混凝土C_S和D双时变下氯离子浓度分布解析解

为了准确分析氯离子侵蚀环境下混凝土结构的耐久性,同时考虑表面氯离子浓度和扩散系数的时变性对混凝土中氯离子扩散过程的影响。首先应用变量代换法、Laplace积分变换及其逆变换,建立了同时考虑混凝土表面氯离子浓度和扩散系数时变性的氯离子扩散解析解。通过算例分析验证了解析解的正确性,并对比研究了表面氯离子浓度和扩散系数的时变性对混凝土中氯离子扩散的影响。结果表明,两个参数的时变性都会对混凝土中氯离子浓度分布产生显著影响,且随着计算深度增大,双时变影响越显著,其中扩散系数的时变性影响更大。因而,混凝土结构耐久性分析和设计中应同时考虑表面氯离子浓度和氯离子扩散系数的时变性。     

基于氯离子时变扩散钢筋混凝土锈胀裂缝时变可靠度研究

基于氯离子Fick扩散定理和法拉第定律,通过研发的四电极传感器体系获得含氯离子混凝土模拟液中腐蚀电流密度规律以及混凝土中氯离子时变扩散系数,建立氯离子时变扩散钢筋腐蚀速率模型;在此基础上基于弹性断裂力学和坑蚀模型,建立坑蚀锈胀裂缝时变可靠度模型,采用Monte Carlo方法求得钢筋混凝土锈胀裂缝时变可靠度.研究表明,基于研发的MnO2参比电极四电极传感器体系平均腐蚀电流密度随氯离子浓度增加而线性增加,随时间增加趋于恒定.采用考虑氯离子时变扩散钢筋腐蚀电流在服役期间钢筋腐蚀电流密度减小.坑蚀锈胀裂缝开始时间在第10~15年;随保护层厚度和钢筋直径增加以及表面氯离子浓度减小,钢筋混凝土坑蚀裂缝宽度减小.研究结果对氯离子诱发的钢筋混凝土坑蚀腐蚀裂可靠度预测具有重要的参考价值.     

海洋环境下混凝土方桩使用寿命预测模型

基于Fick第二定律,建立了考虑扩散系数时变性、荷载对扩散系数影响和氯离子结合能力的氯离子扩散方程;通过求解扩散方程得到考虑多因素影响的混凝土方桩使用寿命预测模型;并分析了桩的保护层厚度、裂缝控制宽度、表面氯离子浓度和临界氯离子浓度等因素对桩的使用寿命的影响.分析结果表明:得到的氯离子扩散方程与实测数据吻合较好;对于设计使用寿命为50年的混凝土方桩,保护层厚度应大于45mm,桩身裂缝宽度不宜大于0.1mm.     

多场耦合作用下氯离子分布场的数值模型

为了研究温度场、湿度场和CO2分布场对氯离子分布场的影响,基于Fick扩散定律和质量守恒定律,主要考虑氯离子扩散系数、湿度以及氯离子结合和释放4个敏感参数,推导了混凝土中氯离子三维分布场控制方程,给出了初始条件和边界条件.利用ANSYS内部集成的参数化程序设计语言APDL建立了数值分析框架.结合试验参数,进行了湿度场作用下混凝土中氯离子分布场的数值计算,并进行了模型参数敏感性分析.结果表明:该模型可以实现不同边界条件下二维和三维多场耦合的数值计算.湿度扩散系数、氯离子扩散系数、边界氯离子浓度以及氯离子结合等温线的取值对氯离子浓度分布影响显著.数值计算结果与实验结果吻合良好,数值模型具有足够的可靠性.     

海洋环境要素综合影响下混凝土中氯离子的传输模型

为澄清多种海洋环境要素对混凝土氯离子侵蚀的综合影响,在对混凝土氯离子侵蚀机理分析的基础上,建立了日照、潮汐、气温等海洋环境综合影响下的混凝土氯离子传输计算模型.该模型在传统对流-扩散模型中增加了ASHRAE晴空日照模型,并考虑了潮汐水位的周期变化导致的干湿两个过程中水分扩散以及水-土界面扩散等边界条件的差异,采取氯离子相对孔隙液的浓度作为控制指标,运用有限差分法,对海上混凝土结构全生命周期内的温度场、湿度场、氯离子浓度场进行动态耦合计算.通过试验实测数据对各模块计算结果进行验证,吻合良好.该模型对于海工混凝土的耐久性设计具有参考价值.     

时变扩散系数对混凝土结构服役寿命的影响

基于氯离子二维扩散模型考虑混凝土氯离子扩散衰减系数及其随机性,计算了氯盐侵蚀下混凝土结构的可靠度及服役寿命。为克服传统可靠度敏感系数的缺陷,分析氯离子扩散衰减系数及其随机性对混凝土结构耐久性的影响,根据全微分公式导出了可靠度对随机变量均值和变异性的无量纲敏感系数。计算结果表明,忽略氯离子扩散系数时变性会导致显著地低估结构服役寿命,而不考虑衰减系数的随机性又会明显地高估结构耐久性能。敏感性分析结果表明,混凝土氯离子扩散衰减系数与混凝土保护层厚度对氯盐侵蚀下混凝土结构耐久性的影响占主导地位,并随着服役时间的增加,衰减系数的影响会超过混凝土保护层厚度。     

海洋环境下混凝土中钢筋表面氯离子浓度的随机模型

分析了海洋环境下氯离子在混凝土中的传输机理及其随机扩散过程．将扩散系数作为随机数,混凝土表面氯离子浓度、保护层厚度作为随机变量,建立混凝土中钢筋表面氯离子浓度分布的随机模型,推导出钢筋表面氯离子浓度的均值和方差．算例结果表明,该模型的计算值较传统的Fick扩散定律更接近试验值,可用于预测海洋环境下混凝土中钢筋表面的氯离子浓度．     

圆形截面对氯离子扩散及耐久性设计的影响

针对氯离子在钢筋混凝土圆形截面中的扩散问题,提出考虑截面效应、以扩散系数为时变函数的圆形扩散模型.探讨一维平板单元所对应的平板扩散模型对评估圆形截面中钢筋表面氯离子浓度所产生的影响,给出误差率计算公式.对比采用平板扩散模型与圆形扩散模型下混凝土圆柱耐久性设计结果,结果表明,平板扩散模型将低估钢筋表面氯离子浓度,半径越小保护层厚度越大,低估现象越明显.为控制误差率在5%内,当圆形截面半径小于50 cm时,需使用圆形扩散模型.对比两者设计结果发现,采用平板扩散模型将降低最小保护层厚度要求,建议在平板扩散模型设计结果的基础上增加5 mm.     

考虑线性分布应力影响的混凝土氯离子侵蚀模型

基于氯离子扩散系数与结构应力服从多项式函数关系的假定以及Fick第二定律,通过边界条件的奇延拓和扩散方程的傅里叶变换推导建立综合考虑结构截面线性分布应力的混凝土氯离子侵蚀模型,并给出其求解流程以及相关参数的确定方法,进一步结合既有混凝土氯离子侵蚀试验数据进行实例验证和对比分析。研究结果表明:所建立的氯离子侵蚀模型能够反映结构截面线性分布应力对氯离子扩散的影响,特别是在浅层区,计算的氯离子质量分数与既有成果较吻合,且更接近于试验值,模型是可靠的。     

裂缝非贯通条件下混凝土结构中氯离子扩散解析

考虑混凝土裂缝的非贯通条件,根据裂缝深度将带裂缝混凝土结构分为裂缝区和无裂缝区.依据Fick第二定律,建立氯离子在带裂缝混凝土结构中的扩散方程,结合初始条件和边界条件,采用Laplace变换法得到带裂缝混凝土结构中氯离子扩散方程的解析解,并分析裂缝宽度和深度对氯离子分布规律及钢筋混凝土结构耐久寿命影响.结果表明,裂缝的深度越小、宽度越大,则裂缝非贯通条件下的氯离子浓度与裂缝贯通条件下的氯离子浓度差异越大.随着裂缝深度与保护层厚度之比d_(cr)/d_c增大,钢筋混凝土结构耐久寿命呈现先减小后增大的变化趋势;当d_(cr)/d_c=1.0时,结构耐久寿命取得最小值;当d_(cr)/d_c1.6时,结构耐久寿命可近似按裂缝贯通时的情况计算.     

硫酸盐在圆形混凝土桩中扩散反应解析解

基于Fick第二定律,建立了硫酸盐在混凝土桩中的扩散反应方程.采用分离变量法和Danckwerts法,结合初始和边界条件,推导出扩散反应方程解析解.进一步考虑硫酸盐侵蚀过程中孔隙填充与膨胀裂缝对硫酸盐扩散系数的影响,提出了混凝土侵蚀劣化全过程有效扩散系数模型.基于硫酸盐扩散反应方程解析解和有效扩散系数模型,获得硫酸盐在混凝土桩中的浓度分布规律,并与试验结果对比,验证了解析解的有效性.算例分析表明:孔隙的填充对硫酸盐扩散的阻碍效果显著,而裂缝的发展促进了硫酸盐的扩散反应;水灰比越小,硫酸盐侵入深度越浅,浓度也越低.     

基于修正扩散方程的混凝土结构耐久寿命敏感性分析

在Fick扩散定律的基础上,综合考虑多因素后,建立了修正的氯离子扩散模型,并对此进行了耐久寿命的敏感性分析,基于各参数的统计特征,进行了耐久寿命的Monte-Carlo仿真模拟.研究结果表明,氯离子扩散系数、保护层厚度、表面氯离子浓度、临界氯离子浓度均对混凝土结构的耐久寿命有显著的影响.在工程中应重视这些影响因素的统计特性,提高结构耐久寿命预测的精度和准确性,更好地为混凝土结构的维护和管理服务.     

氯离子侵蚀混凝土及细观参数影响的近场动力学模拟

为了研究混凝土细观参数对氯离子扩散过程的影响,建立了饱和混凝土中氯离子扩散的近场动力学细观模型.该模型采用氯离子浓度的积分代替经典局部模型中的浓度空间微分,使用"键"将氯离子从一个材料点输运到另一个材料点.通过与有限元模型计算结果进行对比,验证了模型的可行性和有效性;讨论了骨料分布、骨料体积分数、骨料级配、界面过渡区(ITZ)厚度和ITZ扩散系数等细观参数对氯离子扩散过程的影响.结果表明:骨料分布对氯离子扩散过程的影响可忽略;随着骨料体积分数的增加,氯离子扩散速度先减小后增大;而骨料级配与氯离子扩散速度没有明显相关度.同时,随着ITZ厚度和ITZ扩散系数的增加,氯离子扩散速度小幅增加.     

混凝土桥梁氯离子侵蚀过程仿真的细胞自动机模型

为准确高效地模拟钢筋混凝土桥梁在运营期间氯离子的侵蚀过程,并获得梁截面内任意时刻任意位置的氯离子浓度,提出基于细胞自动机理论的混凝土桥梁氯离子侵蚀过程模拟方法.首先,根据细胞自动机原理对氯离子侵蚀过程进行分析,利用简单的局部进化行为模拟复杂的扩散过程.然后,综合考虑时空变异性、水灰比、应力状态等因素对氯离子侵蚀过程的影响,建立多因素耦合作用下的混凝土桥梁的氯离子侵蚀模型.最后,以某T梁为例,分析桥梁服役期间氯离子扩散规律及混凝土水灰比和应力状态对氯离子扩散过程的影响.结果表明,钢筋表面的氯离子浓度值在侵蚀20年时开始趋于稳定,角部区域钢筋更易锈蚀;混凝土水灰比越大,钢筋表面的氯离子浓度增长越快;梁截面拉应力越大,钢筋表面的氯离子浓度增长越快,而压应力越大,钢筋表面的氯离子浓度增长越缓慢.     

海工预应力混凝土氯离子侵蚀模型及耐久性

总结分析了国内外有关混凝土中氯离子侵入模型的研究概况,针对海工预应力混凝土结构,讨论了影响氯离子侵入预应力混凝土的各种因素．考虑混凝土与氯离子间的结合能力,建立了预应力混凝土氯离子侵入数学模型．以混凝土保护层厚度、氯离子扩散速度以及表面氯离子浓度为主要参数,运用可靠度理论,建立了海工预应力混凝土结构耐久性可靠度分析模型．分析结果表明：应力状态下。混凝土的氯离子有效扩散系数是变化的,其中混凝土的拉应力会加快氯离子的扩散,而压应力则相反;同时从耐久性分析中可知,混凝土保护层厚度对氯离子侵蚀下的PC结构耐久性影响最大,表面氯离子浓度及氯离子扩散速度次之．     

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。     

考虑多种失效模式的锈蚀钢混构件失效概率研究

针对由氯离子侵蚀引起的锈蚀钢混构件的抗力退化及可靠度变化问题,基于考虑扩散系数分段衰减的混凝土中氯离子浓度的计算模型,首先建立了钢筋锈蚀起始时间Tc和动态直径D(t)的计算模型,然后对考虑多种失效模式情况下的构件失效概率进行了分析。     

基于DLA的氯离子侵蚀与碳化耦合作用下桥梁性能演变模拟

氯离子侵蚀和碳化是影响混凝土结构耐久性的主要因素,各自的理论公式已比较完善,但考虑二者耦合作用的定量分析和模型较少,影响混凝土结构耐久性分析的精度和水平.扩散限制凝聚模型(Diffusion-limited Aggregation,DLA)能够较完善地模拟气体的扩散凝聚,且具有随机性和分形特征,适合细致反映氯离子侵蚀、碳化及二者耦合作用下混凝土性能演变过程.本文基于DLA原理,考虑到扩散深度、混凝土特性及暴露条件等对氯离子扩散的影响,并考虑到混凝土特性及暴露条件等对碳化的影响,以及碳化与氯离子侵蚀的耦合作用,建立DLA模型,可获得任意时刻、任意位置处二氧化碳与氯离子的浓度.针对桥梁耐久性分析需求,提出利用DLA模型预测考虑疲劳效应的混凝土和钢筋性能退化方法.算例表明该方法能够动态细致地模拟桥梁耐久性演变过程.     

混凝土中氯离子传输模拟及速率分析

为模拟氯离子在混凝土中传输规律,基于Fick第二定律和Darcy定律建立氯离子扩散-对流模型,同时考虑温湿度、孔隙率、结合效应等多种影响因素对扩散系数进行修正,利用Matlab和COMSOL Multiphysics实现多场耦合数值模拟,最终结合试验数据模拟氯离子传输过程.结果表明:数值模拟与实验结果相关性良好,能有效...     

既有混凝土码头的时变氯离子扩散过程

为了研究不同暴露环境(大气区、潮差区和浪溅区)对氯离子在混凝土中传输的影响,以及氯离子扩散过程的时变特性,对北部湾某码头的混凝土现场耐久性进行了检测,得到了不同深度混凝土试样的自由氯离子浓度.结果表明,在同一侵蚀深度,浪溅区的氯离子浓度最大,潮差区的次之,大气区的最小,拟合得到的表面氯离子浓度和表观氯离子扩散系数亦表现出了相同特性;浪溅区是影响临海钢筋混凝土结构耐久性的最不利暴露环境;氯离子扩散系数随侵蚀时间递减,时间参数为服从正态分布的随机变量,大气区、潮差区和浪溅区时间参数的均值分别为0.19,0.36和0.43;在钢筋混凝土结构的耐久性分析中应考虑氯离子扩散系数的时变特性.