混凝土侵蚀,外水压越大,其劣化增幅越明显,而渗水量大小的影响可忽略不计;外水压的增大提高了钢筋表面离子含量,使得离子分布不均匀性减小,缩短了钢筋达到临界离子浓度时间,仅外水压较小时渗水量增大可提高同一时间内钢筋表面离子含量;渗漏水状态下,离子运移轨迹向接缝面靠拢,渗水量越大,接缝处离子运移曲线轨迹越密集。

灌水量对间接地下滴灌条件下土壤盐分离子空间分布的影响

为研究间接地下滴灌下盐分离子空间分布规律,通过小区试验,分析灌水量对枣树根区土壤盐分及盐分离子时空分布的影响,研究结果表明：过大或过小的灌水量不适宜土壤盐分的淋洗,在适宜的灌水量下,间接地下滴灌对0-50cm土层有较好的抑盐效果;单次滴灌前后,在一定的导水装置直径下（D=75mm）,Ca2＋、Mg2＋淋洗量随着灌水量的增加而减少;HCO-3、Cl-在灌水量为13L下,淋洗效果明显,而较大或较小的灌水量淋洗效果较差;SO2-4在较大的灌水量下才得到明显淋洗。

波涌灌肥液间歇入渗土壤和地下水中NO_3^-运移特性试验研究

通过肥液 (KNO3 溶液 )室内入渗试验 ,模拟研究了地下水位为 70cm条件下肥液连续入渗与间歇入渗特性及土壤和地下水中NO-3 的运移分布规律。结果表明 ,由于表土致密层的形成 ,肥液间歇入渗较连续入渗具有土壤入渗能力降低、土壤NO-3 分布均匀及地下水中NO-3 浓度低等特点。

考虑扩散势作用的多离子扩散模型及影响因素分析

扩散是成岩作用、溶质在沉积物和地下水中运移等过程中的重要机制。实际工程中主要是多离子共存系统,已有研究忽略了离子带电产生的静电效应对扩散进程的影响,使得各离子间的相互作用在扩散模型中未得到体现。基于经典Fick定律,考虑离子间静电效应产生的扩散势作用,借助电中性约束条件,通过推导建立了考虑扩散势作用的多离子扩散模型,采用COMSOL Multiphysics有限元软件对多离子的扩散行为开展了数值模拟,重点分析了扩散势影响因素的作用。结果表明:扩散势对阳离子的扩散具有加速作用,对阴离子的扩散具有阻滞效果。当阴离子扩散系数相同时,扩散势对离子的加速作用随阳离子扩散系数的减小逐渐增强。当溶液中阴、阳离子扩散系数均固定时,扩散势对离子的加速作用随离子价位的增加略有提高。